低水頭微噴帶噴灑均勻度試驗研究

王一博 李道西 杜微 李彥彬 雷宏軍

摘要：為分析在低水頭（1～5m）條件下工作水頭和鋪設(shè)長度對微噴帶噴灑均勻度的影響，以國內(nèi)常見的N45（折疊帶寬45mm）單列斜5孔微噴帶為研究對象，截取不同長度（20、40m）的試樣，分析水量分布特征，采用克里斯琴森均勻系數(shù)評價噴灑均勻度。結(jié)果表明：N45微噴帶在小于3m工作水頭下，管帶鋪設(shè)長度不宜超過20m；在3～5m工作水頭下，鋪設(shè)長度不宜超過40m。鋪設(shè)長度一定時，通過增大工作水頭可以提高噴灑均勻度；工作水頭一定時，通過減小鋪設(shè)長度可以提高噴灑均勻度。

關(guān)鍵詞：微噴帶；低水頭灌溉；噴灑均勻度；水量分布特征

中圖分類號：S275

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.032

微噴帶是多孔出流薄壁塑料軟管，出水小孔按一定規(guī)律組成節(jié)點并沿管長方向等距布設(shè)，未充水時呈扁平帶狀，充水時水流從管帶上部的小孔噴出，受到空氣阻力的作用而破碎成水滴，噴灑到地面形成濕潤區(qū)。微噴帶的特點是灌溉效果較好、投資成本低、出水小孔的流道短、易沉淀雜質(zhì)而不易堵塞，并且可以折疊以便快速布置和回收再利用，因此在田間生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

噴灑均勻度是指單位面積上水量分布的均勻程度，是衡量微噴帶灌溉效果的重要指標(biāo)之一，受工作水頭、小孔的排布形式、管帶的制造工藝、風(fēng)向和風(fēng)速等多種因素的影響。與噴灌的工作條件不同，微噴帶并不適合在高水頭下持續(xù)工作：①管壁在管內(nèi)水壓作用下受到牽拉，由于管帶的材料強度有限，因此孔口和折痕處在高水頭工作條件下容易發(fā)生破裂，影響使用壽命；②微噴帶是薄壁軟管，在高水頭下容易因壓力波動而產(chǎn)生較大擾動，對其噴灑范圍和噴灑均勻度影響很大。在田間灌溉條件下，毛管處的水壓一般較低，通過提高管帶內(nèi)水壓力來提高噴灑均勻度較為困難，因此研究低水頭下微噴帶的噴灑均勻度對于提升微噴帶灌溉效果很有必要。

本試驗測量微噴帶在低水頭（1～5m）下的噴灑均勻度，通過對工作水頭與沿管長方向噴灑均勻度間的關(guān)系進行研究，希望確定合適的參數(shù)使噴灑均勻度達(dá)到最佳，為微噴帶管網(wǎng)的優(yōu)化布置提供依據(jù)。

1試驗方法

1.1試驗設(shè)計

試驗在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實驗室進行，場地平整，水源為市政自來水，無需過濾，供水壓力穩(wěn)定。首部樞紐組成從水源處依次為截止閥、調(diào)壓閥、水表、精密壓力表（精度為0.4級）。試驗所用微噴帶選用市場上銷量較大的國內(nèi)某品牌單列斜5孔微噴帶，額定工作水頭為5 m，折疊帶寬45mm（N45），壁厚0.19mm，機械打孔，孔形為網(wǎng)形，孔徑0.6mm，孔距一定，每10m管帶節(jié)點數(shù)為54個，包含270個出水小孔。小孔排布形式見圖l。本試驗設(shè)置6個處理，見表1。

由于在單列斜5孔的小孔排布方式下微噴帶兩側(cè)的噴灑范圍對稱，因此選取管帶單側(cè)噴灑濕潤區(qū)為研究區(qū)域。微噴帶水平放置在支架（高20cm）上，保持順直，采用雨量筒（接水口直徑140mm，高12cm）量測有效噴灑區(qū)域內(nèi)的灌水強度。為了雨量筒布置方便，設(shè)計制作了輔助裝置，在距離管帶首尾兩端5m處各布置一組塑料方格（規(guī)格為20cm×20cm×15cm），邊緣距管帶0.5m，每個小格有對應(yīng)的編號，在小格內(nèi)放置雨量筒，使雨量筒間距偏差控制在1 cm以內(nèi)。每組方格對應(yīng)6組完整的噴水節(jié)點，沿管長方向平行布置6行，在垂直管長方向根據(jù)測點在不同水頭下的射程范圍平行布置6～12列。試驗裝置平面布置見圖2。

1.2參數(shù)測定及計算

由于微噴帶在噴灑效果上接近噴灌，因此本研究采用噴灌工程中噴灑均勻度的試驗和評價方法來確定微噴帶的噴灑均勻度，選取克里斯琴森均勻系數(shù)CU（ Christiansen UniformityCoefficient）為描述微噴帶噴灑水量分布均勻程度的定量指標(biāo)，在距管帶首尾兩端5m處各選取一段測量灌水強度并計算噴灑均勻度。

噴灑均勻度的測定步驟：打開閥門，待壓力穩(wěn)定后，調(diào)整并保持管帶處于水平狀態(tài)，在管帶上覆蓋防雨布，擺放集水格，放置雨量筒；迅速撤下防雨布并開始計時，試驗時間為20min；停止計時并迅速蓋上防雨布，關(guān)閉閥門，測量雨量筒中水的體積 。

按式（1）、式（2）計算灌水強度：式中：h為單個雨量筒的灌水強度，mm/h；V為一段時間內(nèi)單個雨量筒收集的水量，mL；t為接水時間，min；A為雨量筒接水口的面積，mm^2；R為雨量筒接水口半徑，mm。

若雨量筒對應(yīng)的沿管長方向測得的灌水強度均低于0.13mm/h，則該列數(shù)據(jù)無效。剔除無效數(shù)據(jù)后，按式（3）計算濕潤區(qū)的平均灌水強度：式中：h為濕潤區(qū)平均灌水強度，mm/h；n為有效噴灑區(qū)域內(nèi)雨量筒的個數(shù)；hi為濕潤區(qū)內(nèi)第i個雨量筒的灌水強度，mm/h。

按式（4）計算噴灑均勻度：式中：CU為克里斯琴森均勻系數(shù)，%。

2結(jié)果與分析

單列斜5孔微噴帶的灌溉效果與噴灌相近，但噴灑特征與噴灌不同：當(dāng)水流豎直向上噴射（即噴射角為90°）時，噴灑水滴在地面的分散程度較低，濕潤區(qū)形狀近似為網(wǎng)形；噴射角較?。?0°，40°）時，噴灑水滴在垂直管長方向較為分散，濕潤區(qū)形狀近似為橢圓形。小孔噴射水流形成的濕潤區(qū)相互搭接，沿管長方向形成帶狀濕潤區(qū)。N45單列斜5孔微噴帶相鄰兩個節(jié)點噴射水流形成的濕潤區(qū)見圖3。

2.1沿管長方向平均灌水強度變化

平均灌水強度表示濕潤區(qū)單位時間內(nèi)的平均降水深度，是計算噴灑均勻度的重要參數(shù)，也是確定灌水定額、制定灌溉制度的依據(jù)。從圖4（a）可以看出，對于20m管長，在工作水頭從1m增大到3m時，首端平均灌水強度由62.7mm/h減小到41.3mm/h，尾端平均灌水強度由44.8mm/h減小到37.2mm/h；工作水頭從3m增大到5m時，首端平均灌水強度減小到40.8mm/h，尾端平均灌水強度減小到37.0mm/h。

從圖4（b）可以看出，對于40m管長，在工作水頭從1m增大到3m時，首端平均灌水強度由67.5mm/h減小到41.6mm/h，工作水頭為1m時尾端水流射程過小，雨量筒未收集到水，尾端平均灌水強度為0；工作水頭從3m增大到5m時，首端平均灌水強度減小到39.3mm/h，尾端平均灌水強度減小到33.1mm/h。

對比圖4（a）和圖4（b）可知，在6個處理中，40m管長在1m水頭下首端平均灌水強度最大，為67.5mm/h，在5m水頭下尾端平均灌水強度最小，為33.1mm/h。隨著水頭的增大，20m管長和40m管長的平均灌水強度的變化趨勢相近：在工作水頭從1m增大到3m時，首、尾平均灌水強度相差較大，首端變化幅度較大，而尾端變化幅度與首端相比較??；工作水頭從3m增大到5m時，首、尾兩端平均灌水強度相差較小且變化幅度顯著減小。在各工作水頭下，由于沿管長方向的流量和水壓均減小，因此各試驗處理首端的平均灌水強度均大于尾端的。

當(dāng)工作水頭為1m時，水流初速度較小，水流破碎程度低，水滴在地面的分散程度較低，所以濕潤區(qū)面積較小，單位面積上收集到的水量較多，平均灌水強度較大；而在3m工作水頭下，水流初速度大，水流破碎程度高，水滴在地面的分散程度較高，所以濕潤區(qū)面積較大，單位面積上收集到的水量較少，平均灌水強度較?。还ぷ魉^增大到5m時，隨著水流初速度增大，小孔出水量增加，盡管濕潤區(qū)面積增大，但因空氣阻力趨于一定，故破碎程度并無明顯提高，水滴在地面的分散程度提高但并不顯著，所以單位面積上收集到的水量略微減少，平均灌水強度略微減小。

在低水頭下微噴帶的平均灌水強度與濕潤區(qū)面積及工作水頭成負(fù)相關(guān)關(guān)系，濕潤區(qū)面積及出水量與工作水頭成正相關(guān)關(guān)系。為了保證微噴帶有足夠的噴灑面積和灌溉效果，工作水頭不宜過小。

2.2沿管長方向噴灑均勻度變化

噴灑均勻度表示一段時間內(nèi)在一定面積上各測點降水深度與平均值的偏差情況，反映了灌水器水力性能的優(yōu)劣。由圖5（a）可以看出，對于20m管長，工作水頭從1m增大到3m時，首端噴灑均勻度由58.7%增大到66.2%，尾端均勻度由53.2%增大到65.8%，在3m水頭下首、尾兩端均勻度均大于65%且相差較小；工作水頭從3m增大到5m時，首端噴灑均勻度增大到68.2%，而尾端噴灑均勻度減小到61.9%，主要原因是工作水頭較大時管帶前端的水頭降低較快，影響了尾端的水量分布，同時不排除測量方法的影響。

由圖5（b）可以看出，對于40m管長，在1m工作水頭下，由于管帶尾端水頭較低，水流射程短，因此未形成有效噴灑濕潤區(qū)，噴灑均勻度為0；工作水頭從1m增大到3m時，首端噴灑均勻度由42.6%增大到59.2%，尾端噴灑均勻度由0增大到49.5%；工作水頭從3m增大到5m時，首端噴灑均勻度增大到63.6%，尾端噴灑均勻度增大到56.1%。

對比圖5（a）和圖5（b）可知，隨著工作水頭的增加，20m管長和40m管長首端的噴灑均勻度增大且20m管長沿管長方向噴灑均勻度的變化幅度小于40m管長的；在相同水頭下，40m管長的首、尾兩端的噴灑均勻度均小于20m管長的，管帶鋪設(shè)長度越大，首、尾兩端均勻度相差越大。

為了保證低水頭下噴灑均勻度較高且首尾相差較小，微噴帶不宜過長，鋪設(shè)長度為20m時工作水頭應(yīng)在3～5m之間，鋪設(shè)長度為40m時工作水頭應(yīng)在5m以上（由于超出了額定工作水頭，因此在額定工作水頭下鋪設(shè)長度應(yīng)小于40m）。綜上所述，為優(yōu)化管網(wǎng)布置、降低成本，需要保證足夠的濕潤區(qū)面積且沿管長方向噴灑均勻，為滿足以上要求，微噴帶在3～5m低水頭下鋪設(shè)長度為20m時灌溉效果最佳。

微噴帶的管道既是輸水管，也是灌水器，沿程水頭損失和水量損耗均集中在管帶上，孔徑、孔形、管徑、管壁厚度、材料張力、小孔排布方式等均會影響微噴帶的水力性能，而且由于出水小孔的流道極短，水流霧化程度較低，因此微噴帶的噴灑均勻度普遍不高，與噴灌工程要求的CU≥75%相差較大。試驗所采用的噴灌工程中噴灑均勻度的測定方法并不能合理評價微噴帶的灌溉效果，應(yīng)結(jié)合地面偏差、制造參數(shù)、材料張力等因素對微噴帶的水力性能進行綜合分析。

3結(jié)論

微噴帶在田間應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于其制造和推廣成本遠(yuǎn)低于微灌和噴灌，可以快速布置和回收，同時能夠達(dá)到噴灑灌溉的效果，確定合適的工作水頭和鋪設(shè)長度對提升管網(wǎng)的灌水均勻度有著重要意義。低水頭下微噴帶的噴灑均勻度受工作水頭和鋪設(shè)長度影響較大，通過調(diào)整工作水頭和鋪設(shè)長度可以提升微噴帶的灌溉效果。

（1）為保證濕潤區(qū)內(nèi)噴灑均勻，N45微噴帶在小于3m工作水頭下，管帶鋪設(shè)長度不宜超過20m；在3～5m 工作水頭下，鋪設(shè)長度不宜超過40m。

（2）鋪設(shè)長度一定時，通過增大工作 水頭可以提高噴灑均勻度；工作水頭一定時，通過減小鋪設(shè)長度可以提高噴灑均勻度。

（3）與噴灌相比，微噴帶的噴灑均勻度并不高。依據(jù)克里斯琴森均勻系數(shù)并不能準(zhǔn)確評價微噴帶的噴灑均勻度，應(yīng)建立符合微噴帶水力特性的噴灑均勻度評判標(biāo)準(zhǔn)。