第4章 滴灌系统水力学原理滴灌与喷灌相似，它们均采用为压力管道系统。

但滴灌一般工作压力较低，用水率较小。

滴灌管网通常由毛管、支管和干管构成。

毛管是与支管连接的带滴头的小口径塑料管或直接由厂家生产的滴头和毛管合二为一的滴灌管和滴灌带。

通过毛管设计对田块进行均匀地灌水；支管把水输送到毛管，它也需要适当设计，以使水能均匀地流入毛管；于管作为输水系统输送全部水并调节滴灌系统的水压。

理想的滴灌系统应当是所有的滴头在灌溉时出流量相等。

以使每棵作物能在灌溉时吸收等量的水分。

实际上完全达到上述要求是不可能的。

因为滴头的出流量受到水压的变化和制造变差的影响。

水压的变化可以通过水力设计来控制，制造变差则由生产厂家的工艺水平所决定。

滴灌系统水力学原理则是进行滴灌系统水力设计的基础。

第１节 水力学基本方程滴灌系统管网设计的理论基础是水力学，而水力学的许多分析计算均以自然界物质运动的普遍规律为依据，其中最主要的是牛顿运动定律以及质量、能量和动量守恒定律。

质量既不能产生也不会消失；能量只能从一种形式转化为另一种形式；动量也只能随作用力和时间而变化。

水力学中，质量守恒关系用液流的连续性方程表示；能量守恒方程具体表现为伯努利方程（D ．Bernoulli ），在水力学上简称能量方程；确定水流动量变化和作用力之间的关系时，动量守恒原理特别有用。

连续性方程、能量方程和动量方程是解决管流问题的最基本方程。

4.1.1水的主要物理性质⑴密度单位体积液体的质量通常用ρ表示。

密度的法定计量单位为kg/m 3，一般情况下，水有不可压缩性，清水的密度受温度和压强变化的影响很小，实际上可视为常数，水的密度ρ=102（kg ·s 2/m 4）。

Wm=ρ （4-1）式中：ρ——液体密度；m ——液体质量；W ——液体体积。

⑵容重单位液体的重量称容重，用γ表示，以kg/m 3计。

液体的容重与密度的关系如下：g ργ= （4-2）式中：g ——重力加速度，一般可看作常数等于9.8m/s 2。

因此，水的容重=102kg ·s 2/m 4×9.8/s 2=999.6kg/m 3，即淡水的容重可近似地看作γ=1000kg/m 3。

⑶粘滞性流动液体有抵抗剪切变形的性质即粘滞性。

当液体流动时需克服内摩擦力而做功，这是液体运动产生机械能量损失的原因。

水的粘滞性可用运动粘度ν表示，其单位是m 2/s 。

ρμν=（4-3）式中：μ——水的动力粘度；ρ——水的密度。

不同温度下，水的动力粘度μ和运动粘度ν值见表4-1。

表4-1 水的动力粘度μ和运动粘度ν值4.1.2 连续性方程⑴质量通量质量通量即单位时间通过的质量，以kg/s 计：ρωυ=m Q （4-4）式中：ρ——水的密度，（kg/m 3）；ω——垂直水流方向的断面积，（m 2）；υ——断面平均流速，（m 3/s ）。

⑵质量守恒定律根据质量守恒定律，恒定流时，经过同一管道任何两断面的质量通量应相等，即：21m m Q Q = （4-5）水是不可压缩的，因为21ρρ=，故：2211υυm m = （4-6）这就是水的恒定流连续方程，其实质是质量守恒定律。

可以看出，流量恒定时，断面平均流速和过水断面面积成反比，如果沿流程的过水断面增大，流速必然相应减小，反之亦然。

4.1.3 能量方程⑴位能、压能和动能水流具有以下三种能量：①因高程产生的单位质量水体的位能zg （z 是某一基准面以上的高程，g 为重力加速度）； ②因压力产生的单位质量水体的压能p/ρ（p 为压力，ρ为水的密度）； ③因运动产生的单位质量水体的动能v 2/2（v 为水流速度）。

因此总能量为：22υρ++=pzg E （4-7）⑵单位质量水体的总能量因水具有粘滞性，当水流通过固定壁或边界时，由于阻力而使水流的部分能量转化为热能，从水力学观点，这部分能量为损失能量。

取断面1和2，管流两断面的能量守恒关系为：i E p gz p gz +++=++2222222111υρυρ（4-8）式中：i E ——断面1和2之间的损失能量。

⑶能量方程用质量和力的关系：ma F=代入（4-8）式后可得：∑+++=++i h gp z gp z 2222222111υγυγ（4-9）这就是水力学中的能量方程，也称为伯努利（D.Bernoulli ）方程。

式中：γpz+——测压管水头，m ；gpz 22υγ++——总水头，m ；∑ih ——管线总水头损失，m 。

管线上各点的测压管水头和总水头连线，分别称为测压管水头线和总水头线。

沿程任意两断面的总水头差值为两断面间的水头损失。

总水头线的斜率称为水力坡度。

图4-1 测压管水头线和总水头线示意图1—总水头线 2—测压管水头线4.1.4 动量方程动量方程表示水流动量变化和作用力之间的关系。

在滴灌工程实践中，可用来计算水流对弯管的作用力，以便求出镇墩的尺寸。

定位管道，承受管道中由于水流方向改变引起的推力。

在滴灌系统的干、支管中，由于自重和温度变化会产生推力或拉力。

三通、弯头等管件处都需设置镇墩。

动量是物体质量m 和速度v 的乘积。

单位时间内液流在某一方向动量的变化，等于同一方向作用在液流上外力的合力。

因此可表示为：tm m F 12υυ-=∑ （4-10）式中：∑F ——作用在物体上的外力总和；t ——时间；m ——水体质量；υ——水流速度。

恒定流动量方程的基本形式为：)(1122υυρa a Q F -=∑或)(1122υυγa a gQF -=∑ (4-11)式中：a ——动量校正系数（一般取121==a a ）。

不难看出，动量方程实质上是牛顿第二定律在恒定流条件下的特殊形式。

第２节 滴头水力学滴头是滴灌系统的心脏，一个滴灌系统工作的好坏，最终取决于滴头施水性能的优劣。

从水力学上讲滴头是一个降压消能装置，将毛管上的有压水流经过滴头消能后以点滴状给作物根区土壤供水。

通常，通过滴头的流量是由滴头工作压力和滴头流道形状、断面尺寸及流径长短来控制。

滴头类型以往很多，现在变少并系列化。

微管滴头、孔口或管嘴滴头已逐渐被淘汰或很少采用，目前主要为紊流型长流道滴头和具有压力补偿功能的滴头，且根据用户需要毛管和滴头合二为一，实现一体化生产。

4.2.1孔口或管嘴滴头孔口或管嘴滴头通常具有固定的几何形状。

所以其过水断面是不变的。

流量与压力水头关系如下：5.02ch gh a q == （4-12）式中：q ——滴头流量； a ——过水断面面积；c ——常数；h ——压力水头。

4.2.2长流道滴头长流道滴头可用水在微管内的流动来描述。

如果流道断面和流程固定，流量与压力水头关系表示如下：x ch q = （4-13）式中：x ——流态指数。

层流1=x ；光滑紊流57.0=x ；紊流5.0=x ；其余符号同（4-12）式。

微管滴头流量与压力水头关系也可用下面的经验公式表示： 层流： 80.070.2)(272.1L hd q = （4-14）紊流：56.070.2)(776.1Lhd q = （4-15）式中：q ——滴头流量，L/h ； d ——微管内径，mm ； h ——压力水头，m ；L ——微管长度，m 。

长流道滴头的流道可以设计成不同形状的通道，以形成“迷宫”型滴头。

“迷宫”型属紊流滴头，其x 值通常为0.5或稍大一些。

x 值越小，流量变化相同时允许的压力变化越大，故x 值越小越好。

从水力学观点讲，孔口滴头比微管滴头为好。

4.2.3特殊滴头⑴压力补偿滴头压力补偿滴头过流断面面积（孔口或管嘴、流道）是随着压力水头变化而自动调节的。

当压力水头增大时，过流断面减小。

过流断面与压力水头关系如下：y bh a -= （4-16）式中：a ——过流断面面积；b 、y ——幂函数的两个常数。

将（4-16）代入（4-13）得： y y ch gh bh q --==5.02 （4-17）由（4-17），当y 值为0.5时，x 将是零；这就是说滴头流量不随压力水头的变化而变化。

⑵涡流滴头涡流滴头是具有圆环型结构的孔口滴头。

水沿切线方向进入环型内腔的四周，在腔内以高速旋转。

旋转运动的结果，产生与进入水流方向相反的离心力，对水流产生一个大的阻力。

因此，当工作压力和滴头流量一定时，涡流滴头与一般孔口滴头相比，其孔口断面较大。

⑶滴灌管（带）滴灌管（带）是目前使用最多的一种新型滴灌灌水设备。

多年生作物株距较稀、不存在每年的重新耕作问题，多使用滴灌管；它实际是将结构较复杂的孔口滴头或“迷宫”型长流道滴头与毛管加工在一起的组合式滴灌设备。

滴灌带也称线源滴头，多用在一年生作物上，它们实际上是一些水力性能得到大大改善，造价大大降低，将滴头和毛管合二为一的，结构较复杂的“迷宫”型长流道，孔口、缝隙出流滴头。

第３节 滴灌管路水力学4.3.1管道水流的流态水管内的水流可分两类。

一类是有自由水面的重力流，在重力作用下流动；另一类是充满水的压力流，在压力作用下流动。

由于水的粘滞性，使水在流动时具有不同的流态，即层流和紊流。

相同液体在同一温度、同一管道内流动时，因为流速的差异，可以产生不同的流态。

层流时，液体质点作规则的线状运动。

紊流时液体质点相互混渗，各质点的运动轨迹没有规律，但总体上还是沿着水管向前流动。

管道内层流和紊流时的流速分布规律不同，两者的水头损失和流速的关系也有差别。

在层流状态下，管壁处流速等于零，管子纵轴中心方向流速最大，平均流速等于最大流速的一半，流速在管内水流断面的分布呈抛物线规律。

在紊流状态下，只有在近壁层流速像层流状态，水流断面其它地方的流速彼此相近。

一般用雷诺数判别水流的流态，圆管满流时可根据下式算出雷诺数：νυdR e =（4-18）式中：e R ——雷诺数；υ——管道中的水流速度，cm/s ； d ——管道内径，mm ；ν——水流的运动粘度（运动粘滞系数），随水温而变化，cm 2/s ；若将（4-18）式中的流速以流量和管道内径表示则： dQR e ν2827.0=（4-19）式中：Q ——流量，L/h ； 其余符号同前。

表4-2 不同水温时的运动粘度（粘滞性系数）e R ＜2300，层流；e R ＞2300，过度流和紊流。

4.3.2沿程水头损失计算公式滴灌管路一般均为塑料管，内壁光滑，为光滑管。

常用的沿程水头损失计算公式有：⑴达西—韦斯巴赫（Dacy-Weisbach ）公式521569.0dLQ h f λ=（4-20）式中：f h ——水头损失，m ；λ——阻力系数，随管道内水流流态的不同而不同； L ——管道长度，m ；Q ——流量，L/h ；d ——管道内径，mm 。

根据勃拉休斯（Blasius ）大量光滑管试验数据、提出不同流态下阻力系数λ的经验公式如下： 层流eR ＜2320eR 64=λ（4-21）过度流和紊流 eR ＞232025.03164.0e R =λ（4-22）式中：e R ——雷诺数，由（4-18）或（4-19）式计算。