压力对微喷带水量分布均匀性影响试验研究

徐 茹，王文娥，胡笑涛

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室 ，陕西 杨凌 712100)

0 前 言

微喷带是一种节水灌溉材料，是通过在薄壁塑料软管壁上的圆形孔群进行喷水灌溉的设备[1]。与其他的灌溉方式对比，微喷带灌溉工作压力低，灌溉水量大，灌溉的周期短，成本低廉，易维护保养与进行水肥一体化，提高水肥利用率[2]。微喷带将压力水流通过循环排列的小孔喷洒到空中，在重力及阻力的作用下形成直径不同的水滴，工作压力以及进入微喷带内部的流量会影响微喷带的水量分布的均匀性。通过试验，探究不同管径的微喷带在不同工作压力下喷水均匀性，分析微喷带水量分布均匀性的影响因素，为微喷带灌溉系统的设计提供参考。

根据微喷带的工作原理，其水量分布均匀性主要受工作压力、田间铺设长度、孔口直径与孔组间距等微喷带的结构特性、风速和风向及地面坡度等因素的影响。王琪等采用正交试验方法探究了微喷带的铺设长度、孔口间距及孔口直径对灌水均匀度影响的主次程度[3]。张学军等试验探究了微喷带水量分布特性，得出微喷带的水量分布均匀系数、喷洒宽度与工作压力相关性大[4]。窦朝银等进行了探究分析布孔方式对微喷带灌溉均匀度的影响的试验，得出喷水孔齿形排列灌溉均匀度更好[5]。白珊珊等对6种微喷带进行在作物遮挡下微喷带组合灌溉的灌水均匀性试验，结果表明在作物遮挡下相邻微喷带喷幅重叠部分的水量分布均匀性较好[6]。张芳等通过大田试验探究了风对微喷灌水均匀度的影响，得出在风的影响下，微喷带灌水均匀度大幅降低[7]。张硕等通过室内试验探究了工作压力对微喷带水量分布的影响，试验发现微喷带水量分布均匀系数最大值不是工作压力的最大值，即不是压力值越大水量分布就越均匀[8]。在确定微喷带类型及铺设条件等因素情况下，外部可调节因素中工作压力至关重要。因此，通过3种微喷带在不同工作压力下的水量分布试验，分析了水量分布均匀系数的变化规律，探究微喷带的水量分布规律及影响因素，为提高微喷带灌溉均匀性提供参考。

1 试验材料与方法

试验在陕西省杨凌区西北农林科技大学北校区的水工厅内进行，试验在无风下进行，试验装置主要包括变频恒压的供水装置、120目网式过滤器、开关闸阀、精密压力表(量程200 kPa，精度0.25级)，水量分布量水装置(自制)、超声波流量计等。试验使用Ф28,Ф32,Ф40 3种斜五孔微喷带(陕西杨凌启丰现代农业工程有限公司)，结构示意图见图1，微喷带具体参数见表1，均采用机械打孔。

表1 3种微喷带结构参数表

图1 微喷带结构、喷水及试验台示意图

3种微喷带均为斜5孔结构，孔径、孔数及壁厚均相同，试验对3种不同管径的微喷带进行喷水试验，自制水量分布测量装置由3个1 m×1 m试验台(图1)与量筒构成(每个试验台划分为5×5共25个小格，每个小格20 cm×20 cm，放置一个量筒)，试验微喷带单侧喷幅最大为3 m，垂直微喷带铺设方向顺序摆放3个水量测定装置(共计3 m)。量筒口径为11 cm高度为14.5 cm，将塑料布放置在试验台格子顶部，在每个量筒上的塑料布对应量筒中心的位置剪开10 cm的十字形孔，并留取一定的凹陷深度以便喷射水流汇集流入对应位置的量筒内部。

微喷带水平固定在架子(架子比雨量筒试验台略高)上，无弯曲，首端安置压力表。试验微喷带长度为3 m，在距微喷带带首0.6 m处布置3个水量分布测量装置，在试验台对应位置放置已编号(见图2)的量筒，垂直于微喷带方向量筒位置编号依次为1～15，沿微喷带方向量筒位置依次为Ⅰ～Ⅴ。通过调整闸阀改变不同微喷带首部工作压力，试验采用6种不同的压力，从20～40 kPa每隔4 kPa设置一个压力值。每次试验先对微喷带使用塑料布进行遮挡，待压力表稳定3 min后移开塑料布开始收集水量。微喷带稳定喷水10 min后关闭压力泵，按照量筒的编号使用电子台秤(量程3 000 g，精度0.01 g)依次测量3个试验台量筒内部的水量。试验布置见图2。

图2 试验布置示意图

2 结果与分析

微喷带是一种局部灌溉方式，通过一系列小孔向空气中喷射压力水流，在地面形成大量不同直径的水滴，形成一定面积的湿润区。目前评价微喷带灌溉质量的主要指标是水量分布均匀系数和灌溉强度。灌水强度计算：

(1)

式中：h为灌水强度，mm/h；q为收集水量，g；a为容器接水口边长，mm；t为接水时间，min；s为容器接水口面积，mm2。

水量分布均匀系数Cu：

(2)

式中：n为有效喷洒区域内雨量筒的个数。

根据微喷带水量分布均匀系数的计算公式可以看出，水量分布均匀系数反应的是某一个区域面积上或者某一方向上各个位置点水量与平均的水量的差量，与容器承接面积无关。根据试验在不同工作压力下微喷带的喷洒范围在有效喷洒区域的量筒个数而不同。微喷带是通过在地面形成一定的湿润面积而达到灌溉效果，微喷带是沿程泄流的管道，随着铺设管道的长度不断增大，沿微喷带不同位置点压力与泄流量会不断降低，所以沿微喷带方向水量分布均匀性会随着铺设长度发生变化。微喷带进行喷水时，水流由喷孔喷射而出在空气中会一系列作用力的作用，水流之间会发生碰撞，水柱碎裂、最后分散雾化形成水滴降落下，这会导致在垂直于微喷带方向上水量分布的不均匀。

2.1 沿微喷带方向水量分布

微喷带的灌溉效果主要取决于出流量、喷洒均匀度与喷射面积，其中：流量取决于喷孔处的作用压力(管首压力减去管首到该孔的水头损失)。微喷带的喷孔是循环排列的组孔，喷洒均匀度取决于单孔的喷射面积、水量分布及每组孔数、排列方式、组间间距等。由于微喷带在实际运行过程中，沿程的出流量是不断变化的，这是导致微喷带水平方向水量分布不均匀的主要原因，而沿程的出流量与微喷带首部工作压力及进入微喷带的流量密切相关。故通过试验探究三种管径微喷带在不同工作压力下水量分布变化规律。

根据试验所得四种规格的微喷带在不同首部工作压力时的单位长度流量，绘制了微喷带作用压力与单位长度流量关系曲线，通过曲线拟合发现，均符合幂函数关系，与滴灌灌水器压力流量关系类似(图3)。相同压力下，微喷带的出流量随微喷带管径的增加而增加，但流量的增加范围不同，Ф32和Ф40之间的差值小于Ф28和Ф32。通过试验得到的垂直于微喷带方向不同位置的水量，根据水量分布均匀系数计算可以得出沿微喷带方向的水量分布均匀系数的均值，绘制3种类型微喷带水平方向水量分布均值与工作压力的关系曲线(图4)。根据图4可以看出，Ф40相比Ф28和Ф32水量分布均匀系数随工作压力的变化曲线较平缓，出现这种现象的主要原因是在相同首部工作压力下微喷带的出流量随管径的增大而增大，但由于沿微喷带方向上设置的位置点间隔距离小，所以一组5个喷孔沿程泄流量相差不大，则水平方向的水量分布相差不大。

图3 微喷带压力-单位长度流量关系

图4 水平方向水量分布均匀系数均值与工作压力

不同管径的水量分布变化相似，具体水量分布分析以相对较为稳定的Ф40微喷带为例。根据量筒收集到的水量绘制出垂直于微喷带方向不同位置点(即图2中垂直于微喷带的15个位置点，根据实际运行中喷射幅度的不同而位置点的个数不同，而Ф40微喷带在20 kPa时喷射水流至第9个位置点)的水平方向水量变化趋势(图5)。由图5可以看出不同位置沿微喷带方向水量大致呈下降趋势，这是由于微喷带的工作原理造成的，沿程泄流量会逐渐降低，由于水平位置点间隔较短会造成一些波动。同时可以看出，在微喷带的喷洒范围内较靠近微喷带的位置点与最远离微喷带的位置点相对于中间部位的水量变化更平缓。

图5 沿微喷带方向水量变化曲线(Ф40/20 kPa)

水量变化不明显则水平方向水量分布均匀系数也不会出现较大的差异，如图6所示，根据不同工作压力下水平方向上水量分布计算得到水量分布均匀系数绘制不同位置点的水量分布均匀系数变化曲线，由图可以明显看出水平方向水量分布均匀系数差异很小，波动不明显。说明在微喷带铺设长度较短时，沿微喷带方向水头损失较小水量分布均匀。

图6 沿微喷带方向水量分布均匀系数曲线(Ф40)

2.2 垂直微喷带方向水量分布

微喷带进行喷水时主要是通过循环排列的小孔将压力水流喷洒到空中，在地面形成一定湿润区达到灌溉效果，地面湿润区形状为椭圆形，属于局部灌溉，即在垂直于微喷带方向存在干燥区，这是造成微喷带垂直方向水量分布不均匀的主要原因。微喷带进行喷水时，同一位置处水流具有相同的能量和初速度，而水流在空气阻力、空气浮力及重力的作用下在不同位置点发生雾化形成水滴降落下来使得不同位置点出现不同的水量分布。

图7绘制了Ф40在工作压力为20 kPa时微喷带水平方向不同位置点的垂直水量分布变化规律。由图7可知微喷带垂直方向水量分布存在峰值，随垂直距离的增加水量的增加并不是逐渐增大。根根据微喷射带的单孔水分布特性，喷射水流在空间上有一个干燥区域。对于多孔组合喷水，不同喷射角度的喷水孔的水流会交错，使干燥区域有少量的水分分布, 湿润区叠加水量的峰值。微喷带喷射水流在空中存在雾化点，喷射水柱雾化位置与雾化程度是影响地面湿润区宽度变化的主要原因，雾化后水滴在重力与空气阻力的作用下降落在地面，雾化程度直接影响水柱分散情况，与地面的水量分布不均匀密切相关。雾化的位置点与微喷带喷射水流在空中的水平速度分量相关，则与初始工作压力密切相关。

图7 水平方向不同位置点的垂直方向水量(Ф40/20 kPa)

根据垂直微喷带方向水分分布均匀性系数的平均值, 绘制了垂直方向的水分布均匀性系数与工作压力的关系图(图8)，如图8所示,垂直于微喷带方向的3种微喷带的水分分布均匀性系数随着工作压力的变化而波动, 总的趋势是先增加后减少，并且有最佳的运行压力。其中Ф32微喷带随工作压力变化最不稳定，Ф40相对变化趋势最平缓，产生这种现象的主要原因是压力流量关系，相同工作压力时进入微喷带内部的流量得到及时的补充会使得喷射出的水流相对稳定，相应的水量分布均匀系数随工作压力的变化会比较稳定。

图8 垂直方向水量分布均匀系数均值与工作压力关系曲线

根据式(2)(不同工作压力时微喷带喷洒的有效范围不同，计算垂直于微喷带方向不同位置点的水量分布均匀系数时，公式中的有效喷洒范围量筒个数n=5)得出不同工作压力下Ф40微喷带垂直位置点水量分布均匀系数(表2)，根据表可以得出垂直微喷带方向水量分布均匀系数有一定的波动，大致趋势是先减小再增大再减小，有最大值。

表2 不同压力下Ф40微喷带垂直位置点水量分布均匀系数表

同时根据表2的水量分布均匀系数也可以看出由于水平位置的间隔较短，水量分布较均匀水量分布均匀系数最小值为52.63，说明在微喷带铺设距离较短时，水量在沿微喷带方向变化不大，与前文的结果相符合。根据图5可以得到垂直方向水量会有峰值，水量分布不均匀且有干燥区域，这是导致垂直方向水量分布均匀系数波动的主要原因。根据垂直方向水量分布特点与水量分布均匀系数的变化趋势可以在合理位置布置微喷带与设置相邻微喷带的铺设间距，可以适当地提高灌溉质量。

2.3 水量分布

灌溉质量主要是由喷射面积、水量分布均匀度与灌水强度决定。根据各个位置点收集到的水量，使用surfer绘制了Ф40在工作压力为20 kPa时微喷带三维水量分布图与等值线图(图9)。由图9可以看出，微喷带多孔组合喷水时水量存在两个峰值，与张录达等采用DUD非线性数学模型进行数据拟合的方法确定的微喷带单孔喷灌水分非线性数学模型[9]符合。

图9 三维水量分布与等值线图(Ф40/20 kPa，等值线水量单位为g)

水量分布均匀系数的计算主要是根据克里斯琴森公式[式(2)]，对于单位面积上微喷带水量分布均匀度的评价应根据有效喷洒区域内量筒内的水量进行计算，或是沿微喷带方向量筒收集到的水量进行水量分布均匀系数计算再各行均匀系数求均值，再或是垂直方向求均值，目前没有具体讨论。根据收集到的水量计算得到的水量分布均匀系数可以发现，3种计算得到的水量分布均匀系数有一定的差异，但随工作压力的变化趋势基本一致。

图10绘制了整体面积上水量分布均匀系数与工作压力的关系曲线，由图10可以看出，与沿微喷带方向、垂直于微喷带方向的大致趋势相同，均是先增大再减小。但水量分布均匀系数明显要比水平方向与垂直方向均值要小，最大值在50%左右。根据前面的分析，可以发现管径对水量分布均匀度的影响，主要是由于相同压力下不同管径下通过微喷带的流量差异造成的。

图10 3种微喷带整体水量分布均匀系数与工作压力关系

图11绘制了Ф40微喷带3种计算方式水量分布均匀系数与工作压力变化关系曲线，对比了3种计算方式得到的水量分布均匀系数关系，可以看出先对沿微喷带方向或垂直于微喷带方向水量分布进行计算进一步求均值所得到的面积上的水量分布均匀系数相对于整体求得的均匀系数要高。沿微喷带方向的水量分布均匀系数均值明显大于垂直于微喷带方向水量求解结果与整体有效水量求解结果，这是因为微喷带的沿程水头损失在短距离范围内很小，水量变化不明显。根据计算过程，先根据沿微喷带方向有效水量计算因为先对水平方向上的水量分布进行了分析再进一步求平均，则得出的结果更能显示水平方向的水量分布均匀性。同样的先对垂直于微喷带方向的有效水量进行计算再求平均更能表示垂直方向的水量均匀性。对于水量分布均匀系数的求解方式，应该根据具体要分析的方向进行合理的选择。当实际运行中需要分析沿微喷带方向或垂直方向灌溉效果时，可以采用水平或垂直方向求水量分布均匀系数的平均值；对整体面积上水量分布灌溉效果进行分析时，可以选取整个面积上的水量进行计算水量分布均匀系数。

图11 Ф40微喷带水量分布均匀系数与工作压力关系曲线

3 讨论与结论

微喷带灌溉时水量分布均匀性的影响因素有：首部工作压力、田间铺设方式(间距与长度)及微喷带的结构形式等因素的影响。这些影响因素可以分为内部与外部两个部分，内部影响因素主要包括微喷带的结构形式，如孔组间距、孔径、管径及布孔方式等，对于这些内部影响因素的研究主要可以对微喷带的设计提出一些合理的建议；外部影响因素主要包括微喷带在实际运行中的设置参数，如工作压力值、铺设间距和长度、地面坡度、风速和风向等，通过试验为微喷带在实际灌溉中的参数设置提供理论依据。通过对3种规格微喷带多孔组合喷水水量分布进行试验探究，得到以下结论。

(1)通过探索3种斜五孔微喷带的水量分布, 可以得出结论，管径对微喷带水量分布的影响主要与不同管径下工作压力-流量关系有关,进入微喷带的流量会直接影响沿程的流量，进而影响沿微喷带的流量，对灌溉水的分布有一定的影响。

(2)对微喷带水量分布3种计算方式的分析，可以发现得出的水量分布均匀系数随工作压力的变化趋势相同，但是数值上存在一定差异。在灌溉效果的实际分析中，可以根据重点方向选择计算方法。

(3)通过对水量分布的分析，可以看出微喷带的水量分布在垂直方向有峰值及干燥区；水量分布均匀系数与工作压力的关系不是单一的增大或减小，而是存在最优工作压力值。

微喷带在水平方向上水量分布不均匀主要是沿程压力与泄流量造成的，可以通过探究首尾压差的关系选择合适的工作压力提高水量分布的均匀性；微喷带在垂直方向水量分布存在峰值与干燥区域，根据峰值位置与干燥区域宽度可以通过合理布置相邻微喷带的铺设间距提高实际使用微喷带的灌溉均匀度。