地下滴灌毛管局部水头损失及均匀度变化规律研究

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在滴灌系统中,灌水均匀度作为设计的重要指标,直接决定滴灌系统的优劣,然而现行的设计规范主要针对地上滴灌系统,目前地下滴灌均匀度变化规律仍不明确。而田间地下试验的滴头流量没有有效的测量手段,地埋管道的局部水头损失计算方法还不明确,导致相关试验和水力计算方法都很缺乏。因此本文针对內镶贴片式滴灌带地下滴灌均匀度问题,首先通过室内试验结合CFD数值模拟,提出地下滴灌管道局部水头损失计算方法,再通过超声波反馈原理对田间实际灌水均匀度进行测定,最后基于有限元法提出水力计算模型,和田间试验对比验证的基础上,探明地下滴灌均匀度的变化规律。主要结论如下:1)以3种不同规格的内镶贴片式滴灌带为研究对象,通过地上滴灌试验,确定压力流量关系,通过地下滴灌试验,分析了工作压力和竖直方向土压力如何影响滴灌带过水断面形状,并提出了根据工作压力和土压力计算地下滴灌中滴灌管横径和纵径的经验公式,与实测数据对比验证了公式的准确性,结果表明当量直径与工作压力呈正相关,与土压力呈负相关。2)基于內镶贴片式滴灌带的室内研究结合CFD数值模拟,设置3组滴头尺寸、3组壁厚、3组埋深和7组工作压力共189组模拟,以滴头长度、滴头高度、滴头宽度、当量直径、管内水流流速为研究对象分析其影响机制,结合量纲分析法,提出了地下滴灌局部水头损失计算公式,并验证了公式的准确性,结果表明内镶贴片式滴灌带局部水头损失与滴头的长宽高和管内流速呈正相关,与当量直径呈负相关,为确定地下滴灌中内镶贴片式滴灌带局部水头损失提供了新的计算方法。3)以60 m长不同额定流量的内镶贴片式滴灌带为研究对象,分别进行地上滴灌和田间地下滴灌试验,测量沿线滴头流量、总流量及总水头损失,通过q、qv、Cu、Eu四项评价指标分析了地下滴灌中土壤饱和导水率不同引起的空间变异性影响下,滴头流量和均匀度的变化规律。对于额定流量为4.0 L/h和2.7 L/h的滴灌带,埋入地下后受到土壤荷载和空间变异性的影响,总水头损失提升,总流量和均匀度下降,且滴头流量的波动性变大,地下滴灌中在保证灌水均匀度的前提下建议缩短铺设长度,而对于额定流量为1.4 L/h的滴灌带,埋入地下后,总水头损失降低,总流量和均匀度上升,且滴头流量的波动变小,地下滴灌中可适当增长铺设长度。4)在室内试验和大田试验的基础上,依据有限元原理提出了地下滴灌系统水力计算模型,模型可通过滴灌带壁厚、埋深、滴头间距、滴头尺寸、工作压力及土壤空间变异性等因素准确计算地下滴灌系统沿程水头损失、局部水头损失及均匀度等指标,模型计算结果显示,地下滴灌均匀度与工作压力呈正相关,与滴灌带壁厚、埋深、滴头间距、滴头尺寸、及土壤空间变异性呈负相关。
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