壓力對微噴帶水量分布的影響研究

張 碩，王文娥，胡笑濤

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

微噴帶是在薄壁塑料軟管(盤卷后呈扁平帶狀)的管壁上直接加工以組為單位循環排列的噴孔，通過這些噴孔出水進行灌溉的一種節水灌溉器材。與其他灌溉設備相比，微噴帶具有投資低廉、作用壓力較低、出水量大、對供水供電要求不高、維護保養方便、對作物和土壤沖擊力小等突出優點。中國從20世紀 90年代開始引入、研制和推廣微噴帶節水灌溉技術，在日光溫室和塑料大棚、連棟溫室、大田種植中獲得大量應用。

灌水均勻度直接影響作物生長和產量，是評價灌水質量的一個重要參考指標。張芳[1]對微噴帶噴灑均勻度的影響因素進行了試驗研究，發現影響微噴帶噴灑均勻度的因素有工作壓力、單孔的結構特性及制造工藝、單孔的布置形式和風速風向等。張學軍和吳政文[2]發現微噴帶的水量分布均勻系數Cu總體水平較低，微噴帶的水量分布均勻系數及噴灑寬度受工作壓力的影響很大。已有研究表明工作壓力是控制微噴帶噴灑均勻度的主要參數。本文通過不同首部壓力條件下微噴帶流量、沿程壓力和水量分布試驗，對微噴帶噴灑水量分布的影響因素進行分析，探索微噴帶最佳噴灑均勻度下的壓力值，為微噴帶節水灌溉技術的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗在陜西楊凌西北農林科技大學北校區水工廳內進行。水工廳內無風，試驗設備有變頻恒壓供水裝置、過濾器、閘閥、水表、精密壓力表(量程0.2 MPa，精度0.25級)、自制雨量筒等。試驗使用管徑32 mm和28 mm的微噴帶，兩種微噴帶都采用機械打孔，結構如圖1所示。試驗微噴帶長度為20 m，從微噴帶首端到末端共設置5個測量點，測量點間距為5 m。自制的水量分布量水裝置由木板格子和雨量筒構成，裝置寬80 cm，長240 cm，沿長度和寬度方向每格的長度和寬度均為20 cm，雨量筒直徑為14 cm，將塑料布放置在木格子上，每個雨量筒上的塑料布在對應雨量筒中心的位置剪下直徑為10 mm的孔，并留取一定的凹陷深度以便噴出水流匯集流入雨量筒中，放置在距微噴帶20 cm處。試驗裝置見圖2。

圖1 Φ32和Φ28微噴帶結構示意圖Fig.1 Structure of 32 mm and 28 mm micro jet

注：1-水源；2-恒壓供水設備；3-閘閥；4-水表；5-首部壓力表；6-微噴帶；7-壓力測量點之一；8-尾部壓力表；9-雨量筒；10-木格圖2 微噴帶水量分布特性試驗裝置示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of the test device for water distribution characteristics of micro jet

1.2 試驗方法

先測取各個壓力下的壓力分布情況和壓力流量關系，流量值通過水表讀出。調節壓力，選取不同首端壓力值。噴灌的均勻度常用均勻系數Cu表示：

(1)

式中：n為每行雨量筒的序號，取值1，2，3,…，12；h為雨量筒中水的水量。

微噴帶水平放置、無彎曲，首末端安裝壓力表。打開水源，調節閥門以達到合適范圍內的水壓，首端壓力從10～29 kPa、每1 kPa為一組試驗，共測試20組首端壓力條件下，微噴帶沿程壓力及水量分布，每組試驗重復3次。每次試驗待壓力穩定后3 min開始，讀取測量點的壓力及水表讀數，測量誤差不大于2%，否則對該壓力點重新進行測量。流量穩定后用秒表、水表計算流量。

在每個測量點處放置木格子和雨量筒測定水量分布，微噴帶穩定噴水10 min后，關閉壓力泵，按照雨量筒編號依次測量四列雨量筒內的水量，記錄每個壓力值下雨量筒中的水量和高度。

2 結果與分析

2.1 微噴帶工作壓力與單位長度流量的關系

微噴帶的出流量隨著工作壓力的變化而變化。試驗所用微噴帶極限工作壓力為50 kPa，適宜工作壓力不超過30 kPa，試驗過程中通過分析水量分布可知，當壓力在24～29 kPa范圍，微噴帶噴灑均勻度隨著壓力的增大而減小，29 kPa時的噴灑均勻度僅為65.1%，因此試驗過程中主要測試了10～30 kPa首部壓力范圍內微噴帶的水力性能。微噴灌與滴灌都屬于微灌技術，但沿管道水量出流特性差異很大，滴灌灌水器出流水量集中在灌水器出口下方，兩個灌水器的出流水量相互獨立，而微噴帶水量噴灑范圍大，每組多個噴孔噴出的水流會發生相互碰撞，破碎成水滴下落，每兩組噴孔噴射的水量也會發生重疊，所以文中采用某一首部壓力條件下單位長度(m)微噴帶平均流量進行分析，圖3給出了兩種微噴帶單位長度流量與作用壓力之間的關系曲線。從圖3可以看出，對于Φ32微噴帶，當壓力大于20 kPa時，流量隨著壓力的增大而增加的更快，且有上升的趨勢；對于Φ28微噴帶，當壓力大于19 kPa時，流量隨著壓力的增大而增加的更快。整體上，這兩種微噴帶的工作壓力與單位長度流量存在正相關的關系。相同的工作壓力下，Φ28微噴帶的出流量要小于Φ32微噴帶。

圖3 Φ32和Φ28微噴帶單位長度流量與工作壓力關系曲線Fig.3 Relationship of unit length flow and pressure curve of 32 mm and 28 mm micro jet

在一定壓力范圍內，單位長度微噴帶出流量與壓力的經驗公式可以用公式(2)來表示：

ql=kpx

(2)

式中：ql為單位長度出流量，L/(min·m)；p為工作壓力，kPa；k為流量系數，無量綱；x為流態指數，無量綱。

通過回歸處理，分別得出Φ32微噴帶和Φ28微噴帶壓力流量關系的經驗公式：

Φ32微噴帶ql=0.502p0.885R2= 0.892

(3)

Φ28微噴帶ql=0.2p1.003R2= 0.904

(4)

經驗公式(3)和經驗公式(4)的相關系數R2值分別為0.892、0.904，說明公式(3)和(4)能夠可靠地反映微噴帶單位長度流量和壓力的關系。Φ32微噴帶的壓力與流量符合冪函數關系，Φ28微噴帶的壓力與流量接近線性關系；微噴帶單位長度流量大，沿程損失較大，尤其當微噴帶較細時，沿程相對壓力降低大，出流量受壓力分布影響大，容易造成水量分布不均勻，需要根據微噴帶水力性能確定適宜的工作壓力及鋪設長度。

2.2 沿程壓力分布

微噴帶灌溉屬于沿程泄流管道，隨著沿程泄流管道長度的增加，微噴帶沿程的壓力將逐漸降低，從圖3可知沿程泄流量逐漸減小，管道中輸水量逐漸減小，相同長度微噴帶產生的水頭損失將逐漸減小，因此微噴帶運行過程中沿程壓力分布不是均勻降低的，直接影響到微噴灌的灌水均勻性。本文對30 kPa以下壓力范圍內20組不同首部壓力條件下微噴帶的沿程壓力分布進行了測試，試驗數據顯示，不同首部壓力條件下，沿程壓力分布變化規律類似，圖4給出其中5組(11、15、18、23、29 kPa)試驗結果進行分析。

圖4 Φ32微噴帶不同管首壓力下沿程壓力分布Fig.4 Pressure distribution along the path of 32 mm micro jet with different tube head pressure

圖5 Φ32微噴帶5種工況下的能坡線Fig. 5 Five kinds of working conditions of the slope line of 32 mm micro jet

由圖4可知，五種管首壓力下的沿程壓力分布隨管長的增加有相似的變化規律，即呈現遞減的曲線形式。首端壓力越大，首末兩端壓差越小，且首末兩端的壓差值均在3～5 kPa之間。除了首部壓力11 kPa的情況，5 m間隔下的水頭損失值均為1 kPa，說明沿程水頭損失分布較為均勻。水頭損失比是管首壓力值與測量點壓力值差值跟管首壓力值的比值，水頭損失比曲線越接近于直線，說明水頭損失變化越穩定。圖5給出了Φ32微噴帶在五種管首壓力條件下的能坡線，從圖中可以看出，首端壓力越大，水頭損失變化越均勻。工況二至工況五的水頭損失比分布均勻，水頭損失最大占管首壓力的25%以下，但工況一的水頭損失較大，總水頭損失達到管首壓力的45%，沿程流量變化將超過25%。文獻[3]給出的微噴帶沿程水頭損失經驗公式為：

(5)

式中：q為流量，L/h；d為管徑大小，mm；L為長度，m。

適合管徑20～40 mm、工作壓力0.5～9 m水柱的微噴帶沿程水頭損失的計算。

對Φ28微噴帶的研究發現，相同的管首壓力下，首末兩端的壓力差比Φ32微噴帶的壓差大。這與公式(5)的結果是一致的。另外，首末兩端的壓差還與微噴帶的鋪設長度有關，微噴帶的鋪設長度越長，首末壓差就越大。故在微噴帶的實際應用中，應慎重選擇首端壓力值的范圍和微噴帶的長度，以避免過多的水頭損失。

2.3 水量分布

沿微噴帶輸水方向，每隔5 m設置一測量點測量噴灑水量，每個壓力下共設置5個噴灑水量測量點，且在垂直微噴帶方向上距微噴帶20 cm以內無噴灑水量。通過這5個測量點水量分布曲線觀察沿微噴帶方向上的水量分布情況，垂直微噴帶方向上的水量分布情況由每行量筒內的水量分布曲線決定。不同管首壓力下微噴帶沿管長5個測點噴灑水量分布情況如圖6。

Φ32微噴帶首部壓力為23 kPa時，整體的水量分布最為均勻。但具體哪個壓力下的水量分布情況最好，還需要通過公式(1)計算得出水量分布均勻系數數值來判定。將雨量筒雨量用高度來表示，運用公式(1)，計算各個首端壓力下的5個測量點水量分布均勻系數Cu，見表1。

表1給出了Φ32微噴帶5組首端壓力(11、15、18、23、29 kPa)下每個測量點的水量分布均勻系數，由于缺少壓力值為8 kPa和24 kPa的水量分布，因此補充進行了首端壓力值為8 kPa和24 kPa的水量分布測試，測得Φ32微噴帶水量分布均勻系數分別是56.9%和75.5%，Φ28微噴帶水量分布均勻系數分別為54.1%和69.1%。將Φ32和Φ28兩種微噴帶壓力值與水量分布均勻系數繪制成壓力與Cu值關系曲線，見圖7。

從整體看，Φ32微噴帶噴灑均勻性優于Φ28微噴帶。兩種微噴帶的噴灑均勻系數先隨著壓力的增加而增加，首端壓力為23 kPa情況下，水量分布均勻系數Cu值最大，然后隨著壓力的增加噴灑均勻系數逐漸下降，說明微噴帶存在水量分布均勻的最優運行壓力，并不是壓力越大水量分布越均勻。首端壓力為

圖6 Φ32微噴帶不同管首壓力下沿管長5個測點噴灑水量分布Fig.6 Spraying water distribution of 5 measuring points along the length of 32 mm micro jet under different pressure

管首壓力/kPa各測點壓力及水量分布均勻系數0m壓力/kPaCu/%5m壓力/kPaCu/%10m壓力/kPaCu/%15m壓力/kPaCu/%20m壓力/kPaCu/%111160．81058．4957．1756．7654．6151567．61465．91364．51263．11160．8181871．91775．11669．61567．61465．9232379．42276．62174．92074．11972．2292965．12868．92769．32671．62572．4

圖7 壓力值與Cu值關系曲線Fig.7 Relationship between pressure value and Cu value

23 kPa時，5個壓力測量點的水量分布均勻系數Cu平均值均為最高，即水量分布情況是五種情況下最好的；每種微噴帶都存在某個壓力值使得水量分布均勻系數值最大。在本文試驗微噴帶長度為20 m的情況下，為使其水量分布情況最優，微噴帶運行壓力應在23 kPa上下。故在實際應用中，應保持微噴帶的工作壓力在最優均勻度壓力值附近，以實現較高的噴灑均勻性。

3 結 語

微噴帶水量分布均勻性直接影響灌溉效果，本文通過對兩種不同管徑微噴帶壓力流量及水量分布試驗，對其水力性能和水量分布均勻性進行了分析，得到以下結論：

(1)微噴帶單位長度出流量隨著壓力的增加而增大。Φ32微噴帶的壓力與流量符合指數函數關系，Φ28微噴帶的壓力與流量接近線性關系。

(2)首端壓力越大，首末兩端壓差越小，水頭損失變化越均勻。微噴帶的沿程壓力分布是研究沿微噴帶方向上水量分布的首要條件，壓力受沿程水頭損失的影響而逐漸減小，但5 m間隔下壓力減小的數值不都一樣。在微噴帶的實際應用中，應慎重選擇首端壓力值的范圍和微噴帶的長度，以避免過多的水頭損失。

(3)水量分布均勻系數與其測量點的壓力值密切相關，微噴帶存在水量分布均勻的最優運行壓力，并不是壓力越大水量分布越均勻。微噴帶在管首壓力為23 kPa時水量分布均勻系數值最大，沿微噴帶方向上，為使微噴帶的整體噴灑均勻度較好，在實際應用中應使微噴帶工作壓力保持在最優均勻度對應的壓力值左右。

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