壓力對(duì)微噴帶水量分布均勻性影響試驗(yàn)研究

徐 茹，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)

0 前 言

微噴帶是一種節(jié)水灌溉材料，是通過在薄壁塑料軟管壁上的圓形孔群進(jìn)行噴水灌溉的設(shè)備[1]。與其他的灌溉方式對(duì)比，微噴帶灌溉工作壓力低，灌溉水量大，灌溉的周期短，成本低廉，易維護(hù)保養(yǎng)與進(jìn)行水肥一體化，提高水肥利用率[2]。微噴帶將壓力水流通過循環(huán)排列的小孔噴灑到空中，在重力及阻力的作用下形成直徑不同的水滴，工作壓力以及進(jìn)入微噴帶內(nèi)部的流量會(huì)影響微噴帶的水量分布的均勻性。通過試驗(yàn)，探究不同管徑的微噴帶在不同工作壓力下噴水均勻性，分析微噴帶水量分布均勻性的影響因素，為微噴帶灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

根據(jù)微噴帶的工作原理，其水量分布均勻性主要受工作壓力、田間鋪設(shè)長度、孔口直徑與孔組間距等微噴帶的結(jié)構(gòu)特性、風(fēng)速和風(fēng)向及地面坡度等因素的影響。王琪等采用正交試驗(yàn)方法探究了微噴帶的鋪設(shè)長度、孔口間距及孔口直徑對(duì)灌水均勻度影響的主次程度[3]。張學(xué)軍等試驗(yàn)探究了微噴帶水量分布特性，得出微噴帶的水量分布均勻系數(shù)、噴灑寬度與工作壓力相關(guān)性大[4]。竇朝銀等進(jìn)行了探究分析布孔方式對(duì)微噴帶灌溉均勻度的影響的試驗(yàn)，得出噴水孔齒形排列灌溉均勻度更好[5]。白珊珊等對(duì)6種微噴帶進(jìn)行在作物遮擋下微噴帶組合灌溉的灌水均勻性試驗(yàn)，結(jié)果表明在作物遮擋下相鄰微噴帶噴幅重疊部分的水量分布均勻性較好[6]。張芳等通過大田試驗(yàn)探究了風(fēng)對(duì)微噴灌水均勻度的影響，得出在風(fēng)的影響下，微噴帶灌水均勻度大幅降低[7]。張碩等通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了工作壓力對(duì)微噴帶水量分布的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微噴帶水量分布均勻系數(shù)最大值不是工作壓力的最大值，即不是壓力值越大水量分布就越均勻[8]。在確定微噴帶類型及鋪設(shè)條件等因素情況下，外部可調(diào)節(jié)因素中工作壓力至關(guān)重要。因此，通過3種微噴帶在不同工作壓力下的水量分布試驗(yàn)，分析了水量分布均勻系數(shù)的變化規(guī)律，探究微噴帶的水量分布規(guī)律及影響因素，為提高微噴帶灌溉均勻性提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)的水工廳內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)在無風(fēng)下進(jìn)行，試驗(yàn)裝置主要包括變頻恒壓的供水裝置、120目網(wǎng)式過濾器、開關(guān)閘閥、精密壓力表(量程200 kPa，精度0.25級(jí))，水量分布量水裝置(自制)、超聲波流量計(jì)等。試驗(yàn)使用Ф28,Ф32,Ф40 3種斜五孔微噴帶(陜西楊凌啟豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程有限公司)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，微噴帶具體參數(shù)見表1，均采用機(jī)械打孔。

表1 3種微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 微噴帶結(jié)構(gòu)、噴水及試驗(yàn)臺(tái)示意圖

3種微噴帶均為斜5孔結(jié)構(gòu)，孔徑、孔數(shù)及壁厚均相同，試驗(yàn)對(duì)3種不同管徑的微噴帶進(jìn)行噴水試驗(yàn)，自制水量分布測(cè)量裝置由3個(gè)1 m×1 m試驗(yàn)臺(tái)(圖1)與量筒構(gòu)成(每個(gè)試驗(yàn)臺(tái)劃分為5×5共25個(gè)小格，每個(gè)小格20 cm×20 cm，放置一個(gè)量筒)，試驗(yàn)微噴帶單側(cè)噴幅最大為3 m，垂直微噴帶鋪設(shè)方向順序擺放3個(gè)水量測(cè)定裝置(共計(jì)3 m)。量筒口徑為11 cm高度為14.5 cm，將塑料布放置在試驗(yàn)臺(tái)格子頂部，在每個(gè)量筒上的塑料布對(duì)應(yīng)量筒中心的位置剪開10 cm的十字形孔，并留取一定的凹陷深度以便噴射水流匯集流入對(duì)應(yīng)位置的量筒內(nèi)部。

微噴帶水平固定在架子(架子比雨量筒試驗(yàn)臺(tái)略高)上，無彎曲，首端安置壓力表。試驗(yàn)微噴帶長度為3 m，在距微噴帶帶首0.6 m處布置3個(gè)水量分布測(cè)量裝置，在試驗(yàn)臺(tái)對(duì)應(yīng)位置放置已編號(hào)(見圖2)的量筒，垂直于微噴帶方向量筒位置編號(hào)依次為1～15，沿微噴帶方向量筒位置依次為Ⅰ～Ⅴ。通過調(diào)整閘閥改變不同微噴帶首部工作壓力，試驗(yàn)采用6種不同的壓力，從20～40 kPa每隔4 kPa設(shè)置一個(gè)壓力值。每次試驗(yàn)先對(duì)微噴帶使用塑料布進(jìn)行遮擋，待壓力表穩(wěn)定3 min后移開塑料布開始收集水量。微噴帶穩(wěn)定噴水10 min后關(guān)閉壓力泵，按照量筒的編號(hào)使用電子臺(tái)秤(量程3 000 g，精度0.01 g)依次測(cè)量3個(gè)試驗(yàn)臺(tái)量筒內(nèi)部的水量。試驗(yàn)布置見圖2。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖

2 結(jié)果與分析

微噴帶是一種局部灌溉方式，通過一系列小孔向空氣中噴射壓力水流，在地面形成大量不同直徑的水滴，形成一定面積的濕潤區(qū)。目前評(píng)價(jià)微噴帶灌溉質(zhì)量的主要指標(biāo)是水量分布均勻系數(shù)和灌溉強(qiáng)度。灌水強(qiáng)度計(jì)算：

(1)

式中：h為灌水強(qiáng)度，mm/h；q為收集水量，g；a為容器接水口邊長，mm；t為接水時(shí)間，min；s為容器接水口面積，mm2。

水量分布均勻系數(shù)Cu：

(2)

式中：n為有效噴灑區(qū)域內(nèi)雨量筒的個(gè)數(shù)。

根據(jù)微噴帶水量分布均勻系數(shù)的計(jì)算公式可以看出，水量分布均勻系數(shù)反應(yīng)的是某一個(gè)區(qū)域面積上或者某一方向上各個(gè)位置點(diǎn)水量與平均的水量的差量，與容器承接面積無關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)在不同工作壓力下微噴帶的噴灑范圍在有效噴灑區(qū)域的量筒個(gè)數(shù)而不同。微噴帶是通過在地面形成一定的濕潤面積而達(dá)到灌溉效果，微噴帶是沿程泄流的管道，隨著鋪設(shè)管道的長度不斷增大，沿微噴帶不同位置點(diǎn)壓力與泄流量會(huì)不斷降低，所以沿微噴帶方向水量分布均勻性會(huì)隨著鋪設(shè)長度發(fā)生變化。微噴帶進(jìn)行噴水時(shí)，水流由噴孔噴射而出在空氣中會(huì)一系列作用力的作用，水流之間會(huì)發(fā)生碰撞，水柱碎裂、最后分散霧化形成水滴降落下，這會(huì)導(dǎo)致在垂直于微噴帶方向上水量分布的不均勻。

2.1 沿微噴帶方向水量分布

微噴帶的灌溉效果主要取決于出流量、噴灑均勻度與噴射面積，其中：流量取決于噴孔處的作用壓力(管首壓力減去管首到該孔的水頭損失)。微噴帶的噴孔是循環(huán)排列的組孔，噴灑均勻度取決于單孔的噴射面積、水量分布及每組孔數(shù)、排列方式、組間間距等。由于微噴帶在實(shí)際運(yùn)行過程中，沿程的出流量是不斷變化的，這是導(dǎo)致微噴帶水平方向水量分布不均勻的主要原因，而沿程的出流量與微噴帶首部工作壓力及進(jìn)入微噴帶的流量密切相關(guān)。故通過試驗(yàn)探究三種管徑微噴帶在不同工作壓力下水量分布變化規(guī)律。

根據(jù)試驗(yàn)所得四種規(guī)格的微噴帶在不同首部工作壓力時(shí)的單位長度流量，繪制了微噴帶作用壓力與單位長度流量關(guān)系曲線，通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)，均符合冪函數(shù)關(guān)系，與滴灌灌水器壓力流量關(guān)系類似(圖3)。相同壓力下，微噴帶的出流量隨微噴帶管徑的增加而增加，但流量的增加范圍不同，Ф32和Ф40之間的差值小于Ф28和Ф32。通過試驗(yàn)得到的垂直于微噴帶方向不同位置的水量，根據(jù)水量分布均勻系數(shù)計(jì)算可以得出沿微噴帶方向的水量分布均勻系數(shù)的均值，繪制3種類型微噴帶水平方向水量分布均值與工作壓力的關(guān)系曲線(圖4)。根據(jù)圖4可以看出，Ф40相比Ф28和Ф32水量分布均勻系數(shù)隨工作壓力的變化曲線較平緩，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是在相同首部工作壓力下微噴帶的出流量隨管徑的增大而增大，但由于沿微噴帶方向上設(shè)置的位置點(diǎn)間隔距離小，所以一組5個(gè)噴孔沿程泄流量相差不大，則水平方向的水量分布相差不大。

圖3 微噴帶壓力-單位長度流量關(guān)系

圖4 水平方向水量分布均勻系數(shù)均值與工作壓力

不同管徑的水量分布變化相似，具體水量分布分析以相對(duì)較為穩(wěn)定的Ф40微噴帶為例。根據(jù)量筒收集到的水量繪制出垂直于微噴帶方向不同位置點(diǎn)(即圖2中垂直于微噴帶的15個(gè)位置點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中噴射幅度的不同而位置點(diǎn)的個(gè)數(shù)不同，而Ф40微噴帶在20 kPa時(shí)噴射水流至第9個(gè)位置點(diǎn))的水平方向水量變化趨勢(shì)(圖5)。由圖5可以看出不同位置沿微噴帶方向水量大致呈下降趨勢(shì)，這是由于微噴帶的工作原理造成的，沿程泄流量會(huì)逐漸降低，由于水平位置點(diǎn)間隔較短會(huì)造成一些波動(dòng)。同時(shí)可以看出，在微噴帶的噴灑范圍內(nèi)較靠近微噴帶的位置點(diǎn)與最遠(yuǎn)離微噴帶的位置點(diǎn)相對(duì)于中間部位的水量變化更平緩。

圖5 沿微噴帶方向水量變化曲線(Ф40/20 kPa)

水量變化不明顯則水平方向水量分布均勻系數(shù)也不會(huì)出現(xiàn)較大的差異，如圖6所示，根據(jù)不同工作壓力下水平方向上水量分布計(jì)算得到水量分布均勻系數(shù)繪制不同位置點(diǎn)的水量分布均勻系數(shù)變化曲線，由圖可以明顯看出水平方向水量分布均勻系數(shù)差異很小，波動(dòng)不明顯。說明在微噴帶鋪設(shè)長度較短時(shí)，沿微噴帶方向水頭損失較小水量分布均勻。

圖6 沿微噴帶方向水量分布均勻系數(shù)曲線(Ф40)

2.2 垂直微噴帶方向水量分布

微噴帶進(jìn)行噴水時(shí)主要是通過循環(huán)排列的小孔將壓力水流噴灑到空中，在地面形成一定濕潤區(qū)達(dá)到灌溉效果，地面濕潤區(qū)形狀為橢圓形，屬于局部灌溉，即在垂直于微噴帶方向存在干燥區(qū)，這是造成微噴帶垂直方向水量分布不均勻的主要原因。微噴帶進(jìn)行噴水時(shí)，同一位置處水流具有相同的能量和初速度，而水流在空氣阻力、空氣浮力及重力的作用下在不同位置點(diǎn)發(fā)生霧化形成水滴降落下來使得不同位置點(diǎn)出現(xiàn)不同的水量分布。

圖7繪制了Ф40在工作壓力為20 kPa時(shí)微噴帶水平方向不同位置點(diǎn)的垂直水量分布變化規(guī)律。由圖7可知微噴帶垂直方向水量分布存在峰值，隨垂直距離的增加水量的增加并不是逐漸增大。根根據(jù)微噴射帶的單孔水分布特性，噴射水流在空間上有一個(gè)干燥區(qū)域。對(duì)于多孔組合噴水，不同噴射角度的噴水孔的水流會(huì)交錯(cuò)，使干燥區(qū)域有少量的水分分布, 濕潤區(qū)疊加水量的峰值。微噴帶噴射水流在空中存在霧化點(diǎn)，噴射水柱霧化位置與霧化程度是影響地面濕潤區(qū)寬度變化的主要原因，霧化后水滴在重力與空氣阻力的作用下降落在地面，霧化程度直接影響水柱分散情況，與地面的水量分布不均勻密切相關(guān)。霧化的位置點(diǎn)與微噴帶噴射水流在空中的水平速度分量相關(guān)，則與初始工作壓力密切相關(guān)。

圖7 水平方向不同位置點(diǎn)的垂直方向水量(Ф40/20 kPa)

根據(jù)垂直微噴帶方向水分分布均勻性系數(shù)的平均值, 繪制了垂直方向的水分布均勻性系數(shù)與工作壓力的關(guān)系圖(圖8)，如圖8所示,垂直于微噴帶方向的3種微噴帶的水分分布均勻性系數(shù)隨著工作壓力的變化而波動(dòng), 總的趨勢(shì)是先增加后減少，并且有最佳的運(yùn)行壓力。其中Ф32微噴帶隨工作壓力變化最不穩(wěn)定，Ф40相對(duì)變化趨勢(shì)最平緩，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是壓力流量關(guān)系，相同工作壓力時(shí)進(jìn)入微噴帶內(nèi)部的流量得到及時(shí)的補(bǔ)充會(huì)使得噴射出的水流相對(duì)穩(wěn)定，相應(yīng)的水量分布均勻系數(shù)隨工作壓力的變化會(huì)比較穩(wěn)定。

圖8 垂直方向水量分布均勻系數(shù)均值與工作壓力關(guān)系曲線

根據(jù)式(2)(不同工作壓力時(shí)微噴帶噴灑的有效范圍不同，計(jì)算垂直于微噴帶方向不同位置點(diǎn)的水量分布均勻系數(shù)時(shí)，公式中的有效噴灑范圍量筒個(gè)數(shù)n=5)得出不同工作壓力下Ф40微噴帶垂直位置點(diǎn)水量分布均勻系數(shù)(表2)，根據(jù)表可以得出垂直微噴帶方向水量分布均勻系數(shù)有一定的波動(dòng)，大致趨勢(shì)是先減小再增大再減小，有最大值。

表2 不同壓力下Ф40微噴帶垂直位置點(diǎn)水量分布均勻系數(shù)表

同時(shí)根據(jù)表2的水量分布均勻系數(shù)也可以看出由于水平位置的間隔較短，水量分布較均勻水量分布均勻系數(shù)最小值為52.63，說明在微噴帶鋪設(shè)距離較短時(shí)，水量在沿微噴帶方向變化不大，與前文的結(jié)果相符合。根據(jù)圖5可以得到垂直方向水量會(huì)有峰值，水量分布不均勻且有干燥區(qū)域，這是導(dǎo)致垂直方向水量分布均勻系數(shù)波動(dòng)的主要原因。根據(jù)垂直方向水量分布特點(diǎn)與水量分布均勻系數(shù)的變化趨勢(shì)可以在合理位置布置微噴帶與設(shè)置相鄰微噴帶的鋪設(shè)間距，可以適當(dāng)?shù)靥岣吖喔荣|(zhì)量。

2.3 水量分布

灌溉質(zhì)量主要是由噴射面積、水量分布均勻度與灌水強(qiáng)度決定。根據(jù)各個(gè)位置點(diǎn)收集到的水量，使用surfer繪制了Ф40在工作壓力為20 kPa時(shí)微噴帶三維水量分布圖與等值線圖(圖9)。由圖9可以看出，微噴帶多孔組合噴水時(shí)水量存在兩個(gè)峰值，與張錄達(dá)等采用DUD非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的方法確定的微噴帶單孔噴灌水分非線性數(shù)學(xué)模型[9]符合。

圖9 三維水量分布與等值線圖(Ф40/20 kPa，等值線水量單位為g)

水量分布均勻系數(shù)的計(jì)算主要是根據(jù)克里斯琴森公式[式(2)]，對(duì)于單位面積上微噴帶水量分布均勻度的評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)有效噴灑區(qū)域內(nèi)量筒內(nèi)的水量進(jìn)行計(jì)算，或是沿微噴帶方向量筒收集到的水量進(jìn)行水量分布均勻系數(shù)計(jì)算再各行均勻系數(shù)求均值，再或是垂直方向求均值，目前沒有具體討論。根據(jù)收集到的水量計(jì)算得到的水量分布均勻系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，3種計(jì)算得到的水量分布均勻系數(shù)有一定的差異，但隨工作壓力的變化趨勢(shì)基本一致。

圖10繪制了整體面積上水量分布均勻系數(shù)與工作壓力的關(guān)系曲線，由圖10可以看出，與沿微噴帶方向、垂直于微噴帶方向的大致趨勢(shì)相同，均是先增大再減小。但水量分布均勻系數(shù)明顯要比水平方向與垂直方向均值要小，最大值在50%左右。根據(jù)前面的分析，可以發(fā)現(xiàn)管徑對(duì)水量分布均勻度的影響，主要是由于相同壓力下不同管徑下通過微噴帶的流量差異造成的。

圖10 3種微噴帶整體水量分布均勻系數(shù)與工作壓力關(guān)系

圖11繪制了Ф40微噴帶3種計(jì)算方式水量分布均勻系數(shù)與工作壓力變化關(guān)系曲線，對(duì)比了3種計(jì)算方式得到的水量分布均勻系數(shù)關(guān)系，可以看出先對(duì)沿微噴帶方向或垂直于微噴帶方向水量分布進(jìn)行計(jì)算進(jìn)一步求均值所得到的面積上的水量分布均勻系數(shù)相對(duì)于整體求得的均勻系數(shù)要高。沿微噴帶方向的水量分布均勻系數(shù)均值明顯大于垂直于微噴帶方向水量求解結(jié)果與整體有效水量求解結(jié)果，這是因?yàn)槲妿У难爻趟^損失在短距離范圍內(nèi)很小，水量變化不明顯。根據(jù)計(jì)算過程，先根據(jù)沿微噴帶方向有效水量計(jì)算因?yàn)橄葘?duì)水平方向上的水量分布進(jìn)行了分析再進(jìn)一步求平均，則得出的結(jié)果更能顯示水平方向的水量分布均勻性。同樣的先對(duì)垂直于微噴帶方向的有效水量進(jìn)行計(jì)算再求平均更能表示垂直方向的水量均勻性。對(duì)于水量分布均勻系數(shù)的求解方式，應(yīng)該根據(jù)具體要分析的方向進(jìn)行合理的選擇。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行中需要分析沿微噴帶方向或垂直方向灌溉效果時(shí)，可以采用水平或垂直方向求水量分布均勻系數(shù)的平均值；對(duì)整體面積上水量分布灌溉效果進(jìn)行分析時(shí)，可以選取整個(gè)面積上的水量進(jìn)行計(jì)算水量分布均勻系數(shù)。

圖11 Ф40微噴帶水量分布均勻系數(shù)與工作壓力關(guān)系曲線

3 討論與結(jié)論

微噴帶灌溉時(shí)水量分布均勻性的影響因素有：首部工作壓力、田間鋪設(shè)方式(間距與長度)及微噴帶的結(jié)構(gòu)形式等因素的影響。這些影響因素可以分為內(nèi)部與外部兩個(gè)部分，內(nèi)部影響因素主要包括微噴帶的結(jié)構(gòu)形式，如孔組間距、孔徑、管徑及布孔方式等，對(duì)于這些內(nèi)部影響因素的研究主要可以對(duì)微噴帶的設(shè)計(jì)提出一些合理的建議；外部影響因素主要包括微噴帶在實(shí)際運(yùn)行中的設(shè)置參數(shù)，如工作壓力值、鋪設(shè)間距和長度、地面坡度、風(fēng)速和風(fēng)向等，通過試驗(yàn)為微噴帶在實(shí)際灌溉中的參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)。通過對(duì)3種規(guī)格微噴帶多孔組合噴水水量分布進(jìn)行試驗(yàn)探究，得到以下結(jié)論。

(1)通過探索3種斜五孔微噴帶的水量分布, 可以得出結(jié)論，管徑對(duì)微噴帶水量分布的影響主要與不同管徑下工作壓力-流量關(guān)系有關(guān),進(jìn)入微噴帶的流量會(huì)直接影響沿程的流量，進(jìn)而影響沿微噴帶的流量，對(duì)灌溉水的分布有一定的影響。

(2)對(duì)微噴帶水量分布3種計(jì)算方式的分析，可以發(fā)現(xiàn)得出的水量分布均勻系數(shù)隨工作壓力的變化趨勢(shì)相同，但是數(shù)值上存在一定差異。在灌溉效果的實(shí)際分析中，可以根據(jù)重點(diǎn)方向選擇計(jì)算方法。

(3)通過對(duì)水量分布的分析，可以看出微噴帶的水量分布在垂直方向有峰值及干燥區(qū)；水量分布均勻系數(shù)與工作壓力的關(guān)系不是單一的增大或減小，而是存在最優(yōu)工作壓力值。

微噴帶在水平方向上水量分布不均勻主要是沿程壓力與泄流量造成的，可以通過探究首尾壓差的關(guān)系選擇合適的工作壓力提高水量分布的均勻性；微噴帶在垂直方向水量分布存在峰值與干燥區(qū)域，根據(jù)峰值位置與干燥區(qū)域?qū)挾瓤梢酝ㄟ^合理布置相鄰微噴帶的鋪設(shè)間距提高實(shí)際使用微噴帶的灌溉均勻度。