姜 新，溫 季，郭樹龍，孫東軒(.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 45300；.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 00054)

我國是世界上水資源相對貧乏的國家之一，人均占有量少，僅相當于世界人均水平的1/4，排名第121位[1]。水資源緊缺成為制約我國國民經(jīng)濟的發(fā)展的主要因素之一，農(nóng)業(yè)是用水大戶，農(nóng)業(yè)用水約占全國總用水量的70%，灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水的90%，農(nóng)業(yè)用水的有效利用率僅占40%左右，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨水資源越來越匱乏及用水效率低下的境況[2]。我國頒布的《全國農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要(2012-2020年)》中，提出到2020 年，全國新增節(jié)水灌溉工程面積0.2 億hm2，其中新增高效節(jié)水灌溉工程面積0.1 億hm2以上。因此，隨著節(jié)水增糧工程等政策扶持力度的加大，微灌技術(shù)在國內(nèi)有著巨大的發(fā)展空間和潛力[3,4]。

微噴灌技術(shù)是一種有效調(diào)節(jié)作物水分的先進灌溉技術(shù)，噴水時霧化程度較高，可以調(diào)節(jié)土壤溫度，能較好地控制地表的濕度和溫度，減少病蟲害的發(fā)生，提高作物的品質(zhì)與產(chǎn)量，因此，在設施農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)業(yè)種植中得到了廣泛的應用[5]。微噴灌為低壓灌溉，近地面噴灑水量，漂移和蒸發(fā)損失小，加之微噴灌是局部灌溉，減少了部分土壤無效耗水，因而節(jié)水，同時具有節(jié)能、灌水均勻和灌水質(zhì)量高的特點，微噴灌不僅具有噴灌和滴灌的優(yōu)點，而且克服了二者的主要弊端[6]。微噴頭可分為固定式微噴頭和旋轉(zhuǎn)式微噴頭。 固定式微噴頭包括折射式、縫隙式和離心式等；旋轉(zhuǎn)式微噴頭在水流的沖擊力作用下可以360°全圓旋轉(zhuǎn)。微噴頭的流道大于滴頭，出流形式為噴灑狀態(tài)，抗堵塞性能好于滴灌[7]。微噴灌采用微噴頭將水流以細小的水滴噴灑在作物附近進行灌溉，微噴頭以其適應性強、節(jié)水效果好等優(yōu)點受到全世界廣泛采用[8]。

微噴頭是微噴灌的關(guān)鍵設備，微噴頭性能直接影響到灌水質(zhì)量的高低、灌溉系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性。因此，國內(nèi)外十分重視對灌水器的研制和開發(fā)。目前，國內(nèi)尚無微噴頭噴灑方面的技術(shù)規(guī)范，市場銷售的產(chǎn)品絕大多數(shù)微噴頭都是仿造國外大公司的產(chǎn)品，質(zhì)量差異較大。因此，研究開發(fā)的主副流道旋轉(zhuǎn)體利用不同的流道控制不同遠近的灌溉水量，主流道控制遠處的水量，副流道控制近處的水量，大大提高了噴灑的均勻度，同時保證了旋轉(zhuǎn)體的重心處在旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的中心線上，克服了轉(zhuǎn)動過程中抖動大的現(xiàn)象。產(chǎn)品的研發(fā)對提高國產(chǎn)品牌的市場化占有率具有非常重要的意義。

1 主副流道微噴頭的研制

1.1 旋轉(zhuǎn)式微噴頭的設計

微灌系統(tǒng)中微灌滴頭是重要構(gòu)件，其水力性能對系統(tǒng)的設計和運行有很大的影響。主副流道微噴頭研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是設計一種噴灑均勻、射程遠、轉(zhuǎn)動穩(wěn)定的全圓微灌噴頭旋轉(zhuǎn)體。旋轉(zhuǎn)體中相向設置主流道和副流道的流道形式和技術(shù)參數(shù)是旋轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵部分。圖1為主副流道微噴頭旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)圖，圖2為主副流道旋轉(zhuǎn)微噴頭和單流道微噴頭實物對比圖。

圖1 主副流道微噴頭旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)圖

圖2 主副流道旋轉(zhuǎn)微噴頭和單流道旋轉(zhuǎn)微噴頭實物對比圖

主流道、副流道旋轉(zhuǎn)體包括：旋轉(zhuǎn)體，進水口、主流道、主流道導水槽、副流道、副流道導水槽和上端轉(zhuǎn)動軸組成。主副流道旋轉(zhuǎn)體與支架的連接方式與普通微噴頭相同。旋轉(zhuǎn)體設置主流道和主流道導水槽和設置副流道和副流道導水槽；主流道的導水槽的設計參數(shù)為：圓弧角度42°，半徑105 mm；副流道的設計參數(shù)為：圓弧角度35°，半徑52 mm；考慮到與現(xiàn)有的微噴頭支架的通用性、互換性，主副流道微噴頭旋轉(zhuǎn)體的整體高度與現(xiàn)有微噴頭相同。主流道、副流道在下端的連接處垂懸于噴水嘴上方2 mm處，連接點垂懸端距主流道噴水嘴直徑D的70%，連接點垂懸端距副流道噴水嘴直徑D的30%。副流道的垂直高度是主流道的一半；主流道、副流道的上端采用偏流道，偏流道向相同方向偏轉(zhuǎn)。噴水嘴可設計為不同的直徑大小，以滿足不同的流量需求。

主副流道的最外端分別設計了偏流道，目的是使得在噴灑中水流經(jīng)過該偏流道時產(chǎn)生反作用力，從而推動主副流道旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，文中的設計在主副流道上均設置了偏流道，也可以僅在主流道上或副流道上設計一個偏流道。

1.2 主副流道微噴頭工作原理

微噴頭噴灑時，進入導流槽內(nèi)的水流經(jīng)旋轉(zhuǎn)體中導水槽導流、折射向外噴灑，主副流道的最外端的偏流道使得在噴灑中水流經(jīng)過時產(chǎn)生反作用力，從而推動旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，形成2個環(huán)狀的、互相搭接的噴灑區(qū)。

由于主副流道連接點垂懸端距主流道噴水嘴直徑D的70%，連接處垂懸端距副流道噴水嘴直徑D的30%。通過噴水嘴的水量約70%進入到主流道，這部分水量主要噴灑在外環(huán)狀區(qū)域范圍；通過噴水嘴的水量約30%進入到副流道，內(nèi)環(huán)狀區(qū)域范圍噴灑水量主要由副流道控制。與目前常見的單流道旋轉(zhuǎn)微噴頭相比，由于設計了控制不同范圍2個流道，不僅保證了噴灑區(qū)域內(nèi)水量的均勻性，還可以在滿足噴灑均勻性的前提下，使噴灑的距離更遠。

1.3 水流噴嘴直徑確定

噴嘴的直徑?jīng)Q定了主副流道旋轉(zhuǎn)體的噴灑水量，噴嘴的直徑按式(1)確定：

(1)

式中：d為噴嘴直徑，mm；q為微噴頭流量，m3/h；μ為噴嘴流量系數(shù)，一般取值0.85～0.95；g為重力加速度，9.81 m/s2；P為工作壓力，kPa。

由于文中的主副流道微噴頭與目前現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)微噴頭相比較，過流量較大，同時也根據(jù)灌水時間和不同作物對需水量的要求，在主副流道的研發(fā)過程中，設計了3種規(guī)格的噴嘴直徑，分別為1.5、2.0、2.5 mm。

2 主副流道微噴頭性能測試

2.1 制造偏差

灌水均勻度是衡量灌水器的一個重要指標。主副流道微噴頭在結(jié)構(gòu)設計參數(shù)確定之后，灌水均勻度會受到制造偏差的影響，在微噴頭的設計和研發(fā)中，微噴頭的制造偏差也是保證灌水均勻度的重要指標。制造偏差測試按《微灌灌水器-微噴頭》(SL/T67.3-1994)行業(yè)標準要求進行[9]。

隨機選取25個主副流道微噴頭，在額定工作壓力200 kPa下測試并記錄各個噴頭的流量，測試時間為30 s，根據(jù)式(2)計算流量偏差系數(shù)。

(4)

各種規(guī)格的微噴頭制造偏差系數(shù)見表1。

表1 微噴頭制造偏差數(shù)據(jù)計算表

從表1可以看出，3種噴嘴規(guī)格的主副流道微噴頭Cv值分別為3.36%、3.86%和5.81%，制造偏差在6%以內(nèi)，小于標準規(guī)定的不大于7%的要求，并通過了1 500 h的耐久性試驗。

2.2 壓力-流量關(guān)系

微噴頭的流量和壓力關(guān)系是評價微噴頭水力性能的常用指標。為了檢測3種不同噴嘴直徑的主副流道微噴頭的水力性能，分別對3種不同噴嘴直徑的微噴頭進行壓力-流量關(guān)系測試，測試壓力范圍為50～300 kPa。微噴頭的壓力-流量關(guān)系試驗在每一個設計壓力都重復試驗3次。微噴頭的壓力-流量關(guān)系按式(5)計算：

q=kHx

(5)

式中：q為微噴頭流量，L/h；k為流量系數(shù)；H為工作壓力，kPa；x為流態(tài)指數(shù)。

噴嘴直徑1.5、2.0 和2.0 mm的主副流道微噴頭的壓力-流量關(guān)系曲線見圖3，根據(jù)實測的壓力、流量數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析，即可得出式(5)中的流量系數(shù)k和流態(tài)指數(shù)x的值，不同噴嘴直徑的壓力-流量關(guān)系式見表2。

圖3 旋轉(zhuǎn)式微噴頭壓力-流量關(guān)系曲線

噴嘴直徑/mmQ-P關(guān)系式相關(guān)系數(shù)1.5Q=5.01P0.580.9932.0Q=7.90P0.570.9902.5Q=16.89P0.470.988

壓力對流量影響的敏感程度一般由流態(tài)指數(shù)(x)表示，流態(tài)指數(shù)是小于1的正數(shù)。流態(tài)指數(shù)越小其對流量影響的敏感程度就越小，液態(tài)指數(shù)越大其對流量影響的敏感程度越大。當流態(tài)指數(shù)小于 0.3時，可認為噴灑裝置是壓力補償式，壓力增加帶來的流量變化不明顯；當水流的形態(tài)為層流時，流態(tài)指數(shù)為1，這時壓力-流量曲線為直線。由表2可以看出，研發(fā)的主副流道旋轉(zhuǎn)體在3種噴嘴直徑下，流態(tài)指數(shù)在0.47～0.58之間，為全紊流狀態(tài)，為非壓力補償式，且屬于調(diào)節(jié)功能較好的一類。

2.3 噴灑試驗

主副流道微噴頭的噴灑試驗主要是檢測噴頭的噴灑水量分布情況和有效噴灑直徑。噴灑水量分布是在將噴頭固定在一定高度時，通過點噴灑強度繪制的等值線圖。有效噴灑直徑是從噴頭安裝點為圓心向外輻射的多條直線上最遠噴灑距離，一般最遠噴灑距離的確定原則是該點的噴灑水量不應少于同徑向各點水量的1/10。一般情況下，在滿足噴灑均勻度的條件下，進水口壓力越高，噴灑直徑越大。但隨著壓力的增大，會增加系統(tǒng)中支管、毛管的管材造價，文中的噴灑試驗是在壓力200 kPa下進行的。試驗在余姚樂苗灌溉用具廠進行，試驗所用主副流道旋轉(zhuǎn)體隨機從產(chǎn)品中抽取，并現(xiàn)場裝配不同直徑的噴嘴，本次僅測試了單一噴頭的噴灑狀況，目的是測試主副流道旋轉(zhuǎn)體的噴灑距離和單一噴頭在遠近距離噴灑的水量情況，檢驗副流道對主流道近噴頭處水量的補償。選用3種不同規(guī)格的噴頭，在同一安裝高度0.45 m，同一測試壓力200 kPa，圖4為3種不同噴嘴直徑的水量分布圖。

圖4 不同噴嘴直徑水量分布圖

3 結(jié) 語

主副流道微噴頭由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所自主研發(fā)，并已取得國家發(fā)明專利。設置的主噴水流道和副噴水流道，很好地解決了目前常見的單一流道微噴頭在噴灑有效圓形區(qū)域水量沿射程方向的“外多內(nèi)少”的現(xiàn)象。在實際組合布置中，由于主副流道噴灑克服了單一流道微噴頭噴灑不均勻的特點，可以適當加大田間毛管的間距，節(jié)省一次性的工程投入。

噴灑試驗表明，主副流道微噴頭噴灑效果良好，性能可靠，擴展性強，耐久性好。隨著壓力水頭的增大，相應的有效噴灑直徑也隨之增加，壓力水頭與有效噴灑直徑呈正相關(guān)；隨著壓力水頭的增加，流量也會隨之增加，但增加的程度不大，當壓力水頭由200 kPa增加到250 kPa時，流量僅增加了10%左右，可根據(jù)不同植物的需水要求，通過選用不同直徑的噴嘴達到增加或減少流量的目的。

對主副流道微噴頭的實驗研究，主要是針對研發(fā)的產(chǎn)品進行了關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)測定，下一步可對其他有關(guān)的技術(shù)參數(shù)做進一步試驗，如：主副流道旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速與噴灑參數(shù)的關(guān)系、安裝高度與有效噴灑直徑的關(guān)系等。文中研制的3種不同直徑噴水嘴的主副流道旋轉(zhuǎn)體的高度相同，開發(fā)不同高度的旋轉(zhuǎn)體將使得應用范圍更加廣泛。

[1] 山 侖，康紹忠，吳普特.中國節(jié)水農(nóng)業(yè)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[2] 劉曉敏，王慧軍. 河北省農(nóng)戶采用小麥玉米微噴灌節(jié)水技術(shù)意愿及影響因素分析[J]. 節(jié)水灌溉, 2015,(12)：73-76.

[3] 徐遠軍. 微灌技術(shù)初探[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014，(1)：69-70.

[4] 代利峰.基于文獻計量學的我國微灌技術(shù)發(fā)展階段和特點分析[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2016.

[5] 李援農(nóng)，馬孝義. 節(jié)水灌溉新技術(shù)-噴灌、微灌技術(shù)(2)[J].農(nóng)村實用工程技術(shù)，2002,(12)：13-15.

[6] 李茂穩(wěn).山地果樹微噴灌系統(tǒng)設計[J].噴灌技術(shù), 1985,(4)：9-10.

[7] 李光永.世界微灌發(fā)展態(tài)勢[J].節(jié)水灌溉,2001,(1)：24-27.

[8] 劉曉揚，楊路華，柴春嶺，等. 微噴頭水量分布仿真及組合優(yōu)化研究[J].節(jié)水灌溉，2016,(3):24-26，30.

[9] SL/T 67.3-1994， 微灌灌水器-微噴頭[S].