□汪威 湯穎力 馮傳烈 劉云/宜賓市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所

霧灌技術(shù)在低海拔山區(qū)的工程化設(shè)計研究

□汪威 湯穎力 馮傳烈 劉云/宜賓市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所

1 設(shè)計中需要解決的技術(shù)問題

1.1 加壓設(shè)備參數(shù)的設(shè)計

霧灌技術(shù)加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計原理與其他灌溉技術(shù)加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計原理有本質(zhì)不同。霧灌技術(shù)在需要滿足霧化粒度的同時還需滿足觀光視覺要求，在加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計上需要兼顧二者。

1.2 霧化噴頭出水量、出水壓力以及霧化粒度的均衡性控制

霧灌技術(shù)目前多應(yīng)用在與旅游結(jié)合的觀光農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其本質(zhì)是為了人為給低海拔地區(qū)的作物營造一種云霧生長環(huán)境，以達(dá)到既能影響株間小氣候，又能實現(xiàn)旅游觀光的目的。自然環(huán)境中的云霧將光照、溫度、濕度等自然因素有機(jī)結(jié)合形成了云霧氣候，從而影響作物生化物質(zhì)的形成量，確保作物相關(guān)品質(zhì)，然而低海拔區(qū)域不易形成自然環(huán)境中的云霧，同時低海拔山區(qū)地形變化大，噴頭之間的落差極大，易造成噴頭間的出水量、出水壓力以及霧化粒度各不相同，以致于既達(dá)不到灌溉作用又營造不出能影響株間氣候和觀光的云霧帶。目前，要解決在地形落差較大的山區(qū)丘陵地帶大面積內(nèi)噴頭的出水量、壓力和霧化帶形成的均衡控制。

1.3 霧灌技術(shù)可靠性保障

霧灌技術(shù)在地形落差較大的山地實施，管網(wǎng)中各點壓力不均，易造成使用過程中管網(wǎng)嚴(yán)重變形甚至脫落。因此，需要在管道布置上進(jìn)行全面規(guī)劃和正確設(shè)計，以保障使用的可靠性。通過對霧灌工程故障統(tǒng)計分析，得出其可靠性對比，如圖1所示。

圖1 霧灌工程故障發(fā)生率

霧灌設(shè)備安裝完成后，其故障率呈現(xiàn)浴盆曲線形式。開始由于在安裝后調(diào)試期，故障率較高，但隨著調(diào)試結(jié)束，故障率開始下降并趨于穩(wěn)定。建設(shè)在地形復(fù)雜山地的霧灌工程在整個壽命階段的故障率均高于建立在整體地勢平坦的霧灌工程。

水流在高壓作用下從噴射孔高速射出后，霧滴表面張力小于氣動力，從而被空氣破碎成無數(shù)細(xì)小顆粒并在空中懸浮一定時間，形成區(qū)域性的“霧帶”，簡稱霧灌技術(shù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)證明，霧灌的節(jié)水、減耗、增產(chǎn)能力十分顯著，特別適用于經(jīng)濟(jì)作物的灌溉。霧灌技術(shù)在地形復(fù)雜的山地區(qū)域和地形平坦區(qū)域的設(shè)計有很大的差別，其設(shè)計的核心問題是加壓設(shè)備參數(shù)的確定、管網(wǎng)中壓力均衡控制和控制霧化粒度的霧化噴頭設(shè)計。

2 工程實例設(shè)計

本文以某縣山地茶園的霧灌設(shè)計為例進(jìn)行設(shè)計。

2.1 實施區(qū)地形概括

地形影響著整個工程設(shè)計與工程化應(yīng)用。而地形因子最常由坡度和坡向表述。地表上某點的坡度S、坡向A是地形曲面函數(shù)z=f（x,y）在東西、南北方向上的偏導(dǎo)函數(shù)。

式中：fx為南北方向偏導(dǎo)數(shù)；fy為東西方向偏導(dǎo)數(shù)。

而最為直觀的是建立高斯曲面數(shù)字高程模型，確定地勢起伏參數(shù)（最大高程與最小高程之差）、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差和坡度分布頻率，并通過高斯曲面數(shù)字高程模型的復(fù)雜度參數(shù)反映地形復(fù)雜度，即平均坡度α（°）、曲面起伏θ（m）、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差δ（m）。

2.2 首部加壓設(shè)備參數(shù)確定

首部加壓設(shè)備是整個灌溉系統(tǒng)的核心，加壓設(shè)備參數(shù)（流量Q與加壓揚(yáng)程H）的確定需要考慮噴頭、過濾、管水耗損以及地形復(fù)雜程度等因素。其確定如下所示。

式中：Σh為噴頭壓損、過濾裝置壓損、管水耗損，最不利出水高差總和；f(Σh,φ(α,θ,δ))為地形復(fù)雜程度對加壓設(shè)備參數(shù)的影響因子；η為水泵安全系數(shù)，一般為1.10～1.15。

2.3 管網(wǎng)工程設(shè)計

地形起伏復(fù)雜程度對管網(wǎng)中的壓力均衡性影響極大，造成管網(wǎng)水壓難以均衡控制。為了解決地形起伏對整體霧灌效果的影響，需要在管網(wǎng)中分區(qū)域設(shè)置多個關(guān)鍵控制節(jié)點，每個區(qū)域節(jié)點之間相互關(guān)聯(lián)，通過聯(lián)動控制節(jié)點上的流壓比實現(xiàn)流量、壓力、時間的耦合控制，使大面積復(fù)雜的山地分布的噴頭出水壓力穩(wěn)定、霧化粒度均衡。在保證出水量、出水時間一致，壓力穩(wěn)定、平衡的同時，為了最大化霧化效果需采用專用霧化噴頭，從而形成霧狀顆粒大小為100μm左右的霧帶。

2.4 霧化效果

茶園的平均坡度為27.9°，曲面起伏為82.1m，高程標(biāo)準(zhǔn)偏差為45.6m，其霧灌工程霧化效果如圖2所示，灌溉面積33.33hm2。

3 結(jié)語

本文通過引入高斯曲面數(shù)字高程模型的復(fù)雜度參數(shù)反映地形復(fù)雜度，即通過平均坡度α（°）、曲面起伏θ（m）、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差δ（m）等參數(shù)數(shù)值化地形復(fù)雜程度，確定了地形復(fù)雜程度在加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計上的函數(shù)關(guān)系，并通過建立關(guān)鍵節(jié)點控制模式控制管網(wǎng)因地形落差引起的壓力、流量不均衡現(xiàn)象，有效控制了霧化效果和管網(wǎng)故障率。

圖2 山地茶園霧灌效果圖