運(yùn)用激光雨滴譜儀分析微噴帶水量分布特性

張 碩，王文娥，胡笑濤(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

微噴帶是在薄壁塑料軟管(盤卷后呈扁平帶狀)的管壁上直接加工以組為單位循環(huán)排列的噴孔，通過這些噴孔出水進(jìn)行灌溉的一種節(jié)水灌溉器材。與其他灌溉設(shè)備相比，微噴帶具有投資低廉、抗堵塞性能強(qiáng)、對(duì)供水供電要求不高及對(duì)作物和土壤沖擊力小等突出優(yōu)點(diǎn)。壓力水流通過微噴帶上的微孔噴出后與空氣摩擦破碎成小水滴，由于壓力低，破碎后的水滴直徑小，對(duì)作物及地表打擊強(qiáng)度小，即雨強(qiáng)小，在日光溫室和塑料大棚、連棟溫室、大田種植經(jīng)濟(jì)作物灌溉中獲得大量應(yīng)用。由于壓力較低，也影響到微噴帶的水量分布及灌水均勻度。微噴帶灌水均勻度直接影響作物生長和產(chǎn)量，是評(píng)價(jià)灌水質(zhì)量的一個(gè)重要參考指標(biāo)。周斌[1]對(duì)微噴帶單孔水量分布的基本特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了濕潤區(qū)面積和濕潤區(qū)寬度的概念，發(fā)現(xiàn)射程隨著噴射角度的增大而先增大后減小。張學(xué)軍和吳政文[2]發(fā)現(xiàn)微噴帶的水量分布均勻性受工作壓力的影響很大。已有研究表明工作壓力是控制微噴帶噴灑均勻度的主要參數(shù)。

微噴帶噴水水流如降雨一樣，對(duì)于降雨目前已采用激光雨滴譜儀測(cè)量降水強(qiáng)度和雨滴直徑，該儀器是以激光為基礎(chǔ)的新一代光學(xué)粒子測(cè)量器及氣象傳感器。周黎明等通過激光雨滴譜儀和自動(dòng)氣象站觀測(cè)雨量的對(duì)比分析[3]，發(fā)現(xiàn)激光雨滴譜儀探測(cè)到的雨量資料與雷達(dá)反射率因子之間有更好的一致性，激光雨滴譜儀能夠很好地反應(yīng)降雨強(qiáng)度的變化情況。本文運(yùn)用激光雨滴譜儀研究微噴帶單孔水量分布特性及整體水量分布特性，為微噴帶節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 激光雨滴譜儀工作原理

激光雨滴譜儀由激光光學(xué)發(fā)射源產(chǎn)生一組平行光束，位于接收端的透鏡光二極管可以測(cè)量光強(qiáng)并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)雨滴穿過激光束時(shí)產(chǎn)生接收信號(hào)，通過減小的振幅計(jì)算出雨滴直徑；通過減小信號(hào)的持續(xù)時(shí)間測(cè)得雨滴的下降速度。根據(jù)所有雨滴直徑和速度的統(tǒng)計(jì)比例確定降雨類型。該儀器可以監(jiān)測(cè)區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各種介于雪花和冰雹之間的降水，可計(jì)算各種降水類型的強(qiáng)度、總量、能見度，并進(jìn)行必要的分析，繪出雨滴譜圖。雨滴譜圖可以顯示出雨滴大小范圍及降落速度范圍和相對(duì)應(yīng)的粒子濃度個(gè)數(shù)，每分鐘數(shù)據(jù)可以以Excel表格形式輸出[4]。

與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，激光雨滴譜儀在原理上采用的是直接測(cè)量機(jī)制，這樣就避免了人工反復(fù)處理時(shí)所存在的累積誤差；并且對(duì)于不同的降水類型，激光雨滴譜儀均可快速準(zhǔn)確地給出雨滴譜圖，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性[4]。

1.2 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)水工廳，該試驗(yàn)是在無風(fēng)的室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備有變頻恒壓供水裝置、過濾器、閘閥、水表、精密壓力表(量程0.2 MPa，精度0.25級(jí))。試驗(yàn)使用管徑32 mm的微噴帶(沈陽市塑料七廠生產(chǎn))，參數(shù)如下：機(jī)械打孔，每米3組孔，每組5孔、孔徑為0.5 mm、孔間距20 mm，結(jié)構(gòu)見圖1，5孔的連線與管軸線夾角為42°，試驗(yàn)微噴帶長度為20 m。使用精密壓力表測(cè)量微噴帶不同位置處的壓力，壓力表精度為0.25級(jí)，120網(wǎng)式過濾器，激光雨滴譜儀是德國THIES公司生產(chǎn)的LNM型激光雨滴譜儀，測(cè)定對(duì)象最小直徑達(dá)到0.16 mm，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為1 min。

圖1 Φ32微噴帶結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

濕潤區(qū)面積是指單孔噴灑水量所圍成的區(qū)域的面積，灌水強(qiáng)度是指濕潤區(qū)面積上的平均降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)以微噴帶噴射角度、工作壓力為因素，研究噴射角度與灌水強(qiáng)度的關(guān)系以及壓力與灌水強(qiáng)度、噴灑均勻度的關(guān)系。試驗(yàn)前調(diào)整好微噴帶的位置，只保留一孔噴水，其他孔上方1 cm處進(jìn)行遮蓋，不影響各孔的噴水量，水流不與待測(cè)空口噴射水流混摻；噴射角為水流出射方向與地面的夾角，從10°到80°每隔10°做一組試驗(yàn)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)微噴帶調(diào)整噴射角，在距離測(cè)量噴水孔上游管道3 cm處放置壓力表測(cè)取壓力值。在噴射流落地處放置激光雨滴譜儀，連接電腦，微噴帶穩(wěn)定噴水20 min后，關(guān)閉壓力泵，收集電腦中降雨強(qiáng)度曲線數(shù)據(jù)，記錄噴孔射流的降雨強(qiáng)度變化曲線。試驗(yàn)裝置布置見圖2。

1-水源；2-恒壓供水設(shè)備；3-閘閥；4-水表；5-首部壓力表；6-微噴帶；7-激光雨滴譜儀；8-尾聲部壓力表；9-壓力表(壓力測(cè)量點(diǎn))圖2 微噴帶水量分布特性試驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)

微噴帶水平放置、無彎曲，總長度設(shè)置為20 m，首末端安裝壓力表。打開水源，調(diào)節(jié)閥門以達(dá)到合適范圍內(nèi)的水壓，根據(jù)該微噴帶水力性能及工作壓力為不超過30 kPa、適宜工作壓力為23 kPa，選取24、25、26 kPa 3組壓力作為首端壓力值，沿微噴帶長度方向每隔5 m設(shè)置一壓力測(cè)量點(diǎn)，在這幾種工作壓力條件下，微噴帶最大噴幅為240 cm，在垂直微噴帶長度方向上，每隔30 cm設(shè)置降雨強(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)(如圖2所示L為測(cè)量點(diǎn)距微噴帶的距離,cm)，共設(shè)置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)(L=30、60、90、120、150、180、210、240 cm)。每次試驗(yàn)待壓力穩(wěn)定后3 min開始，使用激光雨滴譜儀測(cè)試各測(cè)點(diǎn)降雨強(qiáng)度，持續(xù)測(cè)量20 min，同時(shí)讀取測(cè)量點(diǎn)壓力及水表讀數(shù)，測(cè)量誤差不大于2%，否則對(duì)該壓力點(diǎn)重新進(jìn)行測(cè)量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。流量穩(wěn)定后用秒表、水表計(jì)算總流量。噴灌的均勻度常用均勻系數(shù)Cu表示：

(1)

式中：n為測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)，取值1，2，…，8；h為灌水強(qiáng)度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨強(qiáng)度曲線分析

管首壓力24、25、26 kPa時(shí)，沿管道長度方向壓力逐漸降低，見圖3，3種管首壓力下的沿程壓力分布隨管長的增加有相似的變化規(guī)律，即呈現(xiàn)遞減的曲線形式。首末兩端的壓差值均為4 kPa，5 m間隔下的水頭損失值均為1 kPa，說明沿程水頭損失分布較為均勻。圖4給出了當(dāng)測(cè)量點(diǎn)工作壓力為23 kPa，垂直微噴帶長度方向距離Φ32微噴帶60、120和180 cm處的降雨強(qiáng)度曲線。從圖3可以看出，降雨強(qiáng)度是不斷變化的，這是因?yàn)樗谖妿е惺莿?dòng)態(tài)流動(dòng)的，保持流量和壓力不變的情況下，水流與空氣發(fā)生碰撞被分散。激光雨滴譜儀測(cè)取得到的是一段時(shí)間內(nèi)的降雨強(qiáng)度變化曲線。先確定噴灑穩(wěn)定時(shí)段，取穩(wěn)定噴灑時(shí)段中每分鐘降雨強(qiáng)度的平均值，作為該時(shí)段的平均降雨強(qiáng)度值。

圖3 不同管首壓力下微噴帶壓力分布

圖4 垂直微噴帶不同位置處降雨強(qiáng)度變化曲線

圖4記錄了微噴帶3個(gè)位置處從開始噴水到噴水結(jié)束共15 min的降雨強(qiáng)度變化。水泵開啟之后，降雨強(qiáng)度不斷增大，直到穩(wěn)定階段；當(dāng)關(guān)閉水泵，降雨強(qiáng)度從穩(wěn)定階段逐漸減小至零，但60 cm位置比120 cm位置慢，這是因?yàn)槭芄艿缐毫Φ挠绊?，關(guān)閉水泵后距微噴帶60 cm處仍有降水。60 cm位置處第5～11 min是噴灑穩(wěn)定時(shí)段，120 cm位置處2～14 min是噴灑穩(wěn)定時(shí)段，180 cm位置處第2～12 min是噴灑穩(wěn)定時(shí)段，取穩(wěn)定時(shí)段每分鐘降雨強(qiáng)度的平均值作為此位置的降雨強(qiáng)度平均值，60 cm位置處的降雨強(qiáng)度為12.95 mm/min，120 cm位置處的降雨強(qiáng)度為27.56 mm/min，180 cm位置處的降雨強(qiáng)度為20.12 mm/min。

2.2 單孔噴射角度與灌水強(qiáng)度的關(guān)系

當(dāng)工作壓力為23 kPa時(shí)，噴射角度與灌水強(qiáng)度、濕潤區(qū)面積的關(guān)系見圖5。隨著噴射角度的增大，灌水強(qiáng)度先減小后增大，濕潤區(qū)面積先增大后減小，濕潤區(qū)面積與平均灌水強(qiáng)度呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)樵趪娍字睆胶凸ぷ鲏毫σ欢〞r(shí)，微噴帶的流量基本恒定，單孔噴水量保持不變。

2.3 壓力與單孔灌水強(qiáng)度的關(guān)系

改變工作壓力微噴帶流量將隨之變化，總流量變化值是每個(gè)噴孔流量變化值之和，單孔流量值可以用平均降雨強(qiáng)度與噴灑面積的乘積來表示，降雨強(qiáng)度值由激光雨滴譜儀測(cè)得。對(duì)于噴射角度為40°、50°、60°和70°的噴孔，改變工作壓力值，測(cè)得單孔噴灑面積內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度變化曲線，見圖6?？梢钥闯?，噴射角度一定時(shí)，壓力值越大，噴射流的降雨強(qiáng)度越小，這是因?yàn)閴毫υ酱?，噴射水流越趨于分散，噴灑面積越大。噴射角度在40°～70°范圍時(shí)，噴射角度越大，降雨強(qiáng)度越大。

圖5 灌水強(qiáng)度與噴射角度、濕潤區(qū)面積關(guān)系曲線(壓力23 kPa)

圖6 一定噴射角度下壓力與灌水強(qiáng)度關(guān)系曲線

2.4 壓力與降雨強(qiáng)度分布的關(guān)系

表1給出了在不同水壓下，20 m長度的微噴帶沿程方向上和垂直方向上的降雨強(qiáng)度分布情況。由表1可以看出，一定壓力下，垂直微噴帶方向上降雨強(qiáng)度隨著距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。壓力越小，出現(xiàn)降雨強(qiáng)度峰值的位置距微噴帶越來越近；壓力越大，出現(xiàn)峰值的位置距微噴帶越來越遠(yuǎn)，這是因?yàn)閴毫υ酱?，微噴帶噴射距離越大，降雨強(qiáng)度峰值位置與微噴帶距離越大。垂直微噴帶距離0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m處，壓力越大，降雨強(qiáng)度越小，這與壓力和噴射距離的關(guān)系有關(guān)，有降雨強(qiáng)度峰值存在的位置則不存在這種規(guī)律。降雨強(qiáng)度峰值位置在1.2 m處的水量分布均勻系數(shù)Cu值較大，壓力測(cè)量點(diǎn)壓力值為23 kPa時(shí)，Cu值較大。所以，應(yīng)盡量保持微噴帶降雨強(qiáng)度峰值位置在1.2 m處，即壓力值為23 kPa時(shí)，微噴帶能達(dá)到較好的水量分布情況。

表1 不同壓力下微噴帶降雨強(qiáng)度分布 mm/min

3 結(jié) 語

微噴帶水量分布情況對(duì)灌溉效果有重要影響，本文運(yùn)用激光雨滴譜儀對(duì)Φ32微噴帶噴射角度和壓力對(duì)其噴灑的影響、單孔水量分布及整體水量分布進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)微噴帶中水流是動(dòng)態(tài)的，降雨強(qiáng)度值是不斷變化的，但這種變化很小，微噴帶噴灑只是處于相對(duì)穩(wěn)定階段。激光雨滴譜儀測(cè)取每分鐘的降雨強(qiáng)度值，先確定穩(wěn)定時(shí)段，取穩(wěn)定時(shí)段每分鐘降雨強(qiáng)度的平均值作為該時(shí)段的降雨強(qiáng)度最終值。

(2)隨著噴射角度的增大，灌水強(qiáng)度先減小后增大，濕潤區(qū)面積則先增大后減小，二者呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。

(3)壓力越大，微噴帶單孔噴灑水滴越分散，微噴帶單孔噴灑降雨強(qiáng)度越小，濕潤區(qū)面積越大。

(4)垂直微噴帶距離0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m處，壓力越大，降雨強(qiáng)度越小。降雨強(qiáng)度峰值位置在1.2 m處的水量分布均勻系數(shù)Cu值較大，壓力測(cè)量點(diǎn)壓力值為23 kPa時(shí)，Cu值較大。

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