坡耕地噴灌參數(shù)測(cè)試及其均勻性優(yōu)化分析

王清君

(北票市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)管理辦公室，遼寧 北票 122113)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，坡耕地在我國(guó)總耕地的面積占比達(dá)到了20%以上，面積超過(guò)2.67×108hm2。坡耕地給農(nóng)作物灌溉帶來(lái)諸多麻煩，而傳統(tǒng)的處理方法是將坡耕地改造為梯田，成本大、時(shí)間長(zhǎng)，而且不利于后期的機(jī)械化作業(yè)。如果針對(duì)性地對(duì)噴灌系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在面對(duì)坡耕地時(shí)灌溉均勻性能達(dá)到一個(gè)新水平，也就解決了坡耕地的主要問(wèn)題。

1 工程概況

北票市屬于“七山一水二分田”的低山丘陵區(qū)，擁有耕地面積1167km2，但其中坡耕地達(dá)到611.4km2，占比達(dá)到52.4%。該市從2010年開(kāi)始，便著手改造坡耕地，截至2020年底，共計(jì)改造坡耕地約5200hm2，投資總計(jì)約1.2億元。鑒于改造坡耕地成本較大，因此決定對(duì)坡度小于10°的耕地噴灌系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證灌溉均勻性[1]。

2 坡地噴灌均勻性影響因素分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1試驗(yàn)設(shè)備

本項(xiàng)目試驗(yàn)借助于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的水力學(xué)試驗(yàn)室，主要試驗(yàn)設(shè)備包括：雨鳥(niǎo)LF1200型噴頭、可調(diào)節(jié)高度支架、雨量筒、加壓泵等[2]。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

(1)本次試驗(yàn)裝置的支架高度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來(lái)模擬坡地的角度，為了檢測(cè)各點(diǎn)噴灌強(qiáng)度，將雨量筒放置在各點(diǎn)處(高14.0cm，開(kāi)口直徑10cm)布置在不銹鋼槽內(nèi)，分布間距1.0m×1.0m，共計(jì)11行、11列。

(2)噴嘴仰角15°，布置高度30cm，工作壓力范圍150～400kPa[3]。具體壓力由安裝在噴嘴處的壓力傳感器自動(dòng)記錄(記錄間隔10s)。

(3)本項(xiàng)目噴頭壓力設(shè)計(jì)4個(gè)水平(100、200、300、400kPa)，坡度設(shè)計(jì)4個(gè)角度(0°、3°、6°、8°)。為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次時(shí)間持續(xù)1.0h，每次等壓力、出水均穩(wěn)定后再開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。如圖1所示。

2.1.2測(cè)試方法

本項(xiàng)目主要測(cè)試的噴灌參數(shù)包括：射程、強(qiáng)度、均勻度，每個(gè)參數(shù)的測(cè)試方法如下。

(1)噴灌射程測(cè)試。坡耕地噴灌射程采用“坐標(biāo)法”計(jì)算，原理如圖2所示。

以噴頭垂線為z軸，與坡面走向垂直的水平線設(shè)為x軸，與x軸垂直的水平線設(shè)為y軸，水滴落點(diǎn)M的坐標(biāo)(a，b，c)可以確定，噴灌射程L計(jì)算公式[4]為：

(1)

式中，a—x軸上坐標(biāo)值；b—y軸上坐標(biāo)值；c—z軸上坐標(biāo)值。

(2)噴灌強(qiáng)度測(cè)試。噴灌強(qiáng)度就是在單位時(shí)間內(nèi)，將雨量筒內(nèi)裝入水的質(zhì)量除以開(kāi)口面積，得出單位時(shí)間、單面面積上所噴灑的總水量。噴灌強(qiáng)度P計(jì)算公式[5]為：

圖1 試驗(yàn)裝置實(shí)景

圖2 “坐標(biāo)法”計(jì)算噴灌設(shè)計(jì)原理

(2)

式中，M—雨量筒內(nèi)水的質(zhì)量，g；A—雨量筒開(kāi)口面積，mm2；t—噴灌時(shí)間，h。

(3)噴灌均勻度測(cè)試。本次試驗(yàn)在評(píng)價(jià)噴灌均勻度時(shí)，引入了“克里斯琴森均勻系數(shù)(CU)”，系數(shù)值越大，灌溉均勻度越好，計(jì)算公式[6]為：

(3)

2.2 坡度對(duì)于噴灌參數(shù)的影響

2.2.1坡度對(duì)噴灌射程影響

本項(xiàng)目在試驗(yàn)室中測(cè)定了不同坡度、壓力下的噴灌射程，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同坡度噴灌射程

由表1可知：①在同一坡度下，隨著噴灌壓力增大，上下坡的射程均呈現(xiàn)增加狀態(tài)，由100kPa增至200kPa、射程基本增加約2.0m，由200kPa增至300kPa、射程增加約1.2m，由300kPa增至400kPa、射程僅增加約0.2m，可見(jiàn)增幅逐漸減?。虎谠谕粐姽鄩毫ο?，隨著坡度增大，上坡射程越來(lái)越小，下坡射程越來(lái)越大，導(dǎo)致上下坡的射程差值也越來(lái)越大，在200kPa時(shí)差值最大，100kPa時(shí)差值次之，所以在低壓下工作是不利的。因此建議當(dāng)?shù)貒姽鄩毫?00～400kPa[7]。

2.2.2坡度對(duì)噴灌強(qiáng)度影響分析

圖3顯示了當(dāng)噴頭壓力為300kPa時(shí)，只改變坡度這一參數(shù)，各測(cè)點(diǎn)噴灌強(qiáng)度變化情況，以此來(lái)驗(yàn)證坡度對(duì)噴灌強(qiáng)度的影響。

由圖3可知：①不同坡度下，噴灌強(qiáng)度規(guī)律都遵循“距離噴嘴越近，強(qiáng)度越大”這一規(guī)律[8]；②當(dāng)坡度設(shè)置為0°，以噴頭為圓心，呈一個(gè)完美“圓形”分布開(kāi)來(lái)，噴灌強(qiáng)度由內(nèi)向外逐漸減??；③隨著坡度增大，噴灌強(qiáng)度逐漸向“雞蛋形”發(fā)展，即：上坡處逐漸呈扁平狀，而下坡頂端處逐漸延伸；④在噴灌范圍內(nèi)的同一距離下，上坡噴灌強(qiáng)度相對(duì)于下坡較大。

2.2.3坡度對(duì)噴灌均勻度影響分析

本項(xiàng)目測(cè)定了在不同坡度、不同壓力和不同間距下，對(duì)應(yīng)的CU值，具體見(jiàn)表2。

由表2可知：①當(dāng)噴灌壓力為100kPa時(shí)，隨著坡度逐漸由0°增至6°，噴灌均勻度(CU值)逐漸增大，但由6°增至8°，噴灌均勻度又減小，坡度為6°時(shí)噴灌均勻度最好；當(dāng)噴灌壓力分別為200、300、400kPa時(shí)，坡度為3°時(shí)噴灌均勻度最好；②在同一噴灌壓力下，隨著噴灌間距逐漸增大，CU值逐漸減??；③當(dāng)噴灌壓力為300和400kPa時(shí)，噴灌間距即使由6m×6m增至12m×12m，其CU值基本能達(dá)到80以上[9]。

3 坡地噴灌系統(tǒng)均勻性優(yōu)化分析

3.1 噴頭布置方式優(yōu)化分析

一般噴頭的布置方式為正方形布置或正三角形布置，噴頭設(shè)計(jì)在頂點(diǎn)位置。當(dāng)噴灌壓力300kPa、坡度為8°、間距為R(噴射距離)時(shí)，2種布置方式的噴灌強(qiáng)度分布如圖4所示[10]。

圖3 不同坡度下噴灌強(qiáng)度分布(壓力：300kPa)

表2 不同坡度下噴灌均勻度(CU值)的變化情況

圖4 不同布置方式下噴灌強(qiáng)度分布(上：正方形；下：正三角形)

由圖4可知：①采用正方形布置時(shí)，在噴頭附近及中部偏下，強(qiáng)度較大；②采用正三角形布置時(shí)，3個(gè)頂點(diǎn)附近噴灌強(qiáng)度較大，其CU值大于正方形，因此建議坡地噴灌系統(tǒng)采用正三角形布置方式[11]。

3.2 噴灌壓力最優(yōu)選擇設(shè)計(jì)

當(dāng)坡度為8°、噴灌間距為R、正三角形布置時(shí)，300和400kPa噴灌壓力下的水量分布如圖5所示。

圖5 不同噴灌壓力下水量分布(上：300kPa；下：400kPa)

由圖5可知：①當(dāng)噴灌壓力為300kPa時(shí)，中心位置強(qiáng)度明顯低于3個(gè)頂點(diǎn)位置，但均勻度基本達(dá)到了85%；②當(dāng)噴灌壓力為400kPa時(shí)，中心位置灌溉強(qiáng)度也被提升，與頂點(diǎn)差別不大，均勻度可達(dá)90%以上。綜合考慮系統(tǒng)灌溉效果和運(yùn)行費(fèi)用，在此建議噴灌壓力選擇300kPa[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同坡度、壓力下測(cè)定的噴灌射程，得知噴灌在低壓下工作是不利的，建議噴灌壓力為300～400kPa；不同坡度下，噴灌強(qiáng)度規(guī)律都遵循“距離噴嘴越近，強(qiáng)度越大”這一規(guī)律；坡度對(duì)噴灌均勻度影響，增大幅度逐漸減小，在噴灌壓力為300和400kPa時(shí)，CU值基本能達(dá)到80以上。試驗(yàn)結(jié)果在應(yīng)用時(shí)可能還需要根據(jù)實(shí)際條件(諸如風(fēng)力、土質(zhì)、溫度等因素)進(jìn)行靈活調(diào)整，以滿足灌溉要求為最終目的。噴灌技術(shù)對(duì)管理要求很高，同時(shí)需要具備基本的相關(guān)知識(shí)，在此建議設(shè)立臨時(shí)培訓(xùn)站，或制定常見(jiàn)故障及排除方法，這樣才能解決坡耕地灌溉問(wèn)題。