雾灌技术在低海拔山区的工程化设计研究

□汪威 汤颖力 冯传烈 刘云/宜宾市农业机械研究所

雾灌技术在低海拔山区的工程化设计研究

□汪威 汤颖力 冯传烈 刘云/宜宾市农业机械研究所

1 设计中需要解决的技术问题

1.1 加压设备参数的设计

雾灌技术加压设备参数设计原理与其他灌溉技术加压设备参数设计原理有本质不同。雾灌技术在需要满足雾化粒度的同时还需满足观光视觉要求，在加压设备参数设计上需要兼顾二者。

1.2 雾化喷头出水量、出水压力以及雾化粒度的均衡性控制

雾灌技术目前多应用在与旅游结合的观光农业领域，其本质是为了人为给低海拔地区的作物营造一种云雾生长环境，以达到既能影响株间小气候，又能实现旅游观光的目的。自然环境中的云雾将光照、温度、湿度等自然因素有机结合形成了云雾气候，从而影响作物生化物质的形成量，确保作物相关品质，然而低海拔区域不易形成自然环境中的云雾，同时低海拔山区地形变化大，喷头之间的落差极大，易造成喷头间的出水量、出水压力以及雾化粒度各不相同，以致于既达不到灌溉作用又营造不出能影响株间气候和观光的云雾带。目前，要解决在地形落差较大的山区丘陵地带大面积内喷头的出水量、压力和雾化带形成的均衡控制。

1.3 雾灌技术可靠性保障

雾灌技术在地形落差较大的山地实施，管网中各点压力不均，易造成使用过程中管网严重变形甚至脱落。因此，需要在管道布置上进行全面规划和正确设计，以保障使用的可靠性。通过对雾灌工程故障统计分析，得出其可靠性对比，如图1所示。

图1 雾灌工程故障发生率

雾灌设备安装完成后，其故障率呈现浴盆曲线形式。开始由于在安装后调试期，故障率较高，但随着调试结束，故障率开始下降并趋于稳定。建设在地形复杂山地的雾灌工程在整个寿命阶段的故障率均高于建立在整体地势平坦的雾灌工程。

水流在高压作用下从喷射孔高速射出后，雾滴表面张力小于气动力，从而被空气破碎成无数细小颗粒并在空中悬浮一定时间，形成区域性的“雾带”，简称雾灌技术。应用数据证明，雾灌的节水、减耗、增产能力十分显著，特别适用于经济作物的灌溉。雾灌技术在地形复杂的山地区域和地形平坦区域的设计有很大的差别，其设计的核心问题是加压设备参数的确定、管网中压力均衡控制和控制雾化粒度的雾化喷头设计。

2 工程实例设计

本文以某县山地茶园的雾灌设计为例进行设计。

2.1 实施区地形概括

地形影响着整个工程设计与工程化应用。而地形因子最常由坡度和坡向表述。地表上某点的坡度S、坡向A是地形曲面函数z=f（x,y）在东西、南北方向上的偏导函数。

式中：fx为南北方向偏导数；fy为东西方向偏导数。

而最为直观的是建立高斯曲面数字高程模型，确定地势起伏参数（最大高程与最小高程之差）、高程标准偏差和坡度分布频率，并通过高斯曲面数字高程模型的复杂度参数反映地形复杂度，即平均坡度α（°）、曲面起伏θ（m）、高程标准偏差δ（m）。

2.2 首部加压设备参数确定

首部加压设备是整个灌溉系统的核心，加压设备参数（流量Q与加压扬程H）的确定需要考虑喷头、过滤、管水耗损以及地形复杂程度等因素。其确定如下所示。

式中：Σh为喷头压损、过滤装置压损、管水耗损，最不利出水高差总和；f(Σh,φ(α,θ,δ))为地形复杂程度对加压设备参数的影响因子；η为水泵安全系数，一般为1.10～1.15。

2.3 管网工程设计

地形起伏复杂程度对管网中的压力均衡性影响极大，造成管网水压难以均衡控制。为了解决地形起伏对整体雾灌效果的影响，需要在管网中分区域设置多个关键控制节点，每个区域节点之间相互关联，通过联动控制节点上的流压比实现流量、压力、时间的耦合控制，使大面积复杂的山地分布的喷头出水压力稳定、雾化粒度均衡。在保证出水量、出水时间一致，压力稳定、平衡的同时，为了最大化雾化效果需采用专用雾化喷头，从而形成雾状颗粒大小为100μm左右的雾带。

2.4 雾化效果

茶园的平均坡度为27.9°，曲面起伏为82.1m，高程标准偏差为45.6m，其雾灌工程雾化效果如图2所示，灌溉面积33.33hm2。

3 结语

本文通过引入高斯曲面数字高程模型的复杂度参数反映地形复杂度，即通过平均坡度α（°）、曲面起伏θ（m）、高程标准偏差δ（m）等参数数值化地形复杂程度，确定了地形复杂程度在加压设备参数设计上的函数关系，并通过建立关键节点控制模式控制管网因地形落差引起的压力、流量不均衡现象，有效控制了雾化效果和管网故障率。

图2 山地茶园雾灌效果图