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器的堵塞状况,灌水器的制造偏差,灌溉水的温度变化
以及地面高低起伏的变化等_1].目前,国内的一些学
者已在流量偏差率的计算方面进行了大量研究,并取得
一
系列成果,如中国学者康跃虎利用有限元法,毛管流
量公式和黄金分割法研究出了满足平均灌水器流量和
灌水均匀度的微灌系统的水力学设计方法_6;
牛文
全,吴普特等人在分析目前水力偏差率及流量偏差率的
计算方法的基础上推导出了微灌系统综合流量偏差率
和极限综合流量偏差率的计算方法_】];
张国祥研究了
滴头设计水头的取值实质并提出了用高差流量偏差率
来评判灌区田面状况对系统灌水质量的影响[1o,11];
郑
耀泉用计算机模拟了滴头制造偏差并由此开发出滴灌
系统田间管网的随机设计方法_1.前人的研究成果
收稿日期:
2006—08一l7修订日期:
2007—03—08
基金项目:
国家863重点项目”微压滴灌系统与产品”
（2006AAl002l4）
作者简介:
张林（1981一）,男,湖北随州人,博士生,主要从事节水
灌溉理论与设备研究.陕西杨凌西农路26号中科院水保所节水中
心,712100.Email:
zi0211wy@yahoo.CON.CH
※通讯作者:
吴普特（1963一）,男,陕西武功人,研究员,博士生导
师.陕西杨凌西农路26号中科院水保所节水中心,7121O0,Email:
gjzwpt@vip.sina.CON
表明滴灌工程的实际灌溉质量与设计目标逐渐接近,但
对坡度与流量偏差率之间的相互影响研究较少,影响到
上述研究成果的实际应用效果.为此,本文从水力学原
理出发,通过理论分析与试验验证相结合的方法,忽略
制造偏差,主要研究考虑地形坡度及水力偏差的流量偏
差率计算方法,为科学合理设计滴灌工程提供技术支
撑.
1均匀坡度下单条毛管流量偏差率
按照流量偏差率的定义及《微灌工程技术规范》的
规定?
],微灌小区灌溉流量偏差率应按下列公式计算:
g一|二
（1）
式中g——灌水器流量偏差率,%;
g,（4）
第8期张林等:
均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法41
式中——毛管上第个滴头的工作压力水头,m;
.——毛管进口压力水头,In;
hi.——毛管上第个滴
头与毛管进口之间的水头损失,m;
——地形坡度;
z——第个滴头处的毛管长度,m,z一s.+（一
1）s,So——毛管上第1个滴头与毛管进口之间的距离,
m,——毛管上滴头个数,s——毛管上滴头间距,m.
由式（4）可得
dh.
一一
（5）一一百b
下面分别对平坡,均匀逆坡和均匀顺坡3种情况下——流量指数;
——管内径,
mm;
6——管道内径指数;
F——多孔系数,按下式计
算.
F==
?
（{+1+）一1+
一1+
S
式中?
——毛管上的滴头总个数.
将式（6）及h=h.代人式（3）,可以得到:
（0一hi）
吼一——一
（8）
（9）
将（.一hf）用二项式定理展开并舍去二次项以后
的各项,则有:
（0一hi）一一xh”ihf（10）
为了保证滴灌系统的灌溉质量,灌水器水头偏差率
应不大于2O,即h,?
20h.,对上式进行误差分
析:
1?
1...62,说明本文进行的余项
处理完全可行.
再将式（10）代入式（9）中:
qv一
xhfh~1
q（11）一—了一Lll
1.2均匀逆坡（&
lt;
0）
在逆坡（&
o）情况下:
dh.一一
&
o.
故h为一单调递减函数,因此毛管进口处的第一
个滴头工作压力最大,毛管末端的滴头工作压力最小,
可表示为
hi一h0一hf+il（12）
将式（12）及h…一h.代人式（3）中,并按二项式定
理展开可得
一g一——厂.
1.3均匀顺坡（&
gt;
1）在整条毛管上&
或.
O,故滴头户的工作压力最小,而毛管进口
皮的第一个滴头工作乐力晶大
42农业工程
h.一ho一+il（16）
式中——工作压力最小的滴头P处的水头损失,
m;
lp——工作压力最小的滴头P距毛管进口的距离,
将式（16）及h一h.代人式（3）中,并按二项式定
z（一i）lp一1
g一—__（17）
由导数定义可知
m
擘
式中Q——工作压力最小的滴头P处的毛管流量,
L/h,可近似认为Q一（,一P）g;
——工作压力
最小的滴头P处的微小段水头损失,rn;
——工作压
力最小的滴头P处的微小段毛管长度,rn;
其他符号意
义同上.
又因为一,a厂一圳口:
_厂二:
由此可以确定工作压力最小的
滴头P的位置:
户一…
1,一I,
（）——将括号内小数舍去成整数..
再将P代人式（7）及z一S.+（户一1）s中求得
和z的值,从而求出g的值.
4）在整条毛管上存在一滴头户其l一.+cm—
i,且在毛管末端h,?
il
该情况下,毛管的最小工作压力出现在滴头P处;
而最大的工作压力出现在毛管末端.
hi一ho—hsp+il（19）
h===h.一hi+il（20）
将式（19）和式（2O）代人式（3）中,并按二项式定理
展开得
g一
x（hsp--hs:
;
…
式中g的计算同上.
综上所述,可以将上述各种坡度的流量偏差率公式
统一为一种形式.
g一（22）吼一——一zz
式中l,一,?
——毛管上压力最小的滴头与压
力最大的滴头之间的水头损失,ITI;
——毛管上压力
最小的滴头与压力最大的滴头之间的距离,ITI;
g——
考虑水力偏差和地形坡度的流量偏差率,;
h.,3r,i,h
的物理意义同上.
2均匀坡度下灌水小区的流量偏差率计算
对于树状布设的毛管,支管进口的压力水头为H.,
毛管铺设条数为,毛管间距为5,第1条毛管人口距
离支管进口的距离为5.,单条毛管上滴头总个数为,,
滴头间距为S,第1个滴头距毛管进口的距离为S.,支管
内径为D,毛管内径为d,滴头设计流量为g,H为第m
条毛管进口压力水头.
灌水小区中任一滴头的实际工作压力可表示为
h（Z）一H.一Hr（L）+jL一hs
（1）+i?
Z
（23）
式中h（z）——灌水小区中第m条毛管上的第个
滴头的工作压力,nl;
H,（L）——灌水小区中第m条毛
管进口距支管进口处的水头损失,nl;
l,——支管铺设
坡度;
L——第m条毛管进口距支管进口处的长度,
nl;
hs（z）—,第m条毛管上的第个滴头距毛管进口
处的水头损失,nl;
——毛管铺设坡度;
z——第m条
毛管上的第个滴头距毛管进口处的长度,nl.
根据试验资料并参考文献[16],在灌水小区中,工
作压力最大的滴头在进口水头最大的毛管上,工作压力
最小的滴头在进口水头最小的毛管上.假定灌水小区中
第条毛管上的第个滴头工作压力最大,第r条毛管
上的第t个滴头工作压力最小,,,r,t的具体值可以参
照本文第二部分中的方法确定,L,L,z,z可以分别用
L一S.+（一1）5和z一S.+（一1）s来计算,
H,（L）,H,（L）,hs（z）,hs（z）可以利用式（7）计算,故
h…一It.一Hr（L）+jL一hs
（1）+i?
（24）
h…===tI.一Hr（L）+L一hs
（1）+i?
（25）
将式（24）和式（25）代人式（3）中,并按二项式定理
展开可得
g一[zH[生l二
（_—+）]（z一lv）]/;
（26）
f
式（26）最终也可以写成类似于式（22）的形式,即
g一（27）g一————一Z,
式中g——考虑水力偏差和地形坡度的灌水小区流
量偏差率,;
——综合考虑了支管与毛管的水头损
均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法43
失,J,一—AH—
s+
广
AAs
Ah厂一灌水小区中工作压力最
小的滴头沿等高线布设时,J一0,i一i,式（27）可以表示为
4-Ahfi）AlH~-1
:
当支管顺坡布设,毛管垂直于支管沿等高线布设
时,—O,一丁L,式（27）可以写成:
4-Ahfj）ALH~_1
g一———————一z
公式（27）说明水力偏差和地形坡度对流量偏差的
影响不是相互独立的,而具有一定的相关关系,可以利
用地形坡度与水力偏差的这种关系来减小流量偏差,提
高滴灌系统的灌水均匀度.
3公式验证与分析
为了验证上述公式的正确性,进行了滴灌灌水均匀
度试验,试验在国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心的
节水示范园进行.试验中选取支管内径D一32mm,毛
管内径d一12mm,长度z一60ITI,滴头间距S一30cm,
滴头设计流量q一2.2L/h,滴头流量公式为q一
0.8758h.试验时,毛管顺坡布置,间距为0.5ITI,共布
置5条毛管;
支管垂直于毛管布置;
毛管铺设面由钢丝
连接而成,沿着毛管等距离布设7个”T”形调节杆支
座,作为钢丝铺设面的调坡控制点,通过调节支座高程
来控制铺设面坡度,进而调节毛管铺设坡度.试验开始
时,首先打开加压泵,为系统提供额定的工作压力,通过
调节流量调节阀和分流阀获得系统需要的工作压力,并
保持压力的稳定,压力可以通过精度为0.002MPa的
精密压力表读取;
观测并记录滴头的流量及时间,然后
用称重法计算流量.
经试验测得不同坡度下的滴头最大和最小流量,并
由此可以得出不同坡度下的滴灌系统实测流量偏差率,
同时流量偏差率根据本文算法,规范3.0.9条款及附录
c_】中的算法计算,其结果如下（表1）.
表1不同坡度下的流量偏差率计算结果
Table1Calculationresultsofflowdeviationunderdifferentslopes
注:
地面坡度i顺流下坡时取正值,顺流上坡时取负值;
以管道中水流顺流方向对毛管及滴头进行编号,支管中最上游的毛管为第1条毛管,毛管中最
上游的滴头为第1个滴头,按此依次排序.最小及最大流量的滴头位置分别在最后一条及第1条毛管上,其在毛管上的具体位置表中已给出.
从表1可以看出,同一坡度条件下,与规范算法相
比,本文的计算结果更接近于实际情况.但由于本文算
法未考虑滴头制造偏差及其他因素（如滴头堵塞）对流
量偏差率的影响,所以在同一坡度下,通过本文公式计
算出的流量偏差率均小于实测值,但与实测值相比,本
文算法的偏差都在10以内,并且这种偏差随着坡度
的增大而减小,这是本文算法综合考虑了水力偏差和地
形坡度及其相互作用影响的结果;
而规范算法一般采用
设计工作水头进行计算,因此其流量偏差率与实测值比
较,偏差较大,一般都大于159/6,最大达到39.19/6,另
外,规范算法的流量偏差均大于实际偏差,虽然能最大
限度地保证系统的灌溉均匀度,但却增大了系统的成
本.
利用本文公式还可以分析不同因素对滴灌系统流
量偏差的影响,以寻求提高灌水均匀度的途径.从式
（27）中可以看出:
在其他条件不变的情况下,q随着
h.,h的减小而增大;
同时表1中的计算结果表明:
即使
h.在不断减小的情况下,实测流量偏差率及本文公式计
算的流量偏差率q均随着地形坡度i的增大仍然呈先
减小后增大的趋势,这说明在一定的坡度条件下,地形
44农业工程2007焦
坡度对水力偏差具有补偿作用,从而减小了流量偏差,
提高了灌水均匀度.本文的算法综合考虑了水力偏差和
地形坡度,特别是水力偏差和地形坡度的相关关系,使
流量偏差率的计算结果更接近于现实,从而使滴灌系
统的设计更接近于实际情况,并有助于滴灌系统的优化
设计.
4结论
1）分析了不同坡度下滴灌系统中工作压力最大与
工作压力最小的滴头的分布情况,确定出水力偏差和地
形坡度对滴灌系统流量偏差率的影响,为准确模拟滴灌
系统流量偏差率提供了依据.
2）以考虑地面坡度的单毛管流量偏差率计算公式
为基础,推导出的小区流量偏差率计算公式与规范算法
相比,计算结果更接近于实际情况,可直接应用于工程
设计中.
3）在一定的坡度条件下,地形坡度对水力偏差具
有一定程度的补偿作用,可以利用地形坡度与水力偏差
之间的补偿作用在工程设计中减小流量偏差,提高滴灌
系统的灌水均匀度.
[1]
E2]
[3]
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（1.CollegeofWaterResourceandArchitecturalEngineering,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,
Yangling712100,China;
2.NationalEngineeringResearchCenterforWaterSavingIrrigationatYangling,Yangling712100,China）
Abstract:
Inordertoimitateaccuratelyflowdeviationindripirrigationsystem,basedonthehydraulictheory,
thevariationregulationoftheheadlossofthelateralunderdifferentslopeswasanalyzed,andthedripperdistri—
butionofmaximalandminimalworkingpressureunderdifferentslopesweredetermined.Takingintoaccountof
hydraulicvariationandterrainslope,aformulatocomputetheflowdeviationofsinglelateralandthemethodfor
calculatingflowdeviationinblockswerededuced.Comparedwithcalculationmethodintechnicalstandardof
micro—irrigationprojects,calculationresultismoreconsistentwithactualsituation.Itcanprovidethemore
accuratetechnologicalguidancefordesigners,andmakesthatthepracticaloperationaltargetskeeppacewiththe
designedtargetindripirrigationsystem.
Keywords:
uniformslope;
dripirrigationsystem;
flowdeviation;
calculationmethod
该情况下一—dhs.&
o
与&
o情况相同,单
条毛管的流量偏差计算公式采用式（13）.
2）在整条毛管上dhfn&
或
.
h
升级会员 