小麥不同生育期微噴帶水量分布均勻性

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)

微噴帶作為一種新型節(jié)水灌溉材料，主要通過在塑料軟管上直接加工循環(huán)排列的圓孔進(jìn)行噴水灌溉[3].微噴帶屬于沿程泄流管道，沿微噴帶方向的壓力與流量隨管道長度增大而降低，所以隨著鋪設(shè)長度的變化沿微噴帶方向的水量分布均勻性也會發(fā)生變化.滿建國等[4-5]對不同帶長、噴射角微噴帶灌溉對土壤水分分布進(jìn)行試驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)沿程壓力損失增大導(dǎo)致的微噴帶中后段噴孔流量降低是長微噴帶噴水均勻度降低的原因.白珊珊等[6]探究了在冬小麥莖葉遮擋時(shí)微噴帶組合灌溉的噴灑均勻性，發(fā)現(xiàn)在冬小麥莖葉遮擋時(shí)2條微噴帶噴灑重疊部分的水量分布均勻性較好.張學(xué)軍等[7]通過試驗(yàn)分析了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.張碩等[8]試驗(yàn)了不同工作壓力時(shí)微噴帶水量分布的變化，壓力與水量分布均勻系數(shù)關(guān)系曲線表明在工作壓力的不斷增大的過程中，存在水量分布最優(yōu)的工作壓力值.張錄達(dá)等[9]通過數(shù)據(jù)擬合方法確定微噴帶單孔噴灌水量空間分布規(guī)律是存在單峰和雙峰的非線性數(shù)學(xué)模型.王琪等[10]試驗(yàn)探究了微噴帶的鋪設(shè)長度、孔口間距及孔口直徑對灌水均勻度影響的不同程度.目前，對于微噴帶水力性能及水量分布特征的研究多集中在無作物條件下，對于田間實(shí)際使用微噴帶進(jìn)行灌溉時(shí)工作壓力與鋪設(shè)長度對水量分布的影響探究較少.因此，文中通過對不同工作壓力、不同生育期春小麥在2種鋪設(shè)長度的微噴帶下的水量分布試驗(yàn)，分析水量分布均勻系數(shù)的變化規(guī)律，對田間鋪設(shè)長度與工作壓力對微噴帶噴灑均勻度的影響進(jìn)行分析，為提高田間微噴帶灌溉提供參考建議.

1 試驗(yàn)材料與方法

田間灌溉試驗(yàn)在甘肅武威中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)為無風(fēng)或微風(fēng)(0～1.01 m/s)狀態(tài)，試驗(yàn)裝置包括水力驅(qū)動式比例施肥泵、過濾器、閘閥、精密壓力表(量程200 kPa，精度0.25級)、量筒等.試驗(yàn)地長40 m，寬20 m，分為3個(gè)小區(qū)(其中2個(gè)長20 m寬10 m，1個(gè)長40 m寬10 m)小麥為播種機(jī)種植，行距為15 cm，試驗(yàn)微噴帶為斜五孔Ф32微噴帶(陜西省啟豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程有限公司).圖1為微噴帶結(jié)構(gòu)示意圖，參數(shù)如表1所示，其中l(wèi)為孔水平距離，L為孔組間距，α為孔組傾斜度，d為孔徑，s為壁厚，Hmax為最大壓力.

圖1 微噴帶結(jié)構(gòu)及噴灑軌跡示意圖

表1 微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)表

田間微噴帶鋪設(shè)長度為20, 40 m，微噴帶間距為5 m，設(shè)置4種管首壓力，在春小麥3個(gè)重要需要補(bǔ)水的生育期(苗期、拔節(jié)期及抽穗期，小麥生長高度分別為20,40,70 cm)進(jìn)行水量分布均勻性試驗(yàn).試驗(yàn)在微噴帶首、中、尾3個(gè)位置設(shè)置取樣點(diǎn).

微噴帶水平鋪設(shè)，無彎曲，每條帶子首部設(shè)置壓力表.沿程壓力測試5種工作壓力Hs(20,28,35,43,52 kPa).微噴帶所有出水孔均正常出水，試驗(yàn)開始前在量筒位置點(diǎn)(微噴帶的首部、中部與尾部)垂直于微噴帶擺放3列量筒，每列8個(gè)(量筒口徑11 cm，高度為14.5 cm).量筒間隔約25 cm，噴水之前用塑料布進(jìn)行遮擋.通過調(diào)整閘閥開度改變微噴帶首部工作壓力，當(dāng)工作壓力為20 kPa時(shí)，微噴帶后1/4段壓力值較低，噴幅小于2.5 m，難以滿足作物灌溉的需求，故水量分布試驗(yàn)設(shè)置4種壓力值(28,35,43,52 kPa)，每次試驗(yàn)時(shí)待壓力表穩(wěn)定3 min后將遮擋的塑料布移開進(jìn)行水量的收集.微噴帶穩(wěn)定噴水15 min后將壓力泵關(guān)閉，按照量筒的編號使用電子臺秤(量程3 000 g，精度0.01 g)依次測量記錄不同位置點(diǎn)量筒內(nèi)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

微噴帶是通過一系列小孔[11]將壓力水流噴灑到空中，通過碰撞而產(chǎn)生大量水滴在重力作用下灑落在地面濕潤一定的面積，是局部灌溉.目前評價(jià)微噴帶灌溉質(zhì)量的指標(biāo)主要是水量分布均勻系數(shù)和灌水強(qiáng)度.在無作物遮擋的情況下，微噴帶的水量分布均勻系數(shù)會受到工作壓力、鋪設(shè)長度及間距、孔口間距、直徑及孔組間距等影響.在微噴帶類型及鋪設(shè)條件等確定時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)之外的影響因素中工作壓力十分重要.水量分布均勻系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：n為有效噴灑區(qū)域內(nèi)雨量筒的個(gè)數(shù)；h為灌水強(qiáng)度，mm/h；q為收集水量.

2.1 不同鋪設(shè)長度時(shí)微噴帶水量分布

由試驗(yàn)獲得的微噴帶在不同首部工作壓力Hs時(shí)不同位置點(diǎn)的工作壓力值，繪制了2種鋪設(shè)長度下微噴帶沿程壓力變化曲線，如圖3所示，其中D為鋪設(shè)長度，H為沿程壓力，可以看出微噴帶沿程壓力均出現(xiàn)遞減規(guī)律.

圖3 不同鋪設(shè)長度下微噴帶沿程壓力變化曲線

計(jì)算2種鋪設(shè)長度下首部工作壓力不變時(shí)管道沿程相對壓降ΔH/H值：壓力值是52 kPa時(shí)，長度為20, 40 m的相對壓降分別是0.280, 0.385；而壓力值為43 kPa時(shí)，長度為20, 40 m的相對壓降分別是0.350, 0.360，可以發(fā)現(xiàn)40 m時(shí)沿程壓力值下降幅度相對于20 m時(shí)較大，沿程壓力的曲線斜率更陡.影響沿微噴帶方向的水量分布均勻性主要為噴射點(diǎn)的工作壓力，噴射點(diǎn)的工作壓力是首部工作壓力除去沿程壓力的損失值，而沿程壓力損失主要會受到微噴帶的鋪設(shè)長度的影響.

試驗(yàn)測試了2種鋪設(shè)長度下不同工作壓力時(shí)微噴帶首部、中部以及尾部的水量分布情況.根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制了小麥高度40 cm在工作壓力52 kPa下2種不同鋪設(shè)長度的垂直于微噴帶不同位置點(diǎn)的水量變化曲線(見圖4)，及小麥高度40 cm根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算的水量分布均勻系數(shù)變化曲線(見圖5).

3#危巖體(W3)分布于2#危巖體上部，危巖體高7～12 m，寬40.0～52.5 m，厚5～6 m，體積約3 645.0 m3，危巖體前緣陡直臨空，局部呈凹腔狀，主要受兩組裂隙和層面切割。切割成的單體危巖呈塊體狀，其東、西、南三側(cè)為垂直臨空面，巖體表面橫豎向構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，主要受三組裂隙和層面切割，節(jié)理密度為5～10條/10米，節(jié)理切割深度2.5～4.0 m。切割成的單體危巖呈塊體狀，其東、西、南三側(cè)為垂直臨空面，上部為風(fēng)化碎塊石，下部為片麻巖；節(jié)理裂隙多松弛張開、外傾，局部已貫通。危巖體頂部堆積有風(fēng)化碎塊石。

圖4 不同鋪設(shè)長度垂直位置點(diǎn)水量變化

圖5 不同鋪設(shè)長度水量分布均勻系數(shù)變化

由圖4可以看出，垂直于微噴帶方向水量由近及遠(yuǎn)不斷減少，這與無作物遮擋時(shí)垂直于微噴帶方向的水量變化有區(qū)別，作物的遮擋作用使得靠近微噴帶位置水量聚集，而遠(yuǎn)離微噴帶的位置點(diǎn)水量不斷減少.微噴帶鋪設(shè)長度20 m的水量在首部、中部位置點(diǎn)基本高于40 m時(shí)，在尾部位置點(diǎn)情況出現(xiàn)變化，這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樗骱鋈挥龅轿妿┪驳亩氯鴫毫厣龑?dǎo)致的.根據(jù)圖5可以得出，微噴帶水量分布均勻系數(shù)隨工作壓力均先增大后減小，存在最佳運(yùn)行工作壓力，最大值出現(xiàn)在43 kPa.同時(shí)也可以看出，微噴帶鋪設(shè)長度為20 m時(shí)水量分布均勻系數(shù)基本大于鋪設(shè)長度為40 m的情況，但是20 m鋪設(shè)長度時(shí)水量分布均勻系數(shù)隨工作壓力的變化幅度要比40 m的情況大.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，微噴帶的工作壓力與出流量隨長度的不斷增加在不斷降低，而最佳工作壓力并不是最大工作壓力，雖然鋪設(shè)長度為40 m時(shí)沿程壓力下降的幅度較大，但首、中、尾3個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)的工作壓力值使得水量分布均勻系數(shù)變化相對平緩.

對水量分布及均勻系數(shù)的影響，鋪設(shè)長度是由于沿程泄流過程中沿程損失造成的出流位置點(diǎn)的工作壓力及出流量的變化.而工作壓力對于微噴帶水量分布均勻性的影響并不是簡單的正相關(guān)，存在著最佳工作壓力范圍(本試驗(yàn)微噴帶的最佳工作壓力范圍在40～45 kPa)，因此，微噴帶的鋪設(shè)長度也并不是簡單的越長或者越短就是最佳運(yùn)行參數(shù).

2.2 不同高度春小麥對水量分布影響

春小麥重要生育期需要進(jìn)行補(bǔ)水灌溉，主要是在苗期、拔節(jié)期(春小麥第三節(jié)剛開始伸長時(shí))、抽穗期3個(gè)不同的生育期.這3個(gè)生育期小麥的生長高度大約是20，40，70 cm，而不同生育期作物的高度、葉面積的不同會對微噴帶水量分布均勻性產(chǎn)生不同的影響.試驗(yàn)對不同生育期春小麥?zhǔn)褂梦妿нM(jìn)行噴灌時(shí)在改變工作壓力的條件下不同位置點(diǎn)水量分布進(jìn)行探究，分析不同高度春小麥對微噴帶灌溉均勻性的影響.

在此試驗(yàn)的設(shè)置條件下工作壓力43 kPa時(shí)水量分布最佳，圖6為3種不同小麥高度下垂直于微噴帶方向水量變化情況.由圖可知，垂直于微噴帶方向水量由近及遠(yuǎn)不斷降低，而且在小麥高度不同時(shí)對水量的變化幅度也不相同，小麥高度為20 cm時(shí)水量變化的幅度很小，而小麥高度為40 cm時(shí)，靠近微噴帶的位置點(diǎn)與遠(yuǎn)離微噴帶位置點(diǎn)的水量相差很大，由于小麥的遮擋使得微噴帶噴射出的水流大部分順著靠近微噴帶的小麥莖稈流下，所以在小麥高度為40 cm時(shí)靠近微噴帶的小麥處水量聚集，遠(yuǎn)離微噴帶的小麥得到的水分較少，造成水量的不均勻分布.而當(dāng)小麥高度達(dá)到70 cm時(shí)，一些噴射角度較小的水流可以通過小麥之間的間隙噴射到遠(yuǎn)離微噴帶的位置點(diǎn)，這就導(dǎo)致兩者之間的水量差值較40 cm時(shí)減小.

圖6 不同高度小麥垂直位置點(diǎn)水量變化

圖7為鋪設(shè)長度20 m時(shí)根據(jù)水量分布情況繪制的不同小麥高度下水量分布均勻系數(shù)Cu的變化曲線.從中可以看出，在小麥高度為20 cm時(shí)沿微噴帶方向的水量分布均勻系數(shù)先增大再減小，高度為40 cm與70 cm時(shí)均是不斷減小.小麥高度為20 cm時(shí)，對微噴帶水量分布影響不明顯，這時(shí)的小麥高度還沒有到達(dá)微噴帶組合灌溉噴射水流的最低高度，不會對噴射水流進(jìn)行遮擋.當(dāng)小麥到達(dá)拔節(jié)期補(bǔ)水灌溉時(shí)，高度達(dá)到40 cm，此時(shí)正好與微噴帶噴射水流的大部分高度相當(dāng)，會對大部分水流進(jìn)行遮擋，導(dǎo)致沿微噴帶方向的水量分布均勻系數(shù)變化很大.到生育期后期70 cm時(shí)，小麥高度超過一部分微噴帶噴射水流的初始高度，使得一些水流可以通過小麥之間的間隙傳遞到遠(yuǎn)離微噴帶的位置點(diǎn).

圖7 不同小麥高度水量均勻系數(shù)變化

2.3 微噴帶灌溉對作物生長高度影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出2種鋪設(shè)長度下垂直于微噴帶方向不同位置點(diǎn)(由近及遠(yuǎn))的小麥高度hm，如圖8所示.從圖中可以看出，靠近微噴帶位置的小麥生長高度要大于遠(yuǎn)離位置點(diǎn)，而鋪設(shè)長度為20 m的變化幅度要比40 m時(shí)的平緩.微噴帶的鋪設(shè)長度為20 m時(shí)，水量分布均勻性相對較高即大田小麥在垂直于微噴帶方向得到的水量相對均勻，所以小麥的最終生長高度變化曲線也較為平緩；當(dāng)微噴帶鋪設(shè)長度為40 m時(shí)，整體水量分布均勻性要比鋪設(shè)長度為20 m時(shí)低，這就會導(dǎo)致小麥生長高度在垂直于微噴帶方向變化較大，靠近微噴帶位置點(diǎn)的小麥生長高度與遠(yuǎn)離位置點(diǎn)的相差較大.

圖8 2種鋪設(shè)長度下垂直于微噴帶方向不同位置點(diǎn)小麥高度變化

圖9繪制了鋪設(shè)長度為40 m,不同鋪設(shè)方式時(shí)垂直于微噴帶方向的不同位置點(diǎn)春小麥生長高度的變化曲線.從圖中可以得出，在微噴帶搭接位置點(diǎn)的小麥生長高度變化趨勢相對平緩，小麥生長高度變化不大，而單側(cè)微噴帶灌溉的小麥生長高度差較大，生長不均勻性很明顯.當(dāng)微噴帶進(jìn)行搭接灌溉時(shí)，噴射的水流會在空間出現(xiàn)相互交錯，2條微噴帶的補(bǔ)充灌溉使得地面濕潤面積增大，相對于單條微噴帶灌溉水量分布均勻性得到提高.

圖9 2種鋪設(shè)方式下垂直于微噴帶方向不同位置點(diǎn)小麥高度變化

3 結(jié) 論

通過對不同高度的小麥對微噴帶灌溉的遮擋情況進(jìn)行試驗(yàn)探究，為微噴帶的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)提供理論建議，減少在田間灌溉中因水量分布不均勻而產(chǎn)生不必要的水分浪費(fèi)，建議使用多條微噴帶組合灌溉、合理設(shè)置工作壓力，及鋪設(shè)適宜長度的微噴帶以改善水量分布的不均勻性.

通過對微噴帶在春小麥3個(gè)重要生育期組合灌溉的水量分布均勻性進(jìn)行試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)通過對20，40 m這2種鋪設(shè)長度下微噴帶水量分布探究，得出鋪設(shè)長度對微噴帶水量分布的影響主要是與位置點(diǎn)的壓力流量關(guān)系有關(guān)，沿程壓力損失是造成微噴帶首尾不均勻的主要原因，鋪設(shè)長度為20 m時(shí)水量分布均勻性較高，在鋪設(shè)長度低于40 m時(shí)建議首部工作壓力為40～45 kPa.

2)對3種不同小麥高度下微噴帶組合灌溉的均勻性進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)高度為40 cm時(shí)微噴帶首、中、尾變化幅度很大，高度為20 cm和70 cm時(shí)變化相對不明顯，這是由于微噴帶噴射角度與工作壓力的關(guān)系造成的.

3)通過春小麥生長高度的規(guī)律曲線可以看出，水量分布的不均勻會造成作物生長的不均勻，建議鋪設(shè)長度不應(yīng)超過40 m并可通過多條微噴帶組合灌溉降低這種不均勻現(xiàn)象.

在沿微噴帶方向上水量分布不均勻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)系設(shè)置工作壓力提高水量分布的均勻性；在垂直方向水量分布會受到作物生長高度及葉面積指數(shù)的影響，可以通過設(shè)計(jì)選擇相對合適的噴孔布置方式，使得在運(yùn)行中噴射角度與作物的高度相適應(yīng)，減少作物遮擋對水流的攔截，可以適當(dāng)提高微噴帶的水量分布均勻性，最終達(dá)到節(jié)水高效的使用效果.