張 碩，王文娥，胡笑濤(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

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(huán)排列的噴孔，通過這些噴孔出水進行灌溉的一種節(jié)水灌溉器材。與其他灌溉設(shè)備相比，微噴帶具有投資低廉、抗堵塞性能強、對供水供電要求不高及對作物和土壤沖擊力小等突出優(yōu)點。壓力水流通過微噴帶上的微孔噴出后與空氣摩擦破碎成小水滴，由于壓力低，破碎后的水滴直徑小，對作物及地表打擊強度小，即雨強小，在日光溫室和塑料大棚、連棟溫室、大田種植經(jīng)濟作物灌溉中獲得大量應(yīng)用。由于壓力較低，也影響到微噴帶的水量分布及灌水均勻度。微噴帶灌水均勻度直接影響作物生長和產(chǎn)量，是評價灌水質(zhì)量的一個重要參考指標(biāo)。周斌[1]對微噴帶單孔水量分布的基本特征進行了試驗研究，提出了濕潤區(qū)面積和濕潤區(qū)寬度的概念，發(fā)現(xiàn)射程隨著噴射角度的增大而先增大后減小。張學(xué)軍和吳政文[2]發(fā)現(xiàn)微噴帶的水量分布均勻性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(shù)。

微噴帶噴水水流如降雨一樣，對于降雨目前已采用激光雨滴譜儀測量降水強度和雨滴直徑，該儀器是以激光為基礎(chǔ)的新一代光學(xué)粒子測量器及氣象傳感器。周黎明等通過激光雨滴譜儀和自動氣象站觀測雨量的對比分析[3]，發(fā)現(xiàn)激光雨滴譜儀探測到的雨量資料與雷達反射率因子之間有更好的一致性，激光雨滴譜儀能夠很好地反應(yīng)降雨強度的變化情況。本文運用激光雨滴譜儀研究微噴帶單孔水量分布特性及整體水量分布特性，為微噴帶節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 激光雨滴譜儀工作原理

激光雨滴譜儀由激光光學(xué)發(fā)射源產(chǎn)生一組平行光束，位于接收端的透鏡光二極管可以測量光強并把它轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)雨滴穿過激光束時產(chǎn)生接收信號，通過減小的振幅計算出雨滴直徑；通過減小信號的持續(xù)時間測得雨滴的下降速度。根據(jù)所有雨滴直徑和速度的統(tǒng)計比例確定降雨類型。該儀器可以監(jiān)測區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各種介于雪花和冰雹之間的降水，可計算各種降水類型的強度、總量、能見度，并進行必要的分析，繪出雨滴譜圖。雨滴譜圖可以顯示出雨滴大小范圍及降落速度范圍和相對應(yīng)的粒子濃度個數(shù)，每分鐘數(shù)據(jù)可以以Excel表格形式輸出[4]。

與傳統(tǒng)的測量方法相比，激光雨滴譜儀在原理上采用的是直接測量機制，這樣就避免了人工反復(fù)處理時所存在的累積誤差；并且對于不同的降水類型，激光雨滴譜儀均可快速準(zhǔn)確地給出雨滴譜圖，具有較強的實時性[4]。

1.2 試驗材料與裝置

試驗地點位于陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)水工廳，該試驗是在無風(fēng)的室內(nèi)進行，試驗設(shè)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)。試驗使用管徑32 mm的微噴帶(沈陽市塑料七廠生產(chǎn))，參數(shù)如下：機械打孔，每米3組孔，每組5孔、孔徑為0.5 mm、孔間距20 mm，結(jié)構(gòu)見圖1，5孔的連線與管軸線夾角為42°，試驗微噴帶長度為20 m。使用精密壓力表測量微噴帶不同位置處的壓力，壓力表精度為0.25級，120網(wǎng)式過濾器，激光雨滴譜儀是德國THIES公司生產(chǎn)的LNM型激光雨滴譜儀，測定對象最小直徑達到0.16 mm，數(shù)據(jù)采集間隔時間為1 min。

圖1 Φ32微噴帶結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 試驗設(shè)計及方法

濕潤區(qū)面積是指單孔噴灑水量所圍成的區(qū)域的面積，灌水強度是指濕潤區(qū)面積上的平均降雨強度。試驗以微噴帶噴射角度、工作壓力為因素，研究噴射角度與灌水強度的關(guān)系以及壓力與灌水強度、噴灑均勻度的關(guān)系。試驗前調(diào)整好微噴帶的位置，只保留一孔噴水，其他孔上方1 cm處進行遮蓋，不影響各孔的噴水量，水流不與待測空口噴射水流混摻；噴射角為水流出射方向與地面的夾角，從10°到80°每隔10°做一組試驗，通過轉(zhuǎn)動微噴帶調(diào)整噴射角，在距離測量噴水孔上游管道3 cm處放置壓力表測取壓力值。在噴射流落地處放置激光雨滴譜儀，連接電腦，微噴帶穩(wěn)定噴水20 min后，關(guān)閉壓力泵，收集電腦中降雨強度曲線數(shù)據(jù)，記錄噴孔射流的降雨強度變化曲線。試驗裝置布置見圖2。

1-水源；2-恒壓供水設(shè)備；3-閘閥；4-水表；5-首部壓力表；6-微噴帶；7-激光雨滴譜儀；8-尾聲部壓力表；9-壓力表(壓力測量點)圖2 微噴帶水量分布特性試驗裝置示意圖(單位：cm)

微噴帶水平放置、無彎曲，總長度設(shè)置為20 m，首末端安裝壓力表。打開水源，調(diào)節(jié)閥門以達到合適范圍內(nèi)的水壓，根據(jù)該微噴帶水力性能及工作壓力為不超過30 kPa、適宜工作壓力為23 kPa，選取24、25、26 kPa 3組壓力作為首端壓力值，沿微噴帶長度方向每隔5 m設(shè)置一壓力測量點，在這幾種工作壓力條件下，微噴帶最大噴幅為240 cm，在垂直微噴帶長度方向上，每隔30 cm設(shè)置降雨強度測量點(如圖2所示L為測量點距微噴帶的距離,cm)，共設(shè)置8個測量點(L=30、60、90、120、150、180、210、240 cm)。每次試驗待壓力穩(wěn)定后3 min開始，使用激光雨滴譜儀測試各測點降雨強度，持續(xù)測量20 min，同時讀取測量點壓力及水表讀數(shù)，測量誤差不大于2%，否則對該壓力點重新進行測量，每組試驗重復(fù)3次。流量穩(wěn)定后用秒表、水表計算總流量。噴灌的均勻度常用均勻系數(shù)Cu表示：

(1)

式中：n為測量點個數(shù)，取值1，2，…，8；h為灌水強度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨強度曲線分析

管首壓力24、25、26 kPa時，沿管道長度方向壓力逐漸降低，見圖3，3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(guī)律，即呈現(xiàn)遞減的曲線形式。首末兩端的壓差值均為4 kPa，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。圖4給出了當(dāng)測量點工作壓力為23 kPa，垂直微噴帶長度方向距離Φ32微噴帶60、120和180 cm處的降雨強度曲線。從圖3可以看出，降雨強度是不斷變化的，這是因為水在微噴帶中是動態(tài)流動的，保持流量和壓力不變的情況下，水流與空氣發(fā)生碰撞被分散。激光雨滴譜儀測取得到的是一段時間內(nèi)的降雨強度變化曲線。先確定噴灑穩(wěn)定時段，取穩(wěn)定噴灑時段中每分鐘降雨強度的平均值，作為該時段的平均降雨強度值。

圖3 不同管首壓力下微噴帶壓力分布

圖4 垂直微噴帶不同位置處降雨強度變化曲線

圖4記錄了微噴帶3個位置處從開始噴水到噴水結(jié)束共15 min的降雨強度變化。水泵開啟之后，降雨強度不斷增大，直到穩(wěn)定階段；當(dāng)關(guān)閉水泵，降雨強度從穩(wěn)定階段逐漸減小至零，但60 cm位置比120 cm位置慢，這是因為受管道壓力的影響，關(guān)閉水泵后距微噴帶60 cm處仍有降水。60 cm位置處第5～11 min是噴灑穩(wěn)定時段，120 cm位置處2～14 min是噴灑穩(wěn)定時段，180 cm位置處第2～12 min是噴灑穩(wěn)定時段，取穩(wěn)定時段每分鐘降雨強度的平均值作為此位置的降雨強度平均值，60 cm位置處的降雨強度為12.95 mm/min，120 cm位置處的降雨強度為27.56 mm/min，180 cm位置處的降雨強度為20.12 mm/min。

2.2 單孔噴射角度與灌水強度的關(guān)系

當(dāng)工作壓力為23 kPa時，噴射角度與灌水強度、濕潤區(qū)面積的關(guān)系見圖5。隨著噴射角度的增大，灌水強度先減小后增大，濕潤區(qū)面積先增大后減小，濕潤區(qū)面積與平均灌水強度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，這是因為在噴孔直徑和工作壓力一定時，微噴帶的流量基本恒定，單孔噴水量保持不變。

2.3 壓力與單孔灌水強度的關(guān)系

改變工作壓力微噴帶流量將隨之變化，總流量變化值是每個噴孔流量變化值之和，單孔流量值可以用平均降雨強度與噴灑面積的乘積來表示，降雨強度值由激光雨滴譜儀測得。對于噴射角度為40°、50°、60°和70°的噴孔，改變工作壓力值，測得單孔噴灑面積內(nèi)的平均降雨強度變化曲線，見圖6。可以看出，噴射角度一定時，壓力值越大，噴射流的降雨強度越小，這是因為壓力越大，噴射水流越趨于分散，噴灑面積越大。噴射角度在40°～70°范圍時，噴射角度越大，降雨強度越大。

圖5 灌水強度與噴射角度、濕潤區(qū)面積關(guān)系曲線(壓力23 kPa)

圖6 一定噴射角度下壓力與灌水強度關(guān)系曲線

2.4 壓力與降雨強度分布的關(guān)系

表1給出了在不同水壓下，20 m長度的微噴帶沿程方向上和垂直方向上的降雨強度分布情況。由表1可以看出，一定壓力下，垂直微噴帶方向上降雨強度隨著距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。壓力越小，出現(xiàn)降雨強度峰值的位置距微噴帶越來越近；壓力越大，出現(xiàn)峰值的位置距微噴帶越來越遠，這是因為壓力越大，微噴帶噴射距離越大，降雨強度峰值位置與微噴帶距離越大。垂直微噴帶距離0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m處，壓力越大，降雨強度越小，這與壓力和噴射距離的關(guān)系有關(guān)，有降雨強度峰值存在的位置則不存在這種規(guī)律。降雨強度峰值位置在1.2 m處的水量分布均勻系數(shù)Cu值較大，壓力測量點壓力值為23 kPa時，Cu值較大。所以，應(yīng)盡量保持微噴帶降雨強度峰值位置在1.2 m處，即壓力值為23 kPa時，微噴帶能達到較好的水量分布情況。

表1 不同壓力下微噴帶降雨強度分布 mm/min

3 結(jié) 語

微噴帶水量分布情況對灌溉效果有重要影響，本文運用激光雨滴譜儀對Φ32微噴帶噴射角度和壓力對其噴灑的影響、單孔水量分布及整體水量分布進行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)微噴帶中水流是動態(tài)的，降雨強度值是不斷變化的，但這種變化很小，微噴帶噴灑只是處于相對穩(wěn)定階段。激光雨滴譜儀測取每分鐘的降雨強度值，先確定穩(wěn)定時段，取穩(wěn)定時段每分鐘降雨強度的平均值作為該時段的降雨強度最終值。

(2)隨著噴射角度的增大，灌水強度先減小后增大，濕潤區(qū)面積則先增大后減小，二者呈現(xiàn)相反的變化趨勢。

(3)壓力越大，微噴帶單孔噴灑水滴越分散，微噴帶單孔噴灑降雨強度越小，濕潤區(qū)面積越大。

(4)垂直微噴帶距離0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m處，壓力越大，降雨強度越小。降雨強度峰值位置在1.2 m處的水量分布均勻系數(shù)Cu值較大，壓力測量點壓力值為23 kPa時，Cu值較大。

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