葛茂生 魏福強(qiáng) 吳普特 張騫文 薛紹鵬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西楊凌 712100;2.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100)

0 引言

優(yōu)良的噴灑水力性能是噴灌技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用的核心目標(biāo)[1],也是充分發(fā)揮噴灌技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要保障。對(duì)噴灌系統(tǒng)噴灑水力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括噴灌強(qiáng)度[2]、噴灑均勻度[3]和水滴打擊強(qiáng)度[4]等。其中噴灌強(qiáng)度取值應(yīng)與土壤入滲率相匹配,以避免地表積水和產(chǎn)生徑流[5-6];噴灑均勻度與作物產(chǎn)量和品質(zhì)、灌溉水利用率以及噴灌系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等密切相關(guān)[7];噴灌水滴對(duì)土壤的打擊是造成土壤團(tuán)聚體破壞和土壤孔隙度降低的直接原因,可導(dǎo)致土壤結(jié)皮和入滲率降低,并引發(fā)土壤侵蝕[8]。因此,適宜噴灌強(qiáng)度、較高噴灑均勻度和較低水滴打擊強(qiáng)度成為噴灌技術(shù)裝備研發(fā)的重要目標(biāo)。

研究人員從噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、噴頭工作壓力、安裝高度或組合間距等參數(shù)的優(yōu)化組合等方面開(kāi)展研究,對(duì)噴灌水力性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化提升[9]。其中,動(dòng)態(tài)水壓噴灑被證明是改善噴灑水力性能的一種有效途徑[10]。葛茂生等[11]研究表明動(dòng)態(tài)水壓下低壓折射式噴頭的噴灌強(qiáng)度和動(dòng)能強(qiáng)度峰值顯著降低。付博陽(yáng)等[12]進(jìn)一步探討了坡地噴灌中,動(dòng)態(tài)水壓噴灑對(duì)水量分布以及噴灑均勻度的影響。王新坤等[13]基于射流附壁效應(yīng)設(shè)計(jì)出一種具有脈沖特性的負(fù)壓反饋射流噴頭,實(shí)現(xiàn)在主副噴嘴間連續(xù)交替性脈沖射流,并探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流脈沖特性的影響。

盡管動(dòng)態(tài)水壓噴灑通過(guò)改善噴灑水量分布,顯著降低了噴灌強(qiáng)度和動(dòng)能強(qiáng)度的峰值,但未能在保證較大噴頭射程的前提下降低噴頭流量和平均噴灌強(qiáng)度。在坡地和黏性土噴灌時(shí),允許噴灌強(qiáng)度大幅降低,仍存在較高的地表積水和徑流風(fēng)險(xiǎn)[14]。脈沖寬度調(diào)制變量控制技術(shù)將連續(xù)噴灑轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇脈沖噴灑,通過(guò)調(diào)節(jié)噴灑頻率和脈沖噴灑時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭流量的精量調(diào)控,成為目前變量噴灌的主流方法之一[15]。這種技術(shù)多應(yīng)用于大型移動(dòng)式變量噴灌系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文基于壓縮空氣調(diào)節(jié)能量存儲(chǔ)與釋放過(guò)程的思路,開(kāi)發(fā)一種新型動(dòng)態(tài)水壓間歇式脈沖噴灌裝置,同步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水壓噴灑和間歇脈沖噴灑。在動(dòng)態(tài)水壓間歇脈沖噴灌條件下,對(duì)噴頭的噴灌強(qiáng)度、噴灑均勻度和水滴打擊強(qiáng)度等水力性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè),并與恒壓連續(xù)噴灑條件下的水力性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證動(dòng)態(tài)水壓間歇式脈沖噴灌技術(shù)的可行性,以期為協(xié)同優(yōu)化噴灌水力性能指標(biāo),綜合提升噴灌灌溉質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)態(tài)水壓間歇脈沖噴灑原理

通過(guò)壓縮空氣對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)與釋放調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)間歇式動(dòng)態(tài)水壓脈沖噴灑,原理如下:灌溉水經(jīng)水-泵加壓后注入圖1所示的密閉水氣罐,隨著罐體內(nèi)水量的增加,罐內(nèi)空氣被壓縮,空氣分子勢(shì)能隨之升高,該過(guò)程可實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的存儲(chǔ);當(dāng)罐內(nèi)空氣分子勢(shì)能達(dá)到預(yù)定值后,罐體下方出水閥門(mén)開(kāi)啟,水氣罐內(nèi)水流經(jīng)噴頭射出,空氣體積增大,空氣分子勢(shì)能和罐內(nèi)壓力隨之降低。噴灑過(guò)程在一定時(shí)長(zhǎng)后停止,完成一個(gè)脈沖噴灑周期以及一次能量的存儲(chǔ)與釋放過(guò)程,如此循環(huán)往復(fù),形成周期性的能量存儲(chǔ)、釋放和脈沖噴灑。

圖1 間歇式動(dòng)態(tài)水壓循環(huán)脈沖噴灑及閥控原理圖Fig.1 Intermittent dynamic hydraulic cyclic pulse spraying and valve control schematic1.供水桶 2.水泵 3.水氣罐 4.數(shù)顯壓力表 5.壓力開(kāi)關(guān) 6.延時(shí)繼電器 7.電磁閥 8.壓力變送器 9.噴頭

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)試驗(yàn)廳進(jìn)行。搭建圖2所示的循環(huán)脈沖噴灌測(cè)試平臺(tái),其中試驗(yàn)噴頭選用ZY-2型中壓搖臂式噴頭,主噴嘴口徑7.0 mm,副噴嘴口徑3.1 mm,主噴嘴仰角為27°,噴頭距地面高度為2.5 m;電磁閥選用徽正牌直流常閉型電磁閥(DN25,1寸,ED:100%,IP:00/65);壓力變送器選用CYYZ208型壓力變送器(輸出信號(hào)4～20 mA,RS485通訊協(xié)議,量程0～1 MPa,精度0.5%FS);數(shù)字變送器選用TDA-04D6六路變送器(RS485通訊協(xié)議,采樣精度1/100 000);模擬量采集模塊選用舟正科技公司生產(chǎn)的DAQM4206C-12路模擬量采集模塊(RS485通訊,標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU,精度±1‰);水泵選用DC24V 210-5型隔膜泵(設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.3 MPa,額定流量0.96 m3/h,額定功率140 W);水表選用SM-10型智能電子遠(yuǎn)傳臥式水表(過(guò)載流量為7.87 m3/h,精度±3%);水氣罐選用立式碳鋼水氣罐(防爆等級(jí)1.6 MPa,容積30 L)。

圖2 裝置實(shí)物圖Fig.2 Schematic of physical device1.ZY-2型搖臂式噴頭 2.壓力變送器 3.電磁閥 4.壓力開(kāi)關(guān) 5.壓力變送器 6.數(shù)據(jù)采集器 7.24 V直流電源 8.電源控制器 9.水源 10.水泵 11.壓力表 12.SM-10型臥式水表 13.延時(shí)繼電器

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究開(kāi)展間歇式動(dòng)態(tài)水壓循環(huán)脈沖噴灑與連續(xù)恒定壓力噴灑室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)比分析兩種噴灑模式下的噴灑水力特征參數(shù)。根據(jù)選用噴頭類(lèi)型,連續(xù)恒定壓力噴灑條件下選定噴頭的工作壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。為保證間歇?jiǎng)討B(tài)壓力噴灑條件下噴頭具有相同噴灑控制面積,調(diào)節(jié)壓力開(kāi)關(guān)使間歇式脈沖噴灑條件下的噴灑啟動(dòng)壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。調(diào)節(jié)延時(shí)繼電器設(shè)定一次脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)為3 s。每組試驗(yàn)測(cè)定時(shí)長(zhǎng)1 h,重復(fù)測(cè)定3次。

1.4 測(cè)定與計(jì)算指標(biāo)

1.4.1噴頭壓力與流量

噴頭實(shí)時(shí)工作壓力由安裝在噴頭下方20 cm處的數(shù)字壓力變送器測(cè)得,采樣間隔0.02 s。噴頭流量通過(guò)安裝在供水管路上數(shù)字遠(yuǎn)傳水表獲得,采集系統(tǒng)自動(dòng)讀取測(cè)試前后的水表示數(shù),兩者差值即為噴頭流量。

1.4.2徑向噴灌強(qiáng)度

噴頭徑向噴灌強(qiáng)度通過(guò)沿噴頭徑向布置的雨量桶(開(kāi)口直徑19.8 cm,高度12.2 cm)實(shí)測(cè)獲得。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格參照GB/T 27612.3—2011[16]進(jìn)行,雨量桶的布置采用放射線(xiàn)布置法在以噴頭為端點(diǎn)引出的3條射線(xiàn)上(射線(xiàn)夾角30°),以1 m間隔布設(shè)并保證雨量桶數(shù)量覆蓋噴頭射程,每次噴灑完成后采用稱(chēng)重法得到各點(diǎn)凈噴灌水量,除以雨量桶面積即為該點(diǎn)噴灌強(qiáng)度。

1.4.3噴灑均勻度

將實(shí)測(cè)徑向水量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer軟件,通過(guò)克里金插值轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)[17]。由于考察單噴頭噴灑均勻度不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,本文采用正方形組合設(shè)計(jì)進(jìn)行噴頭水量分布組合疊加,組合間距分別取16、18、20、22、24 m,并根據(jù)典型疊加區(qū)域內(nèi)的水量分布計(jì)算噴灑均勻系數(shù)。為綜合考察噴灑水量分布的整體均勻性并防止出現(xiàn)局部漏噴,分別計(jì)算克里斯欽森均勻系數(shù)Cu和分布均勻系數(shù)Du,計(jì)算公式為[18-19]

(1)

(2)

式中hi——測(cè)點(diǎn)i水深,mm

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)

1.4.4水滴打擊強(qiáng)度

水滴打擊強(qiáng)度是以噴灑水滴動(dòng)能表示。通過(guò)2DVD實(shí)測(cè)得到水滴數(shù)目和速度,計(jì)算得到噴灑水滴動(dòng)能。而噴灑水滴動(dòng)能以單位體積動(dòng)能和動(dòng)能強(qiáng)度表征。本研究通過(guò)奧地利Joanneum Research公司生產(chǎn)的2DVD視頻雨滴譜儀實(shí)測(cè)得到水滴粒徑和速度。測(cè)點(diǎn)布置與徑向噴灌強(qiáng)度測(cè)試保持一致,沿噴頭徑向以1 m間隔布置,每處測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng) 5 min,在噴灑末端水滴數(shù)目較少的測(cè)點(diǎn)適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間,保證采集水滴數(shù)不低于5 000個(gè)。每處測(cè)點(diǎn)完成測(cè)試后,將2DVD視頻雨滴譜儀轉(zhuǎn)移至下一測(cè)點(diǎn)繼續(xù)測(cè)量。

(1)水滴粒徑與速度

2DVD內(nèi)置兩臺(tái)垂直放置的CCD相機(jī)對(duì)通過(guò)測(cè)試區(qū)的每一顆水滴進(jìn)行掃描,并根據(jù)水滴在光柵中形成的正交投影計(jì)算得出水滴的三維形狀參數(shù)[20]。噴灑落在測(cè)點(diǎn)處的水均由一系列不同粒徑的水滴組成,一般以等效粒徑作為各處的特征粒徑,體積加權(quán)平均粒徑被認(rèn)為能夠較好地反映噴灑液滴的尺寸分布[21],計(jì)算式為

(3)

式中dv——體積加權(quán)平均粒徑,mm

m——該測(cè)點(diǎn)處的水滴數(shù)目

di——第i個(gè)水滴粒徑,mm

2DVD內(nèi)置光源形成間距為6.2 mm的兩個(gè)平行光片層,2DVD通過(guò)計(jì)算水滴通過(guò)兩個(gè)光片層的時(shí)間與水平偏移量獲取水滴的垂直分速度vv和水平分速度vh。則水滴的落地速度v與落地角度α分別為

(4)

(5)

由于各測(cè)點(diǎn)處均有大量不同速度的水滴,為反映水滴速度沿噴灑徑向變化的一般規(guī)律,將每處測(cè)點(diǎn)所有水滴視為一個(gè)整體,并賦予它們一個(gè)等效速度veq,則有[22]

(6)

式中ρw——水密度,kg/m

vi——第i個(gè)水滴落地速度,m/s

(2)單位體積動(dòng)能和動(dòng)能強(qiáng)度

噴灑水滴動(dòng)能在實(shí)測(cè)水滴粒徑和速度的基礎(chǔ)上計(jì)算獲得,包括動(dòng)能強(qiáng)度SP和單位體積動(dòng)能[23-24],計(jì)算式為[25]

(7)

其中

式中P——測(cè)點(diǎn)徑向噴灌強(qiáng)度,mm/h

KEV——單位體積動(dòng)能,J/L

2 結(jié)果與分析

2.1 噴頭壓力與流量

連續(xù)與間歇噴灑條件下噴頭的工作水頭對(duì)比如圖3所示。間歇噴灑條件下噴頭的工作狀態(tài)可分為間歇期和脈沖噴灑期,啟動(dòng)壓力0.2、0.3、0.4 MPa下,間歇期時(shí)長(zhǎng)隨噴灑啟動(dòng)壓力的升高而增加,脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)占總時(shí)長(zhǎng)的比例分別為34.6%、25.9%和23.2%。取一次“間歇期+脈沖噴灑期”為一個(gè)完整的脈沖噴灑周期,則噴灑啟動(dòng)壓力0.2、0.3、0.4 MPa下完成7個(gè)完整噴灑周期的時(shí)間分別為80.5、104.2、115.8 s。

圖3 連續(xù)與間歇噴灑條件下噴頭工作水頭對(duì)比Fig.3 Comparison of sprinkler working pressure under continuous and intermittent spraying conditions

此外,脈沖噴灑階段噴頭工作壓力呈現(xiàn)“急速上升—波動(dòng)下降—急速下降”3個(gè)階段,其中急速上升和下降階段時(shí)間短,波動(dòng)下降階段在整個(gè)脈沖噴灑過(guò)程中占據(jù)較大比例。在急速上升階段,水氣罐內(nèi)能量快速釋放,承壓水以沖擊波形式到達(dá)噴頭位置;在波動(dòng)下降階段,隨著水氣罐內(nèi)能量隨射流過(guò)程釋放,水壓逐漸降低;在急速下降階段,電磁閥在達(dá)到預(yù)定噴灑時(shí)間后關(guān)閉,噴頭處水壓隨管道內(nèi)殘余水分的噴出而迅速降低。由于噴頭工作壓力是決定噴灑水力特性的重要因素[26],噴頭工作壓力的波動(dòng)下降特征是影響噴灑水量分布的關(guān)鍵。如圖3所示,3種啟動(dòng)壓力下噴頭的泄壓過(guò)程均呈對(duì)數(shù)型下降趨勢(shì),噴頭工作水頭波動(dòng)范圍分別為8.7～20 m、16.0～30 m和12.3～40 m,相同時(shí)間內(nèi)噴頭水頭的降幅分別為11.3、14.0、27.7 m。

由圖4可知,連續(xù)噴灑工作壓力0.2、0.3、0.4 MPa下噴頭流量分別為2.99、3.39、3.54 m3/h,而0.2、0.3、0.4 MPa間歇噴灑下的噴頭流量為0.89、0.60、0.61 m3/h。由于兩種噴灑模式下噴頭射程相同,這意味著間歇噴灑條件下平均噴灌強(qiáng)度降低70.23%～82.77%。兩種噴灑模式下噴頭流量隨工作壓力的變化規(guī)律呈相反趨勢(shì)。連續(xù)噴灑條件下,噴頭流量隨工作壓力的升高而增大,符合孔口出流一般規(guī)律。間歇噴灑條件下,噴頭流量隨工作壓力的升高而降低。這是由于間歇期時(shí)長(zhǎng)隨噴頭起始工作壓力升高而變長(zhǎng):一方面間歇期向水氣罐內(nèi)的注水量隨噴頭起始工作壓力的升高而增加;另一方面由于水泵與罐體直接相連,水泵流量隨罐體內(nèi)壓力的提升而減小。因此,盡管間歇噴灑條件下,較高的噴灑啟動(dòng)壓力帶來(lái)更高的一次噴灑量,但也減小了相同時(shí)段內(nèi)的噴灑次數(shù),間歇噴灑條件下噴頭流量由一次脈沖噴灑量和噴灑次數(shù)共同決定。

圖4 連續(xù)與間歇噴灑條件下噴頭流量對(duì)比Fig.4 Comparison of nozzle flow under continuous and intermittent spraying conditions

2.2 徑向噴灌強(qiáng)度

對(duì)比連續(xù)與間歇脈沖噴灑條件下的徑向噴灌強(qiáng)度(圖5)可知,連續(xù)噴灑下的徑向噴灌強(qiáng)度呈臺(tái)階狀分布,近噴頭3 m范圍內(nèi)噴灌強(qiáng)度較高,為8.5～11.5 mm/h,形成一級(jí)臺(tái)階;在3～5 m范圍內(nèi)噴灌強(qiáng)度迅速降低至4～6 mm/h,并在外圍區(qū)域保持穩(wěn)定,為二級(jí)臺(tái)階。與連續(xù)噴灑不同,間歇脈沖噴灑條件下的徑向噴灌強(qiáng)度呈雙峰型分布,除了近噴頭處噴灌強(qiáng)度峰值之外,在60%～70%噴頭射程位置處,出現(xiàn)了第2個(gè)噴灌強(qiáng)度峰值。結(jié)合間歇脈沖噴灑條件下的噴頭工作壓力分析,在一次脈沖噴灑過(guò)程中,噴頭壓力呈現(xiàn)由大變小的動(dòng)態(tài)變化,當(dāng)噴頭工作壓力降低到低值區(qū)時(shí),噴頭射程和水流破碎程度均顯著降低。如噴灑啟動(dòng)壓力0.4 MPa脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng) 3 s 間歇噴灑條件下,噴頭的工作壓力低值為0.123 MPa,此時(shí)水量集中降落的位置約為工作壓力0.4 MPa下噴頭射程的63.2%。此外,受?chē)姙C(jī)制的影響,間歇脈沖噴灑在噴灑啟動(dòng)壓力0.2、0.3、0.4 MPa下的峰值噴灌強(qiáng)度僅為連續(xù)噴灑條件的33.0%、12.7%和13.0%。

圖5 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向噴灌強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison of radial water distribution under continuous and intermittent spraying conditions

2.3 噴灑均勻度

圖6為連續(xù)和間歇脈沖噴灑條件下,不同噴頭組合間距典型噴灑域內(nèi)水量分布的克里斯欽森均勻系數(shù)和分布均勻系數(shù)。從圖中可知,間歇脈沖噴灑條件下的噴灑水量分布均勻性略低(5.8%～14.1%)于連續(xù)噴灑條件,但水量分布均勻性程度仍處于可接受范圍之內(nèi),除噴灑啟動(dòng)壓力0.2 MPa脈沖噴灑時(shí)間3 s下,在大組合噴灑間距時(shí)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的漏噴外,其他噴灑啟動(dòng)壓力和各組合間距下的Cu均在75%以上,最高可達(dá)83.3%,能夠滿(mǎn)足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[27]對(duì)于固定式噴灌系統(tǒng)噴灑均勻度不應(yīng)低于75%的要求。間歇脈沖噴灑條件下水量分布均勻系數(shù)Du一般在70%以上,部分組合間距下出現(xiàn)局部漏噴,可以通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整組合間距和一次脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 連續(xù)和間歇各工況下相鄰噴頭組合間距噴灑均勻系數(shù)Cu和Du分布Fig.6 Distribution of uniform coefficients Cu and Du at combined spacing between adjacent sprinklers under continuous and intermittent conditions

2.4 水滴打擊強(qiáng)度

2.4.1噴灌水滴粒徑分布

連續(xù)噴灑條件下噴灑水滴體積加權(quán)平均粒徑隨與噴頭距離的增加呈指數(shù)型增加(圖7)。隨工作壓力升高,水滴粒徑呈減小趨勢(shì),噴頭工作壓力0.2、0.3、0.4 MPa下各點(diǎn)體積加權(quán)平均粒徑的極值分別為5.49、3.60、3.23 mm。間歇噴灑條件下噴灑水滴體積加權(quán)平均粒徑與距噴頭距離的增加為波動(dòng)提升,不再具有指數(shù)型增加的特征。間歇式噴灑條件下各點(diǎn)處的體積中值粒徑均大于連續(xù)噴灑條件,為后者的1.06～3.19倍,并且在靠近噴頭射程中部的區(qū)域,兩種噴灑模式下的水滴粒徑存在較大差異。

圖7 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向水滴粒徑分布對(duì)比Fig.7 Comparison of radial droplet size distribution under continuous and intermittent spraying conditions

為進(jìn)一步明晰造成粒徑差異的原因,以工作壓力0.3 MPa距噴頭10 m位置處的噴灑水滴的粒徑組成為例進(jìn)行分析。由圖5、 7可知,間歇和連續(xù)噴灑條件下,上述位置處的噴灌強(qiáng)度分別為0.92 mm/h和4.83 mm/h,體積中值粒徑分別為1.28 mm和3.3 mm。以間距0.4 mm對(duì)水滴粒徑組成進(jìn)行分組,間歇和連續(xù)噴灑條件下,2 mm以下水滴數(shù)目占總水滴數(shù)目的比例分別為95.44%和99.70%(圖8a),間歇噴灑條件下存在更多大粒徑水滴,粒徑最大值超過(guò)6.4 mm,而連續(xù)噴灑條件下的水滴粒徑最大值不超過(guò)3.2 mm。由不同粒徑水滴的體積貢獻(xiàn)率可知,連續(xù)噴灑條件下2 mm以下水滴對(duì)體積貢獻(xiàn)率達(dá)到98.69%,與數(shù)目占比基本一致,但間歇脈沖噴灑條件下2 mm以下水滴的體積貢獻(xiàn)率僅為34.82%,近65%的水量是由數(shù)目占比為4.56%的大粒徑水滴所貢獻(xiàn)。

圖8 0.3 MPa間歇和連續(xù)噴灑條件下10 m位置處噴灑水滴粒徑與體積貢獻(xiàn)率Fig.8 Particle size and volume contribution rate of spray droplets at 10 m position under intermittent and continuous spraying conditions of 0.3 MPa

由此可知,各點(diǎn)位置處的水滴均由不同粒徑水滴組成,其中絕大多數(shù)為2 mm以下的小粒徑水滴。與連續(xù)噴灑相比,間歇脈沖噴灑條件下的大粒徑水滴數(shù)目增多,水滴粒徑范圍更廣,2 mm以上粒徑水滴對(duì)灌水體積的貢獻(xiàn)率達(dá)到65%左右,這也是造成間歇噴灑條件下體積加權(quán)平均粒徑顯著大于連續(xù)噴灑條件的直接原因。

2.4.2噴灌水滴速度和動(dòng)能分布

圖9為連續(xù)與間歇噴灑條件下的水滴等效速度分布,連續(xù)噴灑條件下各點(diǎn)的等效速度隨與噴頭距離的增加呈指數(shù)型增加,與體積加權(quán)平均粒徑的變化規(guī)律相似,說(shuō)明大粒徑的水滴具有更高的落地速度,這在朱興業(yè)等[28]研究中得到證實(shí)。由于間歇脈沖噴灑條件下噴灑水滴粒徑偏大,因而水滴等效速度也更高,為連續(xù)噴灑條件下等效速度的1.06～2.34倍。

圖9 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向水滴等效速度分布Fig.9 Equivalent velocity distribution of radial water droplets under continuous and intermittent spraying conditions

與天然降水水滴相比,噴灌水滴受射流狀態(tài)的影響,在水平與垂直方向均有分速度,導(dǎo)致水滴具有水平和垂直能量分量,并對(duì)地表產(chǎn)生水平剪切力和垂向壓力,這是造成噴灌條件下表層土壤團(tuán)聚體破碎、濺蝕和土壤結(jié)皮的重要因素。圖10為不同工作壓力下間歇脈沖噴灑和連續(xù)噴灑下各測(cè)點(diǎn)噴灑水滴動(dòng)能的水平和垂直能量占比,連續(xù)噴灑條件下水滴動(dòng)能以垂直分量為主,不同工作壓力下各測(cè)點(diǎn)動(dòng)能垂直分量占比分別為53%～95%、68%～96%和73%～96%;相同工作壓力下,間歇脈沖噴灑條件噴灌水滴動(dòng)能的水平分量顯著提升,高于連續(xù)噴灑條件水平分量34.5%、18.6%和13.5%。

圖10 連續(xù)與間歇噴灑條件下噴灑水滴動(dòng)能水平和垂直分量占比Fig.10 Proportion of horizontal and vertical components of kinetic energy of spray droplets under continuous and intermittent spraying conditions

為明晰造成上述動(dòng)能分量差異的原因,以工作壓力0.3 MPa距噴頭10 m位置處噴灑水滴為例,對(duì)比相同粒徑水滴的落地角,如圖11所示。連續(xù)噴灑條件下,該處水滴的水平方向速度分量較小,水滴落地角集中在85°以上,粒徑0.5 mm和1.5 mm水滴平均落地角為85.59°和84.71°,僅有少量水滴具有小落地角,這部分水滴可能是由大水滴二次破碎形成[29]。相比之下,間歇噴灑條件下噴灑水滴的落地角呈明顯的周期性減小趨勢(shì),粒徑0.5 mm和1.5 mm水滴的落地角分別為75.47°和75.25°,較連續(xù)噴灑下降10°左右。這是由噴頭水壓的周期性升高和降低,水流從測(cè)點(diǎn)位置上方周期性?huà)哌^(guò)所造成的,也是間歇噴灑條件下噴灑水滴動(dòng)能具有較高水平分量的直接原因。

圖11 0.3 MPa間歇和連續(xù)噴灑條件下10 m位置處不同水滴粒徑落地角對(duì)比Fig.11 Comparison of drop particle size landing angle at 10 m position under intermittent and continuous 0.3 MPa spraying conditions

2.4.3噴灑水滴動(dòng)能分布

受間歇式噴灑的噴頭動(dòng)態(tài)工作壓力的影響,距噴頭相同位置處的水滴粒徑和速度均高于連續(xù)噴灑條件,因此間歇噴灑條件下噴灑水滴的單位體積動(dòng)能也高于連續(xù)噴灑條件,工作壓力0.2、0.3、0.4 MPa下各測(cè)點(diǎn)單位體積動(dòng)能較連續(xù)噴灑條件分別高63.8%、57.2%和37.9%。

此外,從圖12可知,間歇脈沖噴灑條件下的動(dòng)能強(qiáng)度峰值內(nèi)縮,向靠近噴頭處偏移,這對(duì)于提升噴灌質(zhì)量具有促進(jìn)作用。因?yàn)閺膭?dòng)能強(qiáng)度計(jì)算公式可知,噴灑水滴動(dòng)能強(qiáng)度同時(shí)取決于該點(diǎn)處的單位體積動(dòng)能和噴灌強(qiáng)度。由圖13可知,單位體積動(dòng)能隨著與噴頭距離的增加而升高,而連續(xù)噴灑條件下,在靠近噴頭射程末端位置處,往往具有相對(duì)高值的噴灌強(qiáng)度,兩者共同作用下將使靠近射程末端位置處產(chǎn)生動(dòng)能強(qiáng)度峰值點(diǎn)。間歇式噴灌條件下,盡管單位體積動(dòng)能也隨與噴頭距離的增大而增大,但由于噴灌強(qiáng)度峰值點(diǎn)明顯回縮,造成單位體積動(dòng)能和噴灌強(qiáng)度峰值的錯(cuò)峰效應(yīng),因而動(dòng)能強(qiáng)度峰值也產(chǎn)生了內(nèi)縮,并在數(shù)值上表現(xiàn)出明顯的降低趨勢(shì),動(dòng)能強(qiáng)度峰值降幅50.6%～70.9%。

圖12 連續(xù)與間歇噴灑條件下動(dòng)能強(qiáng)度對(duì)比Fig.12 Kinetic energy intensity comparison between continuous and intermittent spraying conditions

圖13 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向單位體積動(dòng)能對(duì)比Fig.13 Comparison of radial kinetic energy per unit volume under continuous and intermittent spraying conditions

3 討論

本研究中,脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)占噴灌總時(shí)長(zhǎng)的23.2%～34.6%,噴頭流量較連續(xù)噴灑降低70.23%～82.77%,降低地表徑流和表層土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際應(yīng)用中,面對(duì)不同的氣象條件、土壤與作物類(lèi)型和地面坡度等對(duì)噴灌強(qiáng)度的實(shí)際需求,可能需適度降低噴灌強(qiáng)度、保證系統(tǒng)運(yùn)行效率。此時(shí)不宜將系統(tǒng)流量取值過(guò)低,避免出現(xiàn)噴灑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、蒸發(fā)漂移損失量增加等問(wèn)題[30]。此時(shí)可調(diào)節(jié)間歇時(shí)長(zhǎng)和脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)所占比例對(duì)噴灌強(qiáng)度進(jìn)行靈活調(diào)整,具體可通過(guò)噴灑水量的“供給”和“需求”兩個(gè)角度達(dá)到調(diào)整目標(biāo):一方面可選擇適宜的水泵型號(hào),水泵的壓力流量特性決定了向水氣罐內(nèi)注水的流量,進(jìn)而影響脈沖式噴灑的間歇時(shí)長(zhǎng)和噴灑時(shí)長(zhǎng)占比;另一方面可以通過(guò)優(yōu)化管路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)水氣罐容積、噴頭類(lèi)型與噴頭數(shù)目間的優(yōu)化匹配(如一罐一噴頭、一罐多噴頭等組合方式),靈活調(diào)整系統(tǒng)噴灌強(qiáng)度。

研究結(jié)果表明,間歇式脈沖噴灑水力特性受?chē)婎^動(dòng)態(tài)工作壓力的顯著影響,這在靳彬彬[31]研究中也得到證明。本研究是在脈沖壓力0.2、0.3、0.4 MPa和脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)3 s內(nèi)測(cè)得的,噴頭的動(dòng)態(tài)壓力過(guò)程線(xiàn)和動(dòng)態(tài)水壓特征參數(shù)較單一。葛茂生等[11]研究了動(dòng)態(tài)水壓特征參數(shù)對(duì)水量分布特性的影響,可以此為切入點(diǎn),通過(guò)對(duì)脈沖壓力和脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)的多組合擇優(yōu),獲得間歇脈沖噴灌條件下更加理想的噴灑水力特性。

噴灌系統(tǒng)具有對(duì)田間小氣候獨(dú)有的調(diào)節(jié)效應(yīng),通過(guò)噴灑水滴的蒸發(fā)冷卻,有效抑制空氣環(huán)境溫度的升高,減小作物周?chē)h(huán)境的蒸氣壓差(VPD),降低作物的干旱脅迫[32]。被廣泛用于冬小麥[33]、蘋(píng)果[34]、草莓[35]等作物的田間小氣候調(diào)節(jié),并被證實(shí)可以有效提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[36-37],同時(shí)有助于提升噴灌水分利用效率,如研究發(fā)現(xiàn)噴灌對(duì)田間蒸氣壓差的調(diào)節(jié)效應(yīng)可使中國(guó)華北平原玉米灌溉用水效率提升5%[38]。采用間歇式噴灌,在滿(mǎn)足灌水需求的同時(shí),可顯著延長(zhǎng)噴灌時(shí)間,這意味著對(duì)田間蒸氣壓差的持續(xù)性影響和對(duì)田間小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的增強(qiáng),可進(jìn)一步調(diào)節(jié)獲得適宜作物生長(zhǎng)的土壤和空氣溫濕度,有望以盡可能低的噴灌強(qiáng)度對(duì)“空氣-土壤-作物”連續(xù)體形成連續(xù)性和方向性影響,在提高灌溉水利用率的同時(shí)保障作物優(yōu)質(zhì)高效生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)提出采用壓縮空氣對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)與釋放調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)噴頭動(dòng)態(tài)水壓下間歇脈沖噴灑的工作思路,并開(kāi)發(fā)出實(shí)物噴灌裝置,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)水壓和間歇脈沖噴灑同步運(yùn)行模式。

(2)動(dòng)態(tài)水壓間歇脈沖噴灑模式下,噴頭工作壓力呈“急速上升—波動(dòng)下降—急速下降”三階段變化趨勢(shì),噴頭流量較恒壓連續(xù)噴灑降低 70.23%～82.77%;徑向噴灌強(qiáng)度呈雙峰型分布,峰值噴灌強(qiáng)度為連續(xù)噴灑條件的12.7%～33%。動(dòng)態(tài)水壓間歇脈沖噴灑模式下噴灑水量分布均勻性略低于連續(xù)噴灑,但處于可接受范圍之內(nèi),且可通過(guò)組合間距和脈沖噴灑時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)優(yōu)化進(jìn)一步提升噴灑均勻度。

(3)動(dòng)態(tài)水壓間歇脈沖噴灑模式下噴灌水的單位體積動(dòng)能呈增大趨勢(shì),但由于噴灌強(qiáng)度大幅降低,水滴對(duì)表層土壤的打擊強(qiáng)度顯著降低,動(dòng)能強(qiáng)度峰值降幅為50.6%～70.9%,從而有效降低了噴灌水滴的沖擊作用對(duì)土壤入滲的影響。