薄壁微噴帶組合均勻度及鋪設間距試驗研究

王金毅，楊路華, ，茍萬里，邸志剛

（1.天津農(nóng)學院 水利工程學院，天津 300384；2.天津市農(nóng)業(yè)水利技術(shù)工程中心，天津 300384）

0 引 言

微噴帶結(jié)合了噴灌與滴灌的優(yōu)勢且造價低廉，可將水、肥均勻地噴灑到田間土壤中。微噴帶可減少水資源浪費，提高灌溉水利用效率，不僅可以實現(xiàn)精量灌溉，而且便于水肥一體化，形成灌溉、施肥、施藥的集約化新模式[1-3]。

微噴帶水量分布均勻性是衡量灌水質(zhì)量和噴孔水力性能的重要指標，而鋪設間距對微噴帶水量分布有很大的影響，是微噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設計的重要參數(shù)。楊坤等[4]針對小麥寬苗帶種植模式下滿足灌水均勻度目標的最大輪灌面積和微噴灌管網(wǎng)優(yōu)化投入問題，研究該種植模式下的微噴帶鋪設及優(yōu)化布置方法。王一博等[5]以微噴帶單管水量分布試驗數(shù)據(jù)為基礎，通過對試驗數(shù)據(jù)直接疊加進行計算得到不同組合間距微噴帶噴灑均勻度。徐袁博等[6]為研究微噴帶布置間距與灌水量的影響發(fā)現(xiàn)較大的微噴帶布置間距增加了灌水時間，投入產(chǎn)量比主要與微噴帶布置間距因素關(guān)系較大。白珊珊等[7]以不同類型微噴帶為研究對象，發(fā)現(xiàn)噴孔單斜列布置的微噴帶，可組合鋪設來提高水量分布均勻性；而噴孔均勻布置的微噴帶，通過組合鋪設并不能顯著提高水量分布均勻性。王新坤等[8]提出一種基于遺傳算法的雙向毛管最佳支管位置的優(yōu)化設計方法，該模型與算法能確定最佳支管位置。李援農(nóng)等[9]研究在不限定管網(wǎng)系統(tǒng)面積的情況下建立了單向毛管田間管網(wǎng)、雙向毛管田間管網(wǎng)及自壓微灌骨干管網(wǎng)的優(yōu)化設計數(shù)學模型，可同時完成相應管網(wǎng)的優(yōu)化布置和優(yōu)化設計且能得到最佳控制面積。楊路華等[10]利用Surfer軟件計算了噴（微）灌在噴頭間距等于或小于噴灑寬度情況下的均勻度。袁壽其等[11]利用MATLAB軟件繪制出水量分布圖，同時通過插值疊加求出各網(wǎng)格點總降水深，從而得出不同組合間距下的全射流噴頭組合均勻度。崔利華等[12]采用常用5種插值方法的數(shù)學模型，分析了不同計算方法對各噴頭組合均勻度的影響規(guī)律。劉曉陽等[13]分析微噴頭并建立以投資為目標函數(shù)，以噴灑強度和組合均勻度為約束條件的優(yōu)化模型，得出合適的安裝高度、組合間距。Marjang等[14]在測試噴頭均勻性的試驗中研究了雨量筒不等距間隔情況下噴頭組合均勻度的計算方法。Sayyadi[15]利用低壓折射式噴頭分析工作壓力、噴嘴直徑和安裝高度等因素對噴頭噴灑寬度影響。

上述研究多集中在微噴帶均勻度、噴頭或微噴頭等旋轉(zhuǎn)灌水器組合均勻度和組合間距，缺乏對多孔微噴帶噴灑寬度及鋪設間距的研究。為此，選取市場上常用的3種折徑44 mm微噴帶，開展單管微噴帶噴灑強度以及噴灑寬度試驗研究，分析微噴帶組合噴灑強度、均勻度，探討不同壓力下微噴帶的適宜鋪設間距，為農(nóng)業(yè)灌溉提供一定技術(shù)支持。

1 試驗材料與設計

1.1 試驗材料

試驗場地為天津市農(nóng)業(yè)水利技術(shù)工程中心農(nóng)田水循環(huán)試驗基地。選取國內(nèi)農(nóng)業(yè)上常用的薄壁軟塑料微噴帶，材質(zhì)為聚乙烯，呈黑色，折徑為N44 mm，孔徑分別為0.5、0.6、0.7 mm，對應孔數(shù)為3、3、7孔，對應孔組間距為240、196、202 mm的微噴帶進行試驗，為便于對不同類型的微噴帶進行分析比較，對3種微噴帶進行編號，分別為：NY/T 44-240-0.5-3、NY/T 44-196-0.6-3、NY/T 44-202-0.7-7。編號物理意義如圖1所示。

圖1 微噴帶類型標記圖Fig.1 Micro-spraying belt type labeling

1.2 試驗設計

試驗裝置主要由穩(wěn)壓水泵、壓力表、流量計、雨量筒等組成。待測微噴帶樣本有3種，折徑均為N44 mm，綜合考慮邊界影響和沿程水頭損失因素，測試樣本長度選取5 m。工作壓力在0.04～0.06 MPa分3個等級。微噴帶架高150 mm，與雨量筒等高。微噴帶正面向上鋪設，保證微噴帶2側(cè)噴灑均勻。雨量筒布置在微噴帶一側(cè)，垂直微噴帶方向布置5條射線，射線間距50 cm，射線上雨量筒布置間距60 cm，確保雨量筒數(shù)量足夠覆蓋微噴帶噴灑區(qū)域。雨量筒為圓柱形，受水內(nèi)徑為225 mm，高度為150 mm。測試時間15 min，用量筒測量噴灑水量，每個壓力處理試驗重復3次。具體試驗布置見圖2。

圖2 微噴帶試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of micro-spraying belt test equipment

2 薄壁微噴帶噴灑強度及噴灑寬度分析

2.1 單管微噴帶噴灑強度分析

微噴帶噴灑強度見圖3。微噴帶噴灑強度隨噴射距離呈現(xiàn)雙峰或單峰分布規(guī)律。如NY/T 44-196-0.6-3在0.05 MPa下，噴灑強度由60 cm處的23.17 mm/h，減少為120 cm處的17.67 mm/h，之后再增加到180 cm處的28.76 mm/h，再減少至末端的0 mm/h。微噴帶噴灑強度與孔徑和孔數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。隨著孔徑和孔數(shù)的增加，噴灑強度顯著增加，且孔數(shù)影響大于孔徑。在工作壓力0.05 MPa，噴射距離為180 cm處時，NY/T 44-240-0.5-3，NY/T 44-196-0.6-3、NY/T 44-202-0.7-7的噴灑強度分別是 22.33、28.76、80.32 mm/h。不同壓力下微噴帶噴灑強度變化沒有明顯規(guī)律，工作壓力增加導致微噴帶噴灑水量增加，另一方面，也增加了噴灑寬度和噴灑面積，因此噴灑強度隨工作壓力變化不明顯。

圖3 單管微噴帶噴灑強度變化圖Fig.3 Change of spraying intensity in single tube micro-spraying belt

2.2 單管微噴帶噴灑寬度確定

參照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準 農(nóng)業(yè)灌溉設備-微噴帶》（NY/T1361—2007）確定微噴帶的噴灑寬度[16]，如果處于最外側(cè)列中集水桶的灌水強度全部低于0.13 mm/h，則該整列為無效列，其余為有效列。本試驗中，微噴帶噴灑寬度（R）為雨量筒中的水深h為0.13 mm/h的點到微噴帶中心線的平面垂直距離，即為不同微噴帶在特定工作壓力下的噴灑寬度，計算式為：

式中：Li為第i條射線上噴灑強度等于0.13 mm/h的點到微噴帶中心線的平面垂直距離（m）；R為微噴帶的噴灑寬度（m）；n為射線條數(shù)。根據(jù)式（1）計算不同型號的微噴帶噴灑寬度見表1。微噴帶噴灑寬度隨著壓力的增大而增大。NY/T 44-240-0.5-3，工作壓力由0.04 MPa增加到0.05 Mpa，噴灑寬度由2.98 m增加到3.37 m，增幅達13.1%，由0.05 MPa增加到0.06 Mpa，噴灑寬度由2.98 m增加到3.56 m，增幅達5.6%。NY/T 44-196-0.6-3、NY/T 44-202-0.7-7微噴帶工作壓力由0.04 MPa增加到0.05 MPa和由0.05 MPa增加到 0.06 MPa，噴灑寬度增幅分別為 18.2%和0.8%、14.6%和4.7%。

表1 噴灑寬度R計算表Table 1 Spray width R calculation m

3 微噴微帶組合鋪設間距影響因素分析

3.1 微噴帶組合噴灑強度分析

在不同壓力下以單管微噴帶的最大射程（噴灑寬度R）為下限，以2管之間的最大鋪設間距2R為上限，以0.1R為基準，在0.04～0.06 MPa分3個等級，分別對NY/T 44-240-0.5-3、NY/T 44-196-0.6-3、NY/T 44-202-0.7-7 3條微噴帶的噴灑強度進行組合，組合噴灑強度計算結(jié)果見表2。由表2可知，折徑為44 mm微噴帶組合噴灑強度隨鋪設間距的增大而減小，隨微噴帶孔數(shù)的增大而增大；但工作壓力的增大對組合噴灑強度的變化影響不明顯。當鋪設間距為1.7R與1.8R時，組合噴灑強度平均減幅最大，分別為12.3%、15.0%；當鋪設間距為1.2R與2.0R時，組合噴灑強度平均減幅最小，分別為0.9%、1.4%。

表2 微噴帶組合噴灑強度計算結(jié)果Table 2 Calculation results of combined spraying intensity of micro-spray belt mm/h

3.2 微噴帶組合均勻度分析

根據(jù) NY/T 44-240-0.5-3、NY/T 44-196-0.6-3、NY/T 44-202-0.7-7單管微噴帶噴灑強度試驗數(shù)據(jù)，通過克里斯琴森均勻度計算方法計算微噴帶組合均勻度結(jié)果（表3），并以鋪設間距為橫坐標，以組合均勻度為縱坐標繪制數(shù)型見圖4。由圖4可知，折徑為44 mm的微噴帶在鋪設間距為1.6R時，組合均勻度達到峰值；當鋪設間距為1.4R時，組合均勻度隨壓力的增大先增大后減??；當鋪設間距為1.8~2.0R時，組合均勻度隨壓力的增大先減小后增大。為直觀體現(xiàn)上述微噴帶最佳組合均勻度及最大鋪設間距下組合噴灑強度的分布程度繪制了壓力0.04 MPa下NY/T 44-240-0.5-3鋪設間距為2R的組合噴灑強度等值線圖（圖5）。由圖5可知，微噴帶噴灑強度隨著鋪設間距的增大呈間歇均勻分布，等值線越疏的區(qū)域組合均勻度越高，等值線越密的區(qū)域組合均勻度越低。因此，靠近微噴帶的區(qū)域組合均勻度比較低，遠離微噴帶的區(qū)域組合均勻度比較高；位于鋪設間距中心區(qū)域組合均勻度比較高，而位于鋪設間距中心兩側(cè)區(qū)域組合均勻度較低。

表3 0.04~0.06 MPa微噴帶插值試驗數(shù)據(jù)均勻度計算結(jié)果Table 3 Calculation results of uniformity of micro-spray belt interpolation test data from 0.04~0.06 MPa

圖4 微噴帶不同鋪設間距下的組合均勻度關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the combination uniformity ofmicro-spraying belt with different laying spacing

圖5 0.04 MPa下NY/T 44-240-0.5-3鋪設間距為2 R的組合噴灑強度分布等值線圖Fig.5 Under 0.04 MPa with NY/T 44-240-0.5-3 the contour distribution of combined spraying intensity with spacing of 2 R

3.3 微噴帶組合鋪設間距的確定

根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準農(nóng)業(yè)灌溉設備-微噴帶》中規(guī)定，當水量分布均勻系數(shù)達到 60%以上時，組合間距較好，即相應鋪設間距為最佳[16]。

圖6 3種類型微噴帶在不同壓力與鋪設間距下的組合均勻度關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the combination uniformity of three types of micro spray belt under different pressure and laying spacing

由圖6可知，在同一壓力或不同壓力下，組合均勻度隨著鋪設間距的變化或增或減。但總體而言隨著鋪設間距的減小，微噴帶可以互相彌補末端的水量分布，可提高組合均勻度；組合間距過大，水量彌補效果差，會產(chǎn)生漏噴。

以滿足組合均勻系數(shù)0.6為基礎，分析得到3種微噴帶不同壓力下最大鋪設間距統(tǒng)計表，見表4。由圖6發(fā)現(xiàn)，最大鋪設間距隨著壓力的增大變化不明顯并有降低的趨勢；微噴帶低壓工作時組合均勻度比較大，鋪設間距也較大。計算統(tǒng)計得出NY/T44-240-0.5-3與 NY/T44-196-0.6-3最大組合鋪設間距為 1.9R，NY/T44-202-0.7-7最大組合鋪設間距為1.8R。因此，市場上常用的折徑44 mm微噴帶，當鋪設間距為1.8R與1.9R時，組合噴灑強度較小，組合均勻度較大，滿足規(guī)范要求，即為最佳。

4 討 論

本文以微噴帶組合噴灑強度、組合均勻度為評價組合鋪設間距的2個指標，經(jīng)過對單管微噴帶試驗數(shù)據(jù)組合分析，發(fā)現(xiàn)微噴帶鋪設間距過大，會產(chǎn)生漏噴；而鋪設間距過小，會產(chǎn)生交叉重疊噴水，二者都會影響微噴帶的灌水時間以及投資成本、產(chǎn)量等，其與徐袁博等[6]研究發(fā)現(xiàn)較大的微噴帶布置間距增加了灌水時間，投入產(chǎn)量比與微噴帶布置間距因素關(guān)系較大的結(jié)果比較相近，而且本文經(jīng)過對3種類型微噴帶，計算分析獲得了較為合適的不同鋪設間距。

文中通過對折徑44 mm的斜三孔與斜七孔微噴帶開展噴灑強度、均勻度及噴灑寬度試驗，經(jīng)對單管微噴帶數(shù)據(jù)組合，對比分析單管微噴帶與雙管微噴帶組合鋪設，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過組合鋪設可以顯著提高水量分布均勻度，這與白珊珊等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型噴孔單斜列布置的微噴帶，通過組合鋪設來可提高水量分布均勻性的研究結(jié)果很相似，而本文進而提出了不同孔數(shù)的微噴帶的鋪設間距，發(fā)現(xiàn)孔數(shù)增多，組合鋪設間距相應有減小趨勢，原因可能是隨著微噴帶孔數(shù)增多，單管微噴帶初始噴射水滴相互打擊強度增大，致使遠離微噴帶中心線區(qū)域組合均勻度變小，隨著鋪設間距的減小，被組合微噴帶的噴水水滴互相打擊，減小了單管微噴帶初始水滴相互打擊的程度，從而提高了組合均勻度，具體結(jié)果希望在未來進一步詳細研究討論。

本文以單管微噴帶的最大射程為下限，以雙管之間的最大鋪設間距2R為上限，以0.1R為基準，分別對3種不同型號微噴帶進行組合計算，獲取組合噴灑強度較小，均勻度較大的鋪設間距即1.8、1.9R為最佳鋪設間距，其與楊路華等[10]的研究方法相似，但研究對象與研究結(jié)果不一致。上述學者大多集中對噴頭或微噴頭的組合均勻度與噴灑強度研究，缺少對微噴帶的研究與指導，而微噴帶和噴頭等工作原理有區(qū)別。因此，本文提出了適宜微噴帶的組合鋪設間距，為農(nóng)業(yè)灌溉提供進一步指導。

5 結(jié) 論

薄壁微噴帶的單管噴灑強度隨噴射距離的增加，呈現(xiàn)雙駝峰或單駝峰的分布規(guī)律。在0.04～0.06 MPa不同壓力下單管微噴帶噴灑寬度隨壓力增大而增大；組合噴灑強度隨鋪設間距的增大而減小，隨微噴帶孔數(shù)的增大而增大，但工作壓力的增大對組合噴灑強度的變化影響不明顯；組合均勻度在鋪設間距為1.6R時達到峰值。微噴帶最大鋪設間距隨著壓力的增大變化不明顯并有降低的趨勢，低壓工作時組合均勻度比較大，鋪設間距也較大。針對市場上常用的折徑 44 mm微噴帶，當鋪設間距為1.8R與1.9R時，組合噴灑強度較小，組合均勻度較大，滿足規(guī)范要求，即為最佳。