压力对微喷带水量分布的影响研究

2017-03-21王文娥胡笑涛

节水灌溉 2017年6期

张硕，王文娥，胡笑涛

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

0 引言

微喷带是在薄壁塑料软管(盘卷后呈扁平带状)的管壁上直接加工以组为单位循环排列的喷孔，通过这些喷孔出水进行灌溉的一种节水灌溉器材。与其他灌溉设备相比，微喷带具有投资低廉、作用压力较低、出水量大、对供水供电要求不高、维护保养方便、对作物和土壤冲击力小等突出优点。中国从20世纪 90年代开始引入、研制和推广微喷带节水灌溉技术，在日光温室和塑料大棚、连栋温室、大田种植中获得大量应用。

灌水均匀度直接影响作物生长和产量，是评价灌水质量的一个重要参考指标。张芳[1]对微喷带喷洒均匀度的影响因素进行了试验研究，发现影响微喷带喷洒均匀度的因素有工作压力、单孔的结构特性及制造工艺、单孔的布置形式和风速风向等。张学军和吴政文[2]发现微喷带的水量分布均匀系数Cu总体水平较低，微喷带的水量分布均匀系数及喷洒宽度受工作压力的影响很大。已有研究表明工作压力是控制微喷带喷洒均匀度的主要参数。本文通过不同首部压力条件下微喷带流量、沿程压力和水量分布试验，对微喷带喷洒水量分布的影响因素进行分析，探索微喷带最佳喷洒均匀度下的压力值，为微喷带节水灌溉技术的应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验在陕西杨凌西北农林科技大学北校区水工厅内进行。水工厅内无风，试验设备有变频恒压供水装置、过滤器、闸阀、水表、精密压力表(量程0.2 MPa，精度0.25级)、自制雨量筒等。试验使用管径32 mm和28 mm的微喷带，两种微喷带都采用机械打孔，结构如图1所示。试验微喷带长度为20 m，从微喷带首端到末端共设置5个测量点，测量点间距为5 m。自制的水量分布量水装置由木板格子和雨量筒构成，装置宽80 cm，长240 cm，沿长度和宽度方向每格的长度和宽度均为20 cm，雨量筒直径为14 cm，将塑料布放置在木格子上，每个雨量筒上的塑料布在对应雨量筒中心的位置剪下直径为10 mm的孔，并留取一定的凹陷深度以便喷出水流汇集流入雨量筒中，放置在距微喷带20 cm处。试验装置见图2。

图1 Φ32和Φ28微喷带结构示意图Fig.1 Structure of 32 mm and 28 mm micro jet

注：1-水源；2-恒压供水设备；3-闸阀；4-水表；5-首部压力表；6-微喷带；7-压力测量点之一；8-尾部压力表；9-雨量筒；10-木格图2 微喷带水量分布特性试验装置示意图(单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of the test device for water distribution characteristics of micro jet

1.2 试验方法

先测取各个压力下的压力分布情况和压力流量关系，流量值通过水表读出。调节压力，选取不同首端压力值。喷灌的均匀度常用均匀系数Cu表示：

(1)

式中：n为每行雨量筒的序号，取值1，2，3,…，12；h为雨量筒中水的水量。

微喷带水平放置、无弯曲，首末端安装压力表。打开水源，调节阀门以达到合适范围内的水压，首端压力从10～29 kPa、每1 kPa为一组试验，共测试20组首端压力条件下，微喷带沿程压力及水量分布，每组试验重复3次。每次试验待压力稳定后3 min开始，读取测量点的压力及水表读数，测量误差不大于2%，否则对该压力点重新进行测量。流量稳定后用秒表、水表计算流量。

在每个测量点处放置木格子和雨量筒测定水量分布，微喷带稳定喷水10 min后，关闭压力泵，按照雨量筒编号依次测量四列雨量筒内的水量，记录每个压力值下雨量筒中的水量和高度。

2 结果与分析

2.1 微喷带工作压力与单位长度流量的关系

微喷带的出流量随着工作压力的变化而变化。试验所用微喷带极限工作压力为50 kPa，适宜工作压力不超过30 kPa，试验过程中通过分析水量分布可知，当压力在24～29 kPa范围，微喷带喷洒均匀度随着压力的增大而减小，29 kPa时的喷洒均匀度仅为65.1%，因此试验过程中主要测试了10～30 kPa首部压力范围内微喷带的水力性能。微喷灌与滴灌都属于微灌技术，但沿管道水量出流特性差异很大，滴灌灌水器出流水量集中在灌水器出口下方，两个灌水器的出流水量相互独立，而微喷带水量喷洒范围大，每组多个喷孔喷出的水流会发生相互碰撞，破碎成水滴下落，每两组喷孔喷射的水量也会发生重叠，所以文中采用某一首部压力条件下单位长度(m)微喷带平均流量进行分析，图3给出了两种微喷带单位长度流量与作用压力之间的关系曲线。从图3可以看出，对于Φ32微喷带，当压力大于20 kPa时，流量随着压力的增大而增加的更快，且有上升的趋势；对于Φ28微喷带，当压力大于19 kPa时，流量随着压力的增大而增加的更快。整体上，这两种微喷带的工作压力与单位长度流量存在正相关的关系。相同的工作压力下，Φ28微喷带的出流量要小于Φ32微喷带。

图3 Φ32和Φ28微喷带单位长度流量与工作压力关系曲线Fig.3 Relationship of unit length flow and pressure curve of 32 mm and 28 mm micro jet

在一定压力范围内，单位长度微喷带出流量与压力的经验公式可以用公式(2)来表示：

ql=kpx

(2)

式中：ql为单位长度出流量，L/(min·m)；p为工作压力，kPa；k为流量系数，无量纲；x为流态指数，无量纲。

通过回归处理，分别得出Φ32微喷带和Φ28微喷带压力流量关系的经验公式：

Φ32微喷带ql=0.502p0.885R2= 0.892

(3)

Φ28微喷带ql=0.2p1.003R2= 0.904

(4)

经验公式(3)和经验公式(4)的相关系数R2值分别为0.892、0.904，说明公式(3)和(4)能够可靠地反映微喷带单位长度流量和压力的关系。Φ32微喷带的压力与流量符合幂函数关系，Φ28微喷带的压力与流量接近线性关系；微喷带单位长度流量大，沿程损失较大，尤其当微喷带较细时，沿程相对压力降低大，出流量受压力分布影响大，容易造成水量分布不均匀，需要根据微喷带水力性能确定适宜的工作压力及铺设长度。

2.2 沿程压力分布

微喷带灌溉属于沿程泄流管道，随着沿程泄流管道长度的增加，微喷带沿程的压力将逐渐降低，从图3可知沿程泄流量逐渐减小，管道中输水量逐渐减小，相同长度微喷带产生的水头损失将逐渐减小，因此微喷带运行过程中沿程压力分布不是均匀降低的，直接影响到微喷灌的灌水均匀性。本文对30 kPa以下压力范围内20组不同首部压力条件下微喷带的沿程压力分布进行了测试，试验数据显示，不同首部压力条件下，沿程压力分布变化规律类似，图4给出其中5组(11、15、18、23、29 kPa)试验结果进行分析。

图4 Φ32微喷带不同管首压力下沿程压力分布Fig.4 Pressure distribution along the path of 32 mm micro jet with different tube head pressure

图5 Φ32微喷带5种工况下的能坡线Fig. 5 Five kinds of working conditions of the slope line of 32 mm micro jet

由图4可知，五种管首压力下的沿程压力分布随管长的增加有相似的变化规律，即呈现递减的曲线形式。首端压力越大，首末两端压差越小，且首末两端的压差值均在3～5 kPa之间。除了首部压力11 kPa的情况，5 m间隔下的水头损失值均为1 kPa，说明沿程水头损失分布较为均匀。水头损失比是管首压力值与测量点压力值差值跟管首压力值的比值，水头损失比曲线越接近于直线，说明水头损失变化越稳定。图5给出了Φ32微喷带在五种管首压力条件下的能坡线，从图中可以看出，首端压力越大，水头损失变化越均匀。工况二至工况五的水头损失比分布均匀，水头损失最大占管首压力的25%以下，但工况一的水头损失较大，总水头损失达到管首压力的45%，沿程流量变化将超过25%。文献[3]给出的微喷带沿程水头损失经验公式为：

(5)

式中：q为流量，L/h；d为管径大小，mm；L为长度，m。

适合管径20～40 mm、工作压力0.5～9 m水柱的微喷带沿程水头损失的计算。

对Φ28微喷带的研究发现，相同的管首压力下，首末两端的压力差比Φ32微喷带的压差大。这与公式(5)的结果是一致的。另外，首末两端的压差还与微喷带的铺设长度有关，微喷带的铺设长度越长，首末压差就越大。故在微喷带的实际应用中，应慎重选择首端压力值的范围和微喷带的长度，以避免过多的水头损失。

2.3 水量分布

沿微喷带输水方向，每隔5 m设置一测量点测量喷洒水量，每个压力下共设置5个喷洒水量测量点，且在垂直微喷带方向上距微喷带20 cm以内无喷洒水量。通过这5个测量点水量分布曲线观察沿微喷带方向上的水量分布情况，垂直微喷带方向上的水量分布情况由每行量筒内的水量分布曲线决定。不同管首压力下微喷带沿管长5个测点喷洒水量分布情况如图6。

Φ32微喷带首部压力为23 kPa时，整体的水量分布最为均匀。但具体哪个压力下的水量分布情况最好，还需要通过公式(1)计算得出水量分布均匀系数数值来判定。将雨量筒雨量用高度来表示，运用公式(1)，计算各个首端压力下的5个测量点水量分布均匀系数Cu，见表1。

表1给出了Φ32微喷带5组首端压力(11、15、18、23、29 kPa)下每个测量点的水量分布均匀系数，由于缺少压力值为8 kPa和24 kPa的水量分布，因此补充进行了首端压力值为8 kPa和24 kPa的水量分布测试，测得Φ32微喷带水量分布均匀系数分别是56.9%和75.5%，Φ28微喷带水量分布均匀系数分别为54.1%和69.1%。将Φ32和Φ28两种微喷带压力值与水量分布均匀系数绘制成压力与Cu值关系曲线，见图7。

从整体看，Φ32微喷带喷洒均匀性优于Φ28微喷带。两种微喷带的喷洒均匀系数先随着压力的增加而增加，首端压力为23 kPa情况下，水量分布均匀系数Cu值最大，然后随着压力的增加喷洒均匀系数逐渐下降，说明微喷带存在水量分布均匀的最优运行压力，并不是压力越大水量分布越均匀。首端压力为

图6 Φ32微喷带不同管首压力下沿管长5个测点喷洒水量分布Fig.6 Spraying water distribution of 5 measuring points along the length of 32 mm micro jet under different pressure

管首压力/kPa各测点压力及水量分布均匀系数0m压力/kPaCu/%5m压力/kPaCu/%10m压力/kPaCu/%15m压力/kPaCu/%20m压力/kPaCu/%111160．81058．4957．1756．7654．6151567．61465．91364．51263．11160．8181871．91775．11669．61567．61465．9232379．42276．62174．92074．11972．2292965．12868．92769．32671．62572．4

图7 压力值与Cu值关系曲线Fig.7 Relationship between pressure value and Cu value

23 kPa时，5个压力测量点的水量分布均匀系数Cu平均值均为最高，即水量分布情况是五种情况下最好的；每种微喷带都存在某个压力值使得水量分布均匀系数值最大。在本文试验微喷带长度为20 m的情况下，为使其水量分布情况最优，微喷带运行压力应在23 kPa上下。故在实际应用中，应保持微喷带的工作压力在最优均匀度压力值附近，以实现较高的喷洒均匀性。