縱向結構優(yōu)化下微噴帶噴灑特性研究

李道西，劉 歡，侯皓森，周庭全，盧爭光，高世凱，李彥彬

?灌溉技術與裝備?

縱向結構優(yōu)化下微噴帶噴灑特性研究

李道西，劉 歡，侯皓森，周庭全，盧爭光，高世凱，李彥彬

（華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450046）

【目的】探究縱向結構優(yōu)化對微噴帶噴灑特性的改善效果?！痉椒ā恳允袌錾铣Ｒ姷腘42斜3孔（CK1）和N42斜5孔（CK2）微噴帶為對照，探索30 m斜3孔與10 m斜5孔的組合微噴帶（T31）、20 m斜3孔與20 m斜5孔的組合微噴帶（T11）在4個工作壓力下的噴灑特性?！窘Y果】微噴帶的壓力、單孔流量、射程、水量分布范圍隨工作壓力的增大而增大，在沿管長方向上逐漸減小；CK1、T31、T11的整體噴灑均勻度先增大后減小，CK2的整體噴灑均勻度持續(xù)增大，當T11在0.035 MPa工作壓力下，整體噴灑均勻度為63.8%?！窘Y論】改變微噴帶的結構和工作壓力能夠提高微噴帶的噴灑均勻度，在微噴帶末端通過減小孔間距離和增加孔數可提高噴灑均勻度。不同結構的微噴帶存在不同的最優(yōu)工作壓力，應根據微噴帶的結構選擇合適的工作壓力。

微噴帶；工作壓力；結構優(yōu)化；噴灑特性

0 引言

【研究背景】微噴帶灌溉是一種高效節(jié)水灌溉技術。微噴帶是由聚乙烯軟管在打孔設備上直接加工形成有規(guī)律的小孔，通過這些小孔進行灌溉的設備[1]。它具有抗堵塞性能好、噴灑均勻度高、適應范圍廣等優(yōu)點[2-3]。目前，中國的微噴帶尚缺乏統(tǒng)一技術標準，大多參考《微灌工程技術規(guī)范》進行設計和生產[4]。

【研究進展】國內外學者對微噴帶的噴灑特性進行了研究。王一博等[5]探討了在低水頭條件下微噴帶的水量分布特征及噴灑均勻度。費順華等[6]研究了在1 m水頭下微噴帶的沿程單孔出流流量。吳征文[7]等提出了微噴帶沿管長方向水頭損失的經驗公式。周斌等[8]研究了微噴帶單孔水量分布與干燥、濕潤區(qū)寬度等因素之間的關系。徐茹等[9]研究發(fā)現(xiàn)，微噴帶的管徑、孔數與工作壓力都會對微噴帶的噴灑特性產生影響。王建軍等[10]采用正交試驗探究了微噴帶的鋪設長度、孔口間距、噴水孔直徑對噴灑均勻度的影響。徐茹[11]研究發(fā)現(xiàn)，提升工作壓力可以提高噴灑均勻度，但并不是壓力越大均勻度越高，且不同直徑微噴帶存在不同的最優(yōu)工作壓力范圍。王琪等[12]研究發(fā)現(xiàn)，微噴帶與地面之間的角度不同時，噴灑出水流的運動軌跡也不同，噴灑距離也不相同。Doboer等[13]通過對單個噴頭開展水力學試驗研究，運用彈道軌跡模型研究了噴灑水滴的運動軌跡，探究微噴帶的水量分布。Bombardelli等[14]利用模型研究微噴帶灌溉系統(tǒng)中接連處所引起的局部水頭損失，獲得流量和局部水頭損失系數（）的函數曲線。

【切入點】以上研究反映了微噴帶的噴灑特性，但大多基于單一的微噴帶結構，而關于微噴帶結構優(yōu)化對其噴灑特性影響的研究尚未見報道。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究通過試驗探尋更優(yōu)的微噴帶結構設計，探討縱向結構優(yōu)化對微噴帶噴灑特性的改善效果，研究結果對于建立微噴帶技術規(guī)范和優(yōu)化微噴帶灌溉制度具有重要的理論指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取國內常用的折徑為32 mm的斜3孔和斜5孔薄壁軟塑料微噴帶，以斜5孔微噴帶為例，結構樣式如圖1所示，2種微噴帶的型號參數詳見表1。

圖1 斜5孔微噴帶結構樣式

表1 微噴帶結構參數

1.2 試驗方法

試驗于2021年10月—2022年5月在華北水利水電大學農業(yè)高效用水試驗廠（34°78′N，113°78′E）內進行，試驗場地平整（坡度小于1%），選擇無風天進行試驗，水源為深井水，無須過濾，供水壓力穩(wěn)定。測定指標為微噴帶的沿程噴灑流量、壓力以及最大噴灑距離。試驗裝置包括水泵（功率7.5 kw、流量20 m3/h、揚程67 m）、調壓閥、精密壓力表（0.25級、量程為0.16 MPa）、天秤（精度10-3g）、塑料集水碗（碗口面積為240 cm2）、自制移動壓力表（壓力表規(guī)格與精密壓力表相同）。試驗所用微噴帶的最大工作壓力為0.08 MPa，本次試驗在0.025～0.04 MPa范圍內每隔0.005 MPa設置一個工作壓力，共計4組壓力。以40 m的斜3孔（CK1）和斜5孔（CK2）微噴帶為對照，探索30 m斜3孔與10 m斜5孔的組合微噴帶（T31）、20 m斜3孔與20 m斜5孔的組合微噴帶（T11）在4個工作壓力下的噴灑特性（表2），為了減小微噴帶連接處產生的水頭損失，在改變結構時，對2種微噴帶的連接處用PE專用膠進行粘連，試驗布置如圖2所示。

表2 試驗設計

圖2 試驗布置

微噴帶的噴灑效果和噴灌相近，但噴灑特征與噴灌不同。微噴帶在平整鋪設時，處在管帶中心的小孔噴灑分散程度低，水量大多集中于管帶附近，管帶側邊小孔的噴灑距離較遠，降水分散程度高。微噴帶降水分布（以斜5孔微噴帶為例）如圖3所示。

1.3 測定指標與方法

試驗所用微噴帶長度為40 m，沿管長方向每隔5 m設置1個測量點，共計9處測量點，第1處記為1、第2處記為2，…，第9處記為9。

圖3 微噴帶降水分布示意

1）壓力測量。利用自制移動壓力表（由精密壓力表和輸液器密封制作）分別測量沿管長方向上各位置點處的壓力，將輸液器針頭插入微噴帶小孔內，利用連通器原理進行測量。

2）單孔噴灑流量計算。在每次試驗前，先用塑料薄膜遮擋微噴帶，調節(jié)壓力值，待壓力穩(wěn)定3 min后，將塑料小碗放入對應測量點，并將該位置小孔用輕質塑料水瓶套住，收集1組小孔所噴灑的水量，單孔噴灑流量計算式為：

式中：為微噴帶單孔流量（L/h）；為一個塑料集水碗的集水量（L）；為孔數；為每組試驗所用時間（h）。

3）水量分布圖的繪制與噴灑均勻度的計算。在測量噴灑均勻度時，在微噴帶一側布置收集水量的裝置，用來收集微噴帶噴灑的降水量；每次試驗開始前，將微噴帶管用塑料薄膜全部遮擋后調節(jié)到設定的工作壓力，待壓力穩(wěn)定3 min后，將塑料薄膜迅速移開，開始計時。在噴灑10 min后關閉閥門，測量各測點的降水量，根據各點收集的降水量，利用克里金插值法繪制微噴帶水量分布等值線圖、計算噴灑均勻度，計算方法采用克里斯琴系數法[15]，計算方法如式（2）、式（3）所示：

4）射程計算。微噴帶的射程—是指有效濕潤區(qū)范圍內的最遠距離，根據《農業(yè)灌溉設備非旋轉式噴頭設計要求和試驗方法》（GB/T 50485—2009）規(guī)定，單根微噴帶管的有效噴灑范圍是噴灑寬度為灌水強度為0.13 mm/h對應的點距噴頭中心線的距離。微噴帶射程測量是利用在水量分布過程中得到的不同位置點降水強度為依據進行計算。

2 結果與分析

2.1 微噴帶的壓力變化

由圖4可知，相同工作壓力下，不同微噴帶的壓力變化相同，均隨著測量點位的增大而減小。4種微噴帶末尾壓力下降幅度依次為：CK2>T11>T31>CK1。與第1測量點相比，4種微噴帶均在前4個測量點壓力降幅較大。以工作壓力0.03 MPa為例，與第1測量點相比，CK1、CK2、T31、T11在第9測量點壓力分別下降了27.0%、54.0%、30.7%、50.7%，其中到第4測量點處分別下降了16.7%、40.0%、20.0%、39.3%，在后3個測量點只有小幅度變化。不同工作壓力下，微噴帶沿管長方向的壓力變化趨勢基本一致，均隨著距首端距離的增加而降低。4種微噴帶沿管長方向壓力的變化幅度不同，但變化趨勢基本一致。微噴帶上噴水孔數量越多、工作壓力越大，首尾壓力差越大。

圖4 不同結構下微噴帶的壓力變化

2.2 微噴帶的單孔流量變化

由圖5可知，相同工作壓力下，4種微噴帶在同一測量點的單孔流量不同。CK1首尾兩端的單孔流量差值較小，變化也較為平緩；CK2的首端單孔流量最大，首尾兩端流量差值也最大；T31在前6個測量點處的流量逐漸減小，但在第7個測量點流量突然增大；T11的變化趨勢與CK1相似。不同工作壓力下，4種微噴帶沿管長方向各測點的單孔流量、首尾流量差均隨工作壓力的增大而增大。

圖5 不同結構下微噴帶的單孔流量變化

2.3 微噴帶的射程變化

由圖6可知，4種微噴帶對應測量點的射程均隨工作壓力的增大而增大，但在相同壓力下表現(xiàn)各異，相鄰壓力之間射程的改變幅度也不同。相同工作壓力下，4種微噴帶首端射程大小為：CK1>T11>T31>CK2，末端射程大小為：CK1>T31>T11>CK2。工作壓力越大，微噴帶射程越大。CK1的射程隨工作壓力增加，增幅逐漸減??；CK2的射程隨工作壓力增加的幅度與其他3種微噴帶相比較??；T31的射程在工作壓力由0.03 MPa增加到0.04 MPa時增幅較大；T11的射程在工作壓力由0.03 MPa增加到0.035 MPa時增幅最小。此外，工作壓力越大，CK1、CK2首尾壓力差就越大，而T31、T11首尾射程差的變化沒有明顯規(guī)律。

圖6 不同結構下微噴帶的射程變化

2.4 微噴帶水量分布特征

由圖7可知，CK1在垂直于微噴帶方向的降水主要由2部分組成。第一部分是位于管帶中心小孔所噴灑的水量，主要集中在管帶附近；第二部分是由位于管帶側面噴水孔所噴灑的水量，主要集中在遠離管帶區(qū)域。這是因為CK1在工作時管帶中心噴水孔噴灑范圍小，側面噴水孔噴灑范圍大，但噴灑距離遠，造成CK1在垂直于微噴帶方向的水量分布差值較大；CK1在沿管長方向的遠離管帶區(qū)域的降水逐漸向微噴帶中心靠近，且降水呈逐漸減小的趨勢。CK2在垂直于微噴帶方向的降水組成形式與CK1相同，但其降水分布均勻性較高，水量分布差值較小，相同工作壓力下垂直于微噴帶方向的降水集中區(qū)域距離微噴帶更近。本文選擇CK1和CK2在0.03 MPa工作壓力下沿管長的水量分布作為典型，因水量分布特征與微噴帶工作壓力、結構相關，其他試驗處理下的分布特征可參考圖4。

圖7 水量分布

2.5 微噴帶的噴灑均勻度

噴灑均勻度能直接反映微噴帶的噴灑質量。由于微噴帶各個測量點降水強度存在一定差異，因此先計算各個測量點的噴灑均勻度，然后取平均值作為評價不同處理下噴灑質量的標準。不同處理下各測量點的均勻度系數計算結果如表3所示。CK1均勻度平均值隨壓力的增大呈先增大后減小的趨勢，在0.03 MPa的工作壓力下均勻度平均值最大；CK2均勻度平均值隨壓力的增大而增大，且在0.04 MPa的工作壓力下達到最大；T31與T11均勻度平均值均在0.035 MPa的工作壓力下達到最大，分別為58.4%和63.8%。

表3 不同結構下微噴帶的噴灑均勻度

3 討論

相同工作中壓力條件下，4種微噴帶壓力在沿管長方向的變化趨勢基本一致。前15 m表現(xiàn)為大幅度下降，后10 m表現(xiàn)為小幅度震蕩；斜3孔、斜5孔、1∶1結構優(yōu)化微噴帶流量的變化規(guī)律和壓力相似，3∶1優(yōu)化微噴帶的流量在前30 m逐漸減小，第30 m突然增大后又減小，其中斜5孔微噴帶的首端單孔流量最大，而同時末端流量降幅最大；4種微噴帶首尾兩端射程的大小并不相同：微噴帶首端3∶1大于1∶1優(yōu)化微噴帶射程，而末尾處相反。這可能是因為微噴帶的壓力和噴灑流量相互影響，當管帶內壓力大，單孔流量和壓力損失就越大，引起了微噴帶在壓力大、噴水孔數量多的情況下壓力和流量的變化幅度大；斜3孔與斜5孔微噴帶末端受到封堵的影響，造成在后10 m出現(xiàn)小幅度波動，3∶1優(yōu)化微噴帶流量的變化可能是因為在后10 m處受結構和壓力的震蕩變化，引起了流量出現(xiàn)大幅度改變；射程的變化可能是受微噴帶結構的影響，不同比例長度下沿管長方向的流量壓力變化不同，引起末尾處射程變化幅度不同。

隨著工作壓力的增大，微噴帶管內壓力、沿管長方向單孔流量、射程、水量分布范圍、首尾壓力差、單孔流量差均逐漸增大。原因可能是首端工作壓力的增大提高了微噴帶管內的流量和壓力，增大了微噴帶沿管長方向的單孔流量，壓力的增大使噴灑出的水流在水平方向上具有更多的動能。斜3孔與斜5孔微噴帶首尾的射程差隨壓力的增大而增大，但2種組合結構下的微噴帶規(guī)律不明顯，這可能是因為在微噴帶末端改變了微噴帶的結構，引起了不同于未優(yōu)化微噴帶的差異。

斜3孔和斜5孔在相同壓力下水量分布不同。斜3孔微噴帶水量分布范圍較大，斜5孔水量分布均勻性高、且降水強度大；沿著微噴帶方向水量集中區(qū)域逐漸向管帶中心靠攏。這可能是因為斜3孔微噴帶管帶側面只存在一個噴水孔，降水強度小，噴灑范圍大，斜5孔微噴帶管帶側面存在2個不同角度的噴水孔，這2個噴水孔所噴灑的降水集中區(qū)域有交叉，同時因為角度不同的2個小孔噴灑水流相互打擊的作用，而引起同樣壓力下斜5孔的降水集中區(qū)域較斜3孔距離管帶近、降水強度大；微噴帶末端壓力減小的情況下，水量分布范圍減少，降水強度降低。

4 結論

相同工作壓力下，微噴帶沿管長方向的壓力變化與微噴帶的結構有關，微噴帶的孔數越多，沿管長方向壓力下降越快；當增大工作壓力時，微噴帶沿管長方向壓力和壓力損失逐漸增大。

微噴帶工作壓力越大，單孔噴灑流量、射程越大。工作壓力主要影響降水的分散程度和主要集中區(qū)域，不同結構的微噴帶，其噴灑流量、水量分布、射程對壓力變化的響應不同，通過結構優(yōu)化，可減小微噴帶管長方向單孔流量、射程的變化，使微噴帶降水分布更均勻。

不同結構微噴帶存在不同的最優(yōu)壓力值，在微噴帶末端通過增加孔數和減小孔距能提高噴灑均勻度。

[1] 楊筠晴. 輕小型汽油微噴灌溉機組的應用性能及微噴帶噴灑試驗研究[D]. 北京: 中國農業(yè)科學院, 2017.

YANG Yunqing. Study on the application performance of light and small gasoline micro spray lrrigation unit and spray test of Micro-sprinkling Hoses[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2017.

[2] 邸志剛. 薄壁微噴帶噴灑寬度與組合優(yōu)化試驗研究[D]. 天津: 天津農學院, 2019.

DI Zhigang. Experimental study on spray width and combination optimization of thin-walled Micro-sprinkling Hose[D]. Tianjin: Agricultural University, 2019.

[3] 李敬庫. 微噴帶灌溉技術研究及應用進展[J]. 東北水利水電, 2017, 35(1): 53-56.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 微灌工程技術規(guī)范: GB/T 50485—2009[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2009.

[5] 王一博, 李道西, 杜微, 等. 低水頭微噴帶噴灑均勻度試驗研究[J]. 人民黃河, 2018, 40(7): 146-149.

WANG Yibo, LI Daoxi, DU Wei, et al. Experimental research on spray uniformity of micro-sprinkling hoses with low water head[J]. Yellow River, 2018, 40(7): 146-149.

[6] 費順華, 周建杰, 錢萬元, 等. 特低水頭微灌中微噴帶的水力特性和灌水均勻度[J]. 節(jié)水灌溉, 2011(11): 31-33, 40.

[7] 吳政文, 張學軍. 微噴帶沿程水頭損失的試驗研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2011(8): 40-42.

WU Zhengwen, ZHANG Xuejun. Experimental study on frictional head loss of micro-sprinkling hose[J]. Water Saving Irrigation, 2011(8): 40-42.

[8] 周斌, 封俊, 張學軍, 等. 微噴帶單孔噴水量分布的基本特征研究[J]. 農業(yè)工程學報, 2003, 19(4): 101-103.

ZHOU Bin, FENG Jun, ZHANG Xuejun, et al. Characteristics and indexes of water distribution of punched thin-soft tape for spray[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2003, 19(4): 101-103.

[9] 徐茹, 王文娥, 胡笑濤. 壓力對微噴帶水量分布均勻性影響試驗研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2020(9): 88-93.

XU Ru, WANG Wen’e, HU Xiaotao. Experimental study on the influence of working pressure on water distribution uniformity of micro-sprinkler belt[J]. Water Saving Irrigation, 2020(9): 88-93.

[10] 王建軍, 楊筠晴, 蔡九茂, 等. 工作壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴水特性影響的試驗研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2018(3): 35-38.

WANG Jianjun, YANG Yunqing, CAI Jiumao, et al. Experimental study on the influence of working pressure and spraying angle on the single-hole spray characteristics of micro-sprinkling hose[J]. Water Saving Irrigation, 2018(3): 35-38.

[11] 徐茹. 水肥一體化微噴帶灌溉施肥均勻度影響因素[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2020.

XU Ru. Factors influencing the uniformity of fertilization in micro spray belt irrigation[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2020.

[12] 王琪, 張偉. 微噴帶灌水均勻度影響因素試驗研究[J]. 農業(yè)與技術, 2016, 36(7): 66-67.

[13] DEBOER D W, MONNENS M J. Estimation of drop size and kinetic energy from a rotating spray-plate sprinkler[J]. Transactions of the ASAE, 2001, 44(6): 1 571-1 580.

[14] BOMBARDELLI W W á, DE CAMARGO A P, FRIZZONE J A, et al. Local head loss caused in connections used in micro-irrigation systems[J]. Revista Brasileira De Engenharia Agrícola e Ambiental, 2019, 23(7): 492-498.

[15] 李久生, 饒敏杰. 噴灌水量分布均勻性評價指標的試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報, 1999, 15(4): 78-82.

LI Jiusheng, RAO Minjie. Evaluation methods of sprinkler water nonuniformity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 1999, 15(4): 78-82.

Optimizing the Structure of Micro-spray Tape to Improve Irrigation Uniformity

LI Daoxi, LIU Huan, HOU Haosen, ZHOU Tingquan, LU Zhengguang, GAO Shikai, LI Yanbin

(School of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

【Objective】Micro-spray irrigation is a common technology used for different purposes. The aim of this paper is to experimentally study how to improve spraying uniformity by optimizing the structure of the spray tapes.【Method】The two commercial spray tapes, N32 slant 3-hole (CK1) and N32 slant 5-hole (CK2) were used as references. We studied the improvement of the 30 m slant 3-hole combined with 10 m slant 5-hole micro spray tape (T31), as well as the 20 m slant 3-hole combined with 20 m slant 5-hole micro spray tape (T32), compared to the references. Each micro-spray tape was tested under four working pressures.【Result】With the increase in working pressure, water pressure in the tapes, single-hole flow rate, spraying distance, water distribution area all increased. With the increase in working pressure, these factors gradually decreased in the direction of the tube rectangle, though the decrease varied with spray tape. With the increases in working pressure, the spraying uniformity of CK1, T31and T11increased first and then decreased, while the uniformity of CK2consistently increased. When working pressure was 0.035 MPa, the overall spray uniformity of T11was 63.8%, the highest among all treatments.【Conclusion】Optimizing the structure of micro spray tape combined with adjusting working pressure can improve spray uniformity of the micro spray irrigation. Reducing the space between adjacent holes (i.e., to increase the number of holes) at the end of the tape can improve spraying uniformity. For the four micro-spray tapes we tested, each micro spray tape has an associated optimal working pressure, and correctly setting the working pressure is hence important to improve irrigation efficiency and uniformity.

micro-spray tape; working pressure; structural optimization; spraying characteristics

李道西, 劉歡, 侯皓森, 等. 縱向結構優(yōu)化下微噴帶噴灑特性研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(5): 75-81.

LI Daoxi, LIU Huan, HOU Haosen, et al. Optimizing the Structure of Micro-spray Tape to Improve Irrigation Uniformity[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 75-81.

S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022353

1672 - 3317（2023）05 - 0075 - 07

2022-06-24

國家自然科學基金項目（52179015）；河南省重點研發(fā)與推廣項目（212102110031）

李道西（1978-），男。副教授，博士，研究方向為節(jié)水灌溉理論與技術。E-mail: ldx97042@163.com

責任編輯：韓 洋