微噴頭插桿角度變化對(duì)噴灑均勻度的影響分析

康 浩，楊路華，柴春嶺，劉曉揚(yáng)(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定071001)

截止2013年底，全國(guó)灌溉面積0.70億hm2，節(jié)水灌溉工程面積0.27億hm2，其中噴、微灌面積0.07億hm2。微噴灌屬于微灌技術(shù)之一，適宜于蔬菜、果樹(shù)、大棚等多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別適宜于山丘區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉。戚春燕(2013年)等研究表明不同的安裝形式對(duì)微噴頭的水力性能影響顯著[1]；柴春嶺(2005年)等進(jìn)行了可調(diào)式微噴頭出水口流道形式對(duì)噴灑水性能影響的試驗(yàn)研究[2]；李宗禮(2012年)等研究表明噴灌技術(shù)是緩解北方缺水地區(qū)的重要節(jié)水技術(shù)手段[3]；王鳳民(2009年)等研究表明微噴灌技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)業(yè)種植中作用明顯[4]。本文通過(guò)微噴頭插桿變角度噴灌實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同插桿角度下微噴灌灌溉質(zhì)量進(jìn)行研究，確定影響因素為工程布置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

(1)材料。本次試驗(yàn)選取G型雙向出水全圓噴灑旋轉(zhuǎn)式微噴頭，型號(hào)為WPX60-200，如圖1所示。微噴頭主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 微噴頭技術(shù)參數(shù)

(2) 試驗(yàn)裝置如圖1所示[1]。

1-儲(chǔ)水井；2-水泵；3-壓力罐；4-過(guò)濾器；5-壓力表；6-調(diào)壓閥；7-微噴頭； 8-微噴頭支撐桿(角度可調(diào))圖1 試驗(yàn)裝置布置圖

2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)材料為WPX60-250微噴頭，試驗(yàn)內(nèi)容包括測(cè)定微噴頭壓力～流量關(guān)系，并進(jìn)行微噴頭插桿角度為75°、80°、85°、90°，安裝高度30、60、90 cm下單微噴頭的水量分布試驗(yàn)。

首先測(cè)定微噴頭的壓力～流量關(guān)系，分別測(cè)定150、200、250 kPa壓力下的流量，測(cè)試時(shí)間為3 min，重復(fù)3次。

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室情況和微噴頭的水力性能本次試驗(yàn)場(chǎng)地布置采取射線(xiàn)布置法，即將雨量筒布置在夾角為30°的12條由噴頭所在位置引出的放射線(xiàn)上，以每條射線(xiàn)出發(fā)點(diǎn)為起點(diǎn)每隔0.5 m布置1個(gè)雨量筒，每條射線(xiàn)共7個(gè)雨量筒來(lái)收集水量，求得各點(diǎn)噴灑強(qiáng)度。具體布置方法參照《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備》GBT27612.3-2011。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力流量關(guān)系

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)選定的微噴頭進(jìn)行壓力與流量的關(guān)系回歸：

Q=kHX

(1)

式中：Q為噴頭流量，L/h；k為流量系數(shù)；H為工作壓力，kPa；X為流態(tài)指數(shù)。

本次試驗(yàn)型號(hào)為WPX60-200的微噴頭的壓力流量關(guān)系為：Q=7.545 4H0.570 9(R2=0.999 3)，X表示流量隨壓力變化的敏感程度，本次所用噴頭X=0.570 9，為全紊流狀態(tài)，屬于非壓力補(bǔ)償式產(chǎn)品。試驗(yàn)選定微噴頭工作壓力200 kPa，流量為41.91 L/h(見(jiàn)圖2)。

3.2 插桿角度變化下單噴頭水量分布

按照上述設(shè)計(jì)思路對(duì)微噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，工作壓力為200 kPa，并給出插桿角度有變化的單微噴頭水量分布圖見(jiàn)圖3。其中插桿高度為90 cm下4個(gè)角度(75°、80°、85°、90°)的單噴頭水量分布如圖4所示。

圖2 微噴頭壓力水頭與流量關(guān)系曲線(xiàn)

由圖3可知，平地微噴頭進(jìn)行噴灌時(shí)，插桿角度對(duì)微噴頭的水量分布影響較為明顯。當(dāng)微噴頭垂直于地面時(shí)，水量分布圖為以噴點(diǎn)為圓心的同心圓，當(dāng)插桿角度變化時(shí)，微噴頭水量分布向著插桿傾斜方向偏移，插桿角度越大時(shí)，水量分布的偏心距越大。由圖4可知，當(dāng)微噴頭垂直于地面噴灑時(shí)，噴灑水量集中在插桿中心分布，微噴頭在徑向-1～0 m內(nèi)，噴灌強(qiáng)度從2.5 mm/h急劇增加到8.4 mm/h。當(dāng)微噴頭插桿角度為75°時(shí)，噴灑水量偏向插桿偏移的方向，噴灌強(qiáng)度峰值也沒(méi)有微噴頭垂直于地面時(shí)大，最高只有6.5 mm/h，水量分布的輪廓要明顯大于前者。

圖3 不同插桿角度時(shí)微噴頭的水量分布圖(x軸負(fù)向?yàn)椴鍡U傾斜方向)

圖4 不同插桿角度時(shí)微噴頭的三維水量分布圖

3.3 插桿角度變化下微噴頭組合分析

假設(shè)微噴頭按照矩形組合方式噴灌，不考慮風(fēng)的影響，其中一個(gè)微噴頭的插桿角度發(fā)生變化，它四周8個(gè)微噴頭插桿角度均未發(fā)生變化，插桿角度變化的微噴頭位置圖見(jiàn)圖5。試驗(yàn)選定兩個(gè)變量，測(cè)定相同高度下不同插桿傾角的噴灑性能。由于試驗(yàn)場(chǎng)地的局限性，不能布置過(guò)多的組合微噴頭，試驗(yàn)采用測(cè)定單獨(dú)微噴頭再疊加的方法，首先對(duì)插桿角度沒(méi)有發(fā)生變化的微噴頭進(jìn)行噴灑試驗(yàn)，然后對(duì)插桿角度發(fā)生變化的微噴頭進(jìn)行噴灑角度的試驗(yàn)，有了兩種情況下微噴頭的水量分布情況，再用surfer軟件對(duì)水量分布圖進(jìn)行疊加，求出插桿角度發(fā)生變化的微噴頭四周的噴灑均勻度，需要注意的是每次組合時(shí)微噴頭的安裝高度必須是相同的。

圖5 插桿角度變化的微噴頭位置示意圖

在200 kPa的工作壓力下測(cè)出有插桿角度和無(wú)插桿角度的微噴頭水量分布數(shù)據(jù)，并把微噴頭的水量分布數(shù)據(jù)分為有插桿角度的和無(wú)插桿角度的兩種，對(duì)無(wú)插桿角度的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，使有插桿角度的微噴頭處在中間位置，根據(jù)單個(gè)微噴頭的水量分布，選定4個(gè)組合間距2、2.5、3、3.5 m進(jìn)行矩形組合布置[5]，周?chē)?個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)全部為無(wú)插桿角度的水量分布圖。通過(guò)surfer軟件對(duì)水量分布圖進(jìn)行疊加[6]，其中高度為90 cm下的疊加圖形如圖6所示(微噴頭安裝高度為90 cm，插桿角度為75°)。

通過(guò)表2可知，個(gè)別微噴頭的插桿角度在75°、80°和85°向同一方向傾斜變化時(shí)，整體的組合噴灑均勻度和噴灑強(qiáng)度與無(wú)插桿角度時(shí)組合噴灑均勻度和噴灑強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化。在組合間距為2和2.5 m時(shí)組合均勻系數(shù)達(dá)到理想噴灑效果，安裝高度對(duì)組合均勻系數(shù)無(wú)顯著影響。根據(jù)規(guī)范，噴灑均勻系數(shù)不應(yīng)低于75%[7]，在組合間距為2 m時(shí)組合均勻系數(shù)為86.63%～88.12%，噴灑強(qiáng)度為8.52～9.45 mm/h，組合間距為2.5 m時(shí)組合均勻系數(shù)為77.41%～81.18%，噴灑強(qiáng)度為5.50～ 6.10 mm/h?？梢哉J(rèn)為個(gè)別微噴頭插桿角度為75°～90°向同一方向變化時(shí)，對(duì)組合噴灑的微噴頭組合均勻度和噴灑強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生太大影響，在微噴灌工程布置中可以忽略不計(jì)。

表2 有插桿角度的微噴頭組合水力性能

圖6 不同插桿角度微噴頭組合噴灑的三維水量分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析，單微噴頭的插桿角度變化影響了微噴頭的噴灑效果。當(dāng)微噴頭垂直于地面時(shí)，水量分布圖為以噴點(diǎn)為圓心的同心圓，當(dāng)插桿角度變化時(shí)，微噴頭水量分布中心向著插桿傾斜方向偏移，插桿角度越大時(shí)，水量分布的偏心距越大。在微噴頭組合中，個(gè)別微噴頭插桿角度為75°～90°向同一方向變化時(shí)，對(duì)組合噴灑的微噴頭組合均勻度和噴灑強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生太大影響，在節(jié)水灌溉工程布置中進(jìn)行組合微噴灌時(shí)，可以考慮不用去扶正。對(duì)于WPX60-200型微噴頭在正方形組合下，組合半徑為2.5 m時(shí)達(dá)到最佳組合效果[8]。

[1] 戚春燕, 朱德蘭.不同安裝形式下微噴頭水力性能的試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2013,32(4): 24-27.

[2] 柴春嶺, 楊路華,脫云飛,等.可調(diào)式微噴頭出水口流道形式對(duì)噴灑水性能影響的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005,(3):17-20.

[3] 李宗禮,趙文舉,孫 偉,等.噴灌技術(shù)在北方缺水地區(qū)的應(yīng)用前景[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,(6):1-6.

[4] 王鳳民,張麗媛. 微噴灌技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].地下水,2009,(6):115-116.

[5] 王桂鋒,王雯婷,徐 飛,等. 噴灌系統(tǒng)噴頭組合形式與組合間距的優(yōu)化計(jì)算[J]. 黑龍江水專(zhuān)學(xué)報(bào),2006,(2):36-39.

[6] 楊路華,劉玉春,柴春玲,等. 應(yīng)用Surfer軟件進(jìn)行噴(微)灌均勻度分析[J]. 節(jié)水灌溉,2004,(5):14-16.

[7] Herrick Christina. Using micro sprinklers for research in apples[J]. Western Fruit Grower,2013,133(10):50.

[8] Zhang Lin, Merkley Gary P, Pinthong Kasem. Assessing whole-field sprinkler irrigation application uniformity [J].Irrigation Science, 2013,31(2):87-105.