不同豎管布置方式下的坡地噴灌水滴直徑分布

2018-07-31 09:07:56陳俊英付博陽任乃望

節水灌溉 2018年7期

惠鑫，陳俊英,3，張林，付博陽，任乃望

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100；3.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)

坡耕地是目前廣大丘陵山區群眾賴以生存和發展的生產用地[1]，但是由于長期以來受地形坡度的影響，我國各處坡耕地土壤在不同程度上均具有旱、瘠、薄、粗等特點[2]，常常使得坡耕地上的作物因需水量不足而導致大幅減產，從而影響經濟效益。因此，選取合理的灌溉方式對坡地上的作物及時進行灌溉至關重要，而噴灌具有省工、省水、對地形條件適應能力強等優點，是坡地灌溉的常用方法之一[3,4]。

噴灑水滴直徑是衡量噴灌系統優劣的重要指標[5-7]，其水滴直徑大小直接影響到灌溉水分的利用效率和水滴對地面的打擊強度，國內外學者對此進行了大量研究。李久生[8]研究了水滴平均直徑的不同計算方法，認為水重加權平均法的計算結果能更好地反映水滴分布規律，建議采用水重加權平均法計算水滴的平均直徑。金兆森等[9]進行了不同噴灑水滴對土壤和作物的影響試驗，探求出了適宜作物生長的噴灑水滴大小。嚴海軍等[10]分析了水滴平均直徑和總體水滴直徑分布，探討了水滴直徑與噴頭轉速、噴嘴直徑及工作壓力的關系。Mccreery等通過對水滴直徑分布規律的研究，揭示了噴灑水滴的形成機理。Montero等[12]將試驗研究與數值模擬相結合，重點分析了影響水滴直徑分布的幾種常見因素，得出了工作壓力對水滴直徑分布影響最大的結論。鞏興暉等[13]分析了水滴直徑沿射程的變化趨勢及水滴速度、水滴角度與水滴直徑之間的關系。上述研究以平地噴灌為基礎對噴灑水滴直徑分布特性做了大量探討，卻忽略了地形坡度對噴灌水滴直徑分布特性的影響。如果一味地用平地上的水滴直徑分布數據進行坡地噴灌系統設計，勢必造成較大誤差，因此研究坡地噴灌水滴直徑分布意義重大。而由于地形坡度的存在，坡地噴灌較平地噴灌更易產生地表徑流，造成土壤侵蝕。有學者發現噴頭豎管與坡面保持垂直時可以獲得最佳噴灑均勻度，且對土壤侵蝕最小[14]，但其研究只對噴灌水量分布和均勻度兩個方面進行了分析，并未涉及水滴直徑分布特性方面，因此其研究結果有待繼續驗證。

基于以上問題，該文以雨鳥LF1200型噴頭為研究對象，在室內無風條件下，應用視頻雨滴譜儀分別監測2種豎管布置方式(鉛直布置和垂直于坡面布置)在不同坡度下的水滴直徑和速度等信息，對比分析不同豎管布置方式下水滴平均直徑及水滴頻率沿射程的分布差異，探討水滴速度等和水滴直徑之間的關系，以期為坡地噴灌系統設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院灌溉水力學試驗廳進行。試驗裝置由雨鳥LF1200型噴頭、視頻雨滴譜儀、壓力傳感器、變頻恒壓供水節能控制柜、加壓泵和不銹鋼水箱等組成，如圖1所示。雨鳥LF1200型噴頭(圖2)為農田灌溉中常用的噴頭，其噴嘴直徑為2.18 mm，噴射仰角為17°，工作壓力范圍在170～410 kPa。視頻雨滴譜儀[13](Two-dimensional video disdrometer，以下簡稱2DVD)由奧地利Gratz應用系統研究機構研制，可用其獲取噴灑水滴的直徑和速度等信息。壓力傳感器采用西安新敏CYB型，量程0～500 kPa，精度0.1%，將其安裝在噴頭進口處并與采集器相連，實時監測噴頭工作壓力的變化情況。

1-噴頭；2-壓力傳感器；3-噴頭支架；4-視頻雨滴譜儀；5-電源線；6-數據線圖1 水滴直徑測試試驗裝置圖Fig.1 Experimental setup for drop characterization

圖2 試驗所用噴頭Fig.2 Sprinkler used in the experiment

1.2 試驗設計

試驗因素為豎管布置方式和地形坡度。豎管布置方式設置2個水平，分別為鉛直布置和垂直于坡面布置；地形坡度設置2個水平，分別為0.1和0.2，為了下文敘述方便，用坡度的正值表示下坡，負值表示上坡，即坡度為0.1的上坡和下坡、坡度為0.2的上坡和下坡，分別用-0.1、0.1、-0.2和0.2表示。試驗共8個處理，每個處理重復3次，共進行24組試驗。每組試驗均沿射程方向以1 m(坡面距離)間距設立測點，并用2DVD監測各測點上的水滴直徑和速度等信息，控制各測點收集水滴數量不少于1 000 個，試驗過程中噴頭工作壓力采用額定工作壓力300 kPa(廠家推薦工作壓力)，試驗操作嚴格遵守標準GB/T 19795.2-2005[15]。考慮到在室內通過人為搭建坡面，并把2DVD(質量為80 kg)直接放到坡面上獲取水滴信息十分困難。因此，在實際開展試驗時，是通過調節噴頭安裝高度及改變2DVD與噴頭的水平距離，從而模擬出2DVD在坡面上的不同測點位置，大大簡化了水滴信息的獲取工作。

1.3 計算方法

(1)平均水滴直徑計算。國內外常用的平均水滴直徑計算方法大致分為以下3種：個數加權平均法、體積加權平均法和中數直徑法。李久生研究發現，不同計算方法求得的平均水滴直徑分布差異較大，用個數加權平均法和中數直徑法計算的平均水滴直徑沿射程的分布規律不明顯，而用體積加權平均法計算的平均水滴直徑沿射程的分布更能反映實際情況[8]。因此該文采用體積加權平均法計算各測點處的平均水滴直徑，其計算公式為：

(1)

(2)水滴頻率計算。水滴頻率是指測點某一直徑的水滴質量之和占測點所有水滴質量之和的比值，其計算公式為：

(2)

式中：W為水滴頻率，%；Mk為測點某一直徑的水滴質量之和，g；Mn為測點所有水滴質量之和，g。

(3)水滴速度計算。通過2DVD可直接測得測點各水滴的垂直速度va及在水平方向上相互垂直的2個水平速度vb和vc，從而計算出各水滴的合速度v，其計算公式為：

(3)

2 結果與分析

2.1 不同豎管布置方式下水滴平均直徑沿射程的分布

圖3給出了噴頭工作壓力為300 kPa，坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2時豎管鉛直和垂直于坡面2種布置方式下水滴平均直徑沿射程的分布情況。從圖3可以看出，2種豎管布置方式在任一坡度條件下的水滴平均直徑均隨著與噴頭坡面距離的增加而呈指數型增大，并在射程末端達到最大值；隨著坡度的增大，相同測點在上坡方向時的水滴平均直徑逐漸增大，在下坡方向時逐漸減小。當豎管鉛直布置時，與噴頭坡面距離在6 m范圍以內的水滴平均直徑沿射程的增大趨勢相對較緩，且相同測點在不同坡度下的水滴平均直徑差異較小，但是隨著與噴頭坡面距離的增加，水滴平均直徑沿射程的增大趨勢不斷加快，直徑差異逐漸變大。而當豎管垂直于坡面布置時，水滴平均直徑沿射程的增大趨勢較為穩定，相同測點在不同坡度下的水滴平均直徑沿射程的差異變化不明顯。

圖3 不同豎管布置方式下水滴平均直徑沿射程的分布及回歸曲線Fig.3 Distribution and regression curve of average droplet diameter along spray direction under different layouts of standpipe

2.2 不同豎管布置方式下水滴直徑沿射程的頻率分布

為了更好地反映水滴直徑沿射程的變化規律，圖4和圖5分別給出了噴頭工作壓力為300 kPa，坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2時豎管鉛直和垂直于坡面2種布置方式下水滴直徑沿射程的頻率分布情況。從圖4和圖5可以看出，2種豎管布置方式下水滴直徑沿射程的頻率分布具有一定的相似性，即在噴頭附近，水滴主要以小粒徑為主，隨著與噴頭坡面距離的增加，水滴直徑分布范圍不斷擴大，并在射程末端達到最大。

當豎管鉛直布置時，如圖4所示，距噴頭3 m以內的水滴直徑基本處于1.0 mm以下，不同坡度(-0.1、0.1、-0.2和0.2)下的水滴頻率占比均在96.0%以上，說明當豎管鉛直布置時，噴頭附近的水滴主要以小粒徑為主，且地形坡度對近處水滴直徑的影響較小，水滴蒸發較大。隨著與噴頭坡面距離的增加，水滴直徑分布范圍開始擴大，直徑在1.0～3.0 mm范圍內的適宜噴灑水滴[16]數量在射程的中后段不斷增多，以距噴頭4 m和7 m處的測點為例，前者在坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2下對應的水滴頻率分別為10.6%、7.4%、6.4%和12.8%，而后者相比前者水滴頻率分別增大了51.0%、53.7%、13.7%和48.0%。不難發現，坡度為-0.1和0.1下的水滴頻率增幅相差較小，而坡度為-0.2和0.2下的水滴頻率增幅相差較大，從而說明距噴頭較遠處的水滴直徑受坡度的影響較大，且隨著坡度的增大，上、下坡方向的水滴直徑分布差異越發明顯。隨著與噴頭坡面距離的繼續增加，水滴直徑分布范圍進一步擴大，當與噴頭的坡面距離增至射程末端時，水滴直徑分布范圍擴大到3.0 mm以上。當豎管垂直于坡面布置時，如圖5所示，不同坡度下距噴頭3 m以內的小水滴(直徑小于1.0 mm)頻率均在89.0%以上，隨著與噴頭坡面距離的增加，坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2下距噴頭7 m處的適宜噴灑水滴(直徑在1.0～3.0 mm)頻率相較距噴頭4 m處分別增大了57.4%、51.2%、62.1%和51.8%。由此可見，與豎管鉛直布置相比，豎管垂直于坡面布置時噴頭附近的小水滴數量減少，且射程中后段的適宜噴灑水滴數量增多。因此，豎管垂直于坡面布置不僅能降低噴頭附近的水滴蒸發損失，還能在一定程度上改善噴灌質量。

圖4 豎管鉛直布置下水滴直徑沿射程的頻率分布Fig.4 Frequency distribution of droplet diameter along spray direction with layout of standpipe vertical

圖5 豎管垂直于坡面布置下水滴直徑沿射程的頻率分布Fig.5 Frequency distribution of droplet diameter along spray direction with layout of standpipe perpendicular to the slope

2.3 不同豎管布置方式下水滴直徑與速度的關系

圖6和圖7分別給出了噴頭工作壓力為300 kPa，坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2時豎管鉛直和垂直于坡面2種布置方式下水滴直徑與速度的關系。從圖6和圖7可以看出， 2種豎管布置方式在不同坡度下其水滴速度均隨著直徑的增大而逐漸遞增，且通過回歸分析發現，水滴速度與直徑之間存在一定的對數函數關系。

圖6 豎管鉛直布置下水滴速度與直徑的關系Fig.6 Relationship between droplet velocity and diameter with layout of standpipe vertical

圖7 豎管垂直于坡面布置下水滴速度與直徑的關系Fig.7 Relationship between droplet velocity and diameter with layout of standpipe perpendicular to the slope

表1給出了不同豎管布置方式下水滴速度與直徑的對數函數關系式，從表1可以看出，所有對數函數關系式均可用v=alnd+b的形式來表示，其中v和d分別為水滴的速度和直徑，a和b分別為相應系數。從公式的組成來看，系數a越大時，水滴速度隨直徑的增大趨勢越明顯。當豎管鉛直布置時，坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2下的系數a分別為1.524、1.808、1.380和1.853，按其數值大小對各坡度進行排序如下：0.2>0.1>-0.1>-0.2，說明當豎管鉛直布置時，隨著坡度的增大，上坡方向水滴速度隨直徑的增大趨勢變慢，下坡方向水滴速度隨直徑的增大趨勢加快。而當豎管垂直于坡面布置時，坡度為-0.1、0.1、-0.2和0.2下的系數a分別為1.569、1.674、1.528和1.746，與豎管鉛直布置相比，坡度為-0.1和-0.2下的系數a均有所增大，坡度為0.1和0.2下的系數a均有所減小，因此各坡度下的水滴速度隨直徑的增大趨勢接近。另外從表1還可看出，豎管垂直于坡面布置下水滴速度與直徑的對數相關性更好，其各坡度下的R均在0.70以上，普遍高于豎管鉛直布置下的。