动态水压坡地喷灌水量分布特性与均匀度研究

付博阳，惠 鑫，任乃望，黄 煜，张 林

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

我国坡耕地占总耕地面积的1/5，喷灌是坡地灌溉常用的方法之一，具有对土壤、作物、地形适应性强，便于控制喷灌强度和灌水量，机械化程度高等优点[1,2]。但是在坡地喷灌时，由于地形起伏及坡度影响，较平地喷灌更为复杂，单喷头水量分布发生重要变化。平地喷灌水量分布曲线近似“圆形”，而坡地大致为“鸡蛋形”，上部扁而凸，下部尖而长，且随着坡度增加，上部越来越扁，下部越来越尖，从而造成坡地单喷头水量分布较平地更为不均。国内外关于坡地喷灌的研究已有很多，蒋定生[3]研究了地形坡度对喷头射程和系统组合均匀度系数的影响，提出当地面坡度超过7°时，喷头只能按扇形方式朝下坡方向作业，但会增加喷灌系统中喷头数量，增加投资成本。陈学敏[4]建立了雨滴飞行轨迹方程，以该方程为基础将实测平地喷头水量分布图转换到坡地上；Soares[5]研究了地面坡度、竖管倾斜度和喷头仰角对喷灌水量分布均匀度的影响；李久生[6]等分析了坡地喷灌系统中竖管偏角对喷头运转均匀性和喷头射程的影响；向清江[7]研究将平地所获得的实验数据向坡地转换，以射流轨迹计算公式为基础，采用网格变换的方式实现了平地上的水量分布向坡地上的数据转换，变射程喷头通过增大上坡射程，减小下坡射程，从而改善坡地上单喷头的水量分布，但该方法依赖于求解合理的射流轨迹线，假设了理论射程与实际射程的总损失均匀分摊到实际射程中，简化了射流轨迹计算方法，其转换的准确性需要进一步研究。这些研究为坡地喷灌技术的发展做出了巨大贡献，但未提出有效解决坡地喷灌水量分布不均匀、允许喷灌强度降低的有效途径。

在喷灌技术研究方面，动态水压供水得到了学者的关注。曹伟[8]等以由绕流流道单元构成的灌水器为研究对象，通过计算机CFD模拟和实验来研究灌水器在振动水压下的水力性能。发现CFD模拟数据和实验数据具有较高的一致性，灌水器在振动模式下的消能效果和水流波动效应优于恒压下的状态，基础水压对等效水压的影响最为显著；汤跃[9]等通过深入分析水泵变压运行和喷头变域喷洒机理，得到了喷头实现变域喷洒时两种调节方法的运行规律，推导了变频器频率与喷头旋转角度所用时间之间的关系方程，提出了一种实现喷头便于喷洒的开环控制策略和通过试验设定控制规律的方法，通过水力能耗计算发现，采用变频调速方法实现变域喷洒比采用动静片方法节约27%的能量；陈超[10]等为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题，设计了基于单片机的控制器调控水泵转速，改变喷头工作压力，实现变域喷洒，研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明，方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低 30.3%。基于动压的节能优越性，将其引入坡地喷灌，研究动压下坡地喷灌水量分布和均匀度特性，提出适宜坡地喷灌的动态水压技术参数，促进喷灌技术在坡地上的应用，提高坡地农业生产效益。

动态水压(供水压力随时间呈周期性变化)供水技术具有节能降耗的优点，有研究初步表明，动态水压对于改善平地喷灌水滴能量分布，提高喷灌水量分布均匀性具有一定作用。为此，本论文试图将动态水压供水技术应用于坡地喷灌，研究动压参数对坡地喷灌水量分布及均匀度的影响，揭示动压坡地喷灌水量分布特性，提出适宜的坡地喷灌动压技术参数，以提高坡地喷灌质量，进而推动喷灌技术在坡地上的大面积应用。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院灌溉水力学试验厅进行，室内无风，试验装置是由水箱、变频柜、加压泵、喷头、压力传感器、高度可调支架、钢槽和雨量筒组成。变频柜由可编程逻辑编辑器PLC和变频器组成，变频器通过改变加压水泵的电动机转速实现压力的动态变化，将程序导入可编程逻辑控制器PLC，设置参数以获得不同周期、不同振幅、不同函数类型(三角函数、台阶型函数、三角型函数)的动压模式；加压泵采用上海塔克泵阀制造TKL40-250型；试验采用雨鸟LF1200型喷头，喷头尺寸2.18 mm，喷头仰角17°，工作压力范围为0.17～0.41 MPa；压力传感器安装在喷头进口处，采用西安新敏CYB型传感器，量程为0～0.50 MPa,精度为0.1%；雨量筒高度14.0 cm，开口直径10.6 cm；不同坡度的坡面通过高度可调支架和宽为0.15 m的不锈钢钢槽完成构建。

试验前，计算不同控制点高程，调节可调支架高度，将雨量筒布置在钢槽中，采用网格线法布置，网格在地面上的投影间距为1 m×1 m，以获得喷头水量分布信息，如图1所示。

1-喷头；2-压力传感器；3-高度可调节支架；4-雨量筒；5-不锈钢槽图1 坡地喷灌水量分布试验装置图Fig.1 Experimental setup for the sprinkler water distribution on sloping land

1.2 试验方法

试验时，称取空雨量筒的重量，在变频柜中设置动压参数，开启水泵，通过计算机瞬时采集的压力数据确定喷头进口处压力是否为需要的动压模式，待压力稳定后，开始测试。在试验中，每次测试时间为1 h，需要测定喷头运转周期和坡面射程。试验结束后，称取雨量筒重量并转化为喷灌强度。该试验因素设置有动压函数类型、动压周期、动压振幅，动压函数类型设置3个水平，分别为三角函数、台阶型函数、三角型函数；动压周期设置6个水平，分别为9、14、17、18、21、26 s；动压振幅设置2个水平，分别为5和10 m，由于测试喷头工作压力范围为0.20～0.40 MPa，为了使喷头始终能在正常压力范围内工作，所以动态水压喷灌的基础水压设置为0.30 MPa,即10 m振幅时压力在0.20～0.40 MPa之间波动，5 m振幅时压力在0.25～0.35 MPa之间波动。

(1)喷头运转时间。试验时，喷头做全圆喷洒，用TF307型电子秒表记录喷头运转1周的时间，在试验开始15、30、45 min时测试喷头运转时间，每次测取喷头运转10圈的时间，计算平均值，共测试3次，并计算3次平均运转时间，即为该次试验喷头运转时间。

(2)喷灌强度。喷灌强度是指单位时间喷洒在单位面积的水量，在一般情况下，平均喷灌强度应与土壤的透水性相适应，喷灌强度不应超过土壤的入渗率，这样不会在地表形成积水和径流，喷灌强度计算公式如下：

(1)

式中：P为喷灌强度，mm/h；M为雨量筒内水的质量，g；A为雨量筒开口面积，mm2，本试验中A为8 824；t为喷灌时间，h。

(c)均匀度。喷灌均匀度是衡量喷灌面积上水量分布的均匀程度的指标，也是衡量喷灌质量好坏的指标之一，本试验中选用克里斯琴森均匀度计算喷头组合均匀度，计算公式为：

(2)

2 结果与分析

2.1 动压参数对坡面射程及湿润面积的影响

喷头射程是喷灌的主要性能指标，它决定着喷洒湿润面积和喷灌强度，直接影响喷头间距、管道间距、喷头数量及支管用量，从而直接影响到喷灌系统工程投资[11-13]。表1、表2分别给出了动压周期为18 s时不同函数类型和三角函数时不同动压周期(9、14、17、18 、21、26 s)喷灌时的坡面上下坡有效射程及湿润面积。从射程来看，喷头上坡有效射程小于下坡有效射程，这是由于坡地喷灌时受地形坡度的影响，导致上坡射程较下坡射程小。函数类型和函数周期对喷头在上下坡的有效射程影响不显著。当振幅为10 m时，上坡有效射程是8.6 m，下坡有效射程是10.9 m，上下坡射程差在2.3 m左右，当动压振幅采用5 m时，上下坡有效射程明显减小，上下坡有效射程差增大。这是因为压力大小对喷头射程的变化起主要作用，函数的振幅10 m时，喷灌压力范围在0.20～0.40 MPa之间变化，相较5 m时射程变化范围大。从湿润面积来看，采用动态水压喷灌时，单喷头在坡面上的喷洒湿润面积达320 m2左右，但由于地形坡度的影响，上下坡湿润面积具有一定的差距，经计算，上坡湿润面积在135 m2左右，下坡湿润面积在185 m2左右，相差50 m2。

表1 不同函数类型下喷头射程和喷洒湿润面积Tab.1 Sprinkler radius of throw and the wetted area under different function types

表2 不同动压周期喷头射差和喷洒湿润面积Tab.2 Sprinkler radius of throw and the wetted area under different pressure periods

2.2 动压参数对单喷头水量分布的影响

图2给出了周期为18 s、不同函数类型下动态水压喷灌单喷头坡面水量分布。从水量分布来看，采用三种函数类型进行喷灌，喷头附近水量最多，随着距喷头距离逐渐增大，水量分布呈先减小后增大的趋势。图中出现水量极少的区域是因为喷头4个支架的影响，导致水流无法喷洒到4个方向。从均匀度来看，动压函数为三角函数、台阶型和三角型函数时的Cu值分别为55.7%、56.7%和56.1%，喷灌均匀度基本相同，说明函数类型对坡地喷灌水量分布和均匀度影响并不明显。

图2 不同函数类型下单喷头坡面水量分布Fig.2 Water distribution of the single sprinkler of different function types on the slope

2.3 动压参数对组合喷头坡地喷灌水量分布与均匀度的影响

喷灌均匀度是衡量喷灌质量的重要指标[14,15]，在工程实践中，通常采用不同的布置方式和喷头间距布置喷头，在不同布置方式下喷灌的水量分布和均匀度有较大差异，动压下单喷头水量分布均匀度较高，可通过不同布置方式获得组合喷灌时均匀的水量分布和较高的均匀度。以下研究采用动压喷灌时在不同布置方式下的坡面组合水量分布和均匀度，从而找到适合在动压下的喷头布置方式，以期得到在实际工程中最佳的喷灌质量。

2.3.1 不同因素对喷灌均匀度的影响程度

表3分析了不同因素对喷灌均匀度的影响程度，可以看出，在95%置信度下，喷头的组合间距对喷灌均匀度的影响程度呈显著水平，动压函数参数对均匀度影响并不显著，这是因为喷头在喷洒过程中，两次喷洒期间有时间间隔，而喷头的动态压力是由水泵变化的转速连续提供的，使得射流获得的压力并不是严格按照函数变化，但函数的变化范围相同，所以动压函数的参数对均匀度影响不显著，为获得较好的组合喷灌均匀度，需选择合适的喷头间距和布置方式。

表3 各参数对喷灌均匀度影响程度方差分析表Tab.3 Variance analysis of the effects of each factor on sprinkler irrigation uniformity

2.3.2 喷头布置方式对坡面水量分布与均匀度的影响

图3是动压函数为三角函数、动压周期为18 s、组合间距为1.0R时在正方形、正三角形和矩形(0.8R×1.0R)三种布置方式下的水量分布。从喷灌强度来看，采用正方形布置，喷洒域内平均喷灌强度为3.34 mm/h，喷灌强度超过3.0 mm/h的区域占喷洒域面积的62%，中部区域和喷头附近水量分布较多喷灌强度达4.0 mm/h，水量较少的区域喷灌强度在1.8 mm/h左右；采用正三角形布置，平均喷灌强度为3.45 mm/h，喷灌强度超过3.0 mm/h的区域占全喷洒域面积的60%，低于平均喷灌强度的区域集中在喷洒域中部；采用矩形布置，平均喷灌强度为3.86 mm/h，喷灌强度超过3.0 mm/h的区域占全喷洒域面积的85%，占比明显提高。从水量分布来看，采用正方形布置，上下坡水量分布有所差异，在上坡位置处，水量较少区域在中间位置处，在下坡位置处，小水量区域位于两侧，位置较分散，与其他两种布置方式不同的是中部区域水量分布较多；采用正三角形布置，水量较少部分出现在喷洒域中间区域，上坡喷头处的水量较下坡明显更多；采用矩形布置，整体水量分布较均匀，小水量区域仅出现在上坡，并且所占面积不多，没有出现水量集中或极少的区域。从均匀度来看，采用正方形、正三角形、矩形布置的均匀度分别为75.7%、77.1%、82.4%，采用正方形布置均匀度最低，矩形布置时均匀度最高，喷灌质量最佳，动压喷灌时推荐使用矩形布置。

图3 不同组合方式动态水压下坡面水量分布Fig.3 Water distribution for combined sprinklers under pulsating pressure on the slope with different combinations

2.3.3 组合间距对坡面水量分布与均匀度的影响

(1)矩形。图4是动态水压采用三角函数周期为18 s时采用0.6R×0.8R、0.8R×1.0R、1.0R×1.2R、0.6R×1.0R、0.8R×1.2R、0.6R×1.2R(坡向间距×垂直坡向间距)矩形布置叠加后的水量分布，以下将从坡向间距和垂直坡向间距的改变分析其水量分布和均匀度规律。

由图4(a)、图4(d)、图4(f)可以看出，当喷头的坡向间距一定时，随着垂直坡向间距的增加，喷洒域中间区域水量逐渐减少，平均喷灌强度降低，这是因为喷头流量不变，在相同时间内喷洒出的水量相同，当喷洒域的面积增大时，平均喷灌强度自然减小。从喷灌强度和水量分布来看，采用0.6R×0.8R布置时，喷洒域内整体喷灌强度较高，平均喷灌强度达到5.2 mm/h，喷洒域内喷灌强度均高于3.0 mm/h，其中部分区域水量较集中，喷灌强度高于7.0 mm/h，分布在下坡喷头和上坡局部位置处，占比达到16%，中间区域喷灌强度在3.5 mm/h左右；采用0.6R×1.0R布置时，平均喷灌强度为4.6 mm/h，喷灌强度高于3.0 mm/h的区域所占面积达到90%，中间区域水量分布较少喷灌强度低于3.0 mm/h，但并未出现局部区域水量分布较高的情况；采用0.6R×1.2R布置时，喷洒域内喷灌强度明显减小，平均喷灌强度减小到3.9 mm/h，除中间区域水量较少外，上坡两侧也出现局部区域水量较少，喷灌强度低于3.0 mm/h。从均匀度来看，坡向间距采用0.6R，垂直坡向间距采用0.8R、1.0R、1.2R时的均匀度分别为78.8%、84.1%、82.6%，呈现增大后减小的趋势，在0.8R～1.0R之间，均匀度提高明显，可以看出，垂直坡向间距宜采用1.0～ 1.2R。

由图4(c)、图4(e)、图4(f)可以看出，当喷头的垂直坡向间距一定时，随着坡向间距的增加，水量较少区域的面积增加，喷洒域内平均喷灌强度随坡向间距的增加逐渐减小，小水量区域喷灌强度逐渐降低，但水量分布较多的区域喷灌强度4.0 mm/h左右没有提高。从喷灌强度和水量分布来看，坡向间距以1.0R布置时，喷洒域内平均喷灌强度为2.78 mm/h，水量较少的区域在上坡中部和喷洒域两侧的位置，喷灌强度低至1.2 mm/h；坡向间距以0.8R布置时，平均喷灌强度为3.26 mm/h，喷洒域内小水量区域喷灌强度低至1.0 mm/h以下，但面积占比很小；坡向间距以0.6R布置时，平均喷灌强度为3.85 mm/h，水量较少区域在喷洒域中部和上坡两侧位置，喷灌强度在2.8 mm/h左右，相较坡向间距为1.0R和0.8R时的值明显提高，更接近平均喷灌强度。从均匀度来看，采用间距1.0R×1.2R、0.8R×1.2R、0.6R×1.2R(坡向间距×垂直坡向间距)矩形布置的均匀度分别为68.8%、82.1%、82.6%，在0.8～1.0R之间均匀度下降明显，在0.6～0.8R之间变化较小，所以，采用动压模式喷灌时，坡向间距宜采用0.6～ 0.8R。

图4 不同组合间距动态水压下长方形布置坡面水量分布Fig.4 Water distribution for combined sprinklers under pulsating pressure on the slope with different combination distance

(2)正三角形。图5是动压采用18 s周期的三角函数时喷头按正三角形布置组合间距采用0.8、1.0和1.2R的水量分布，在组合间距为0.8、1.0和1.2R时的平均喷灌强度分别为4.13、3.48和2.63 mm/h。从水量分布来看，采用0.8R布置时，上下坡水量分布较均匀，除喷头附近区域外，其他区域水量基本相同，没有出现水量较少的区域；采用1.0 R布置时，上下坡水量分布差距较大，水量较少的区域集中在下坡；采用1.2R布置时，喷洒域内整体喷灌强度较低，上下坡水量分布差距不大，水量分布较均匀。从均匀度来看，采用0.8、1.0、1.2R布置的喷灌均匀度为80.2%、77.1%、74.5%，随着喷头间距的增加，以正三角形布置方式的组合喷灌均匀度逐渐减小。

图5 不同组合间距动态水压正三角形布置坡面水量分布Fig.5 Water distribution for combined sprinklers under pulsating pressure on the slope with different combination distance

综合考虑不同组合间距时矩形和正三角形时的水量分布和均匀度，以小间距布置时，矩形的水量分布和均匀度更高，当组合间距增大时，均匀度下降明显，而正三角形下降不明显，当考虑工程投资时，可选择正三角形布置，其控制面积更大，在满足喷灌要求的情况下，间距可取1.0～1.2R。

3 结 论

(1)动压周期和函数类型对喷头上下坡射程影响不显著，主要取决于函数振幅，振幅取较大值时，喷头上下坡射程差较小，所以采用动压喷灌时，动压振幅宜采用喷头正常工作压力范围内的较大值。

(2)对动压参数和均匀度进行单因素方差分析，在95%置信度下，动压参数对单喷头水量分布和喷灌均匀度影响不显著。动压喷灌时，采用正三角形和矩形布置的均匀度及水量分布优于正方形布置，其中喷头按矩形布置喷灌质量最佳。采用正三角形布置时喷灌均匀度随喷头间距的增大而减小，矩形布置时，随喷头坡向间距增加均匀度下降，随垂直坡向间距增加均匀度先增大后减小。

(3)综合考虑喷灌质量和工程投资，动压喷灌时，当喷头采用正三角形布置，喷头间距建议采用1.0～1.2R，当喷头采用矩形布置时，坡向间距宜采用0.6～0.8R，垂直坡向间距宜采用1.0～1.2R。