基于灌水小区的射流三通灌水均匀度试验研究

王 轩，王新坤，肖思强，樊二东，徐胜荣，张晨曦，薛子龙

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

滴灌具有灌水均匀度高、节水节肥、改善作物品质、增产增收等特点，是我国大面积推广应用的高效节水灌溉方式之一[1]。由于滴灌是以低压小流量通过特定灌水器灌水，流道狭窄，增大了灌水器的堵塞几率，灌水均匀度易受到影响[2]。针对这一问题，学者围绕低压滴灌的工作特点，提出改进灌水均匀度的有效途径。范兴科等[3]针对低压滴灌的工作特点，提出了改进和提高低压滴灌灌水均匀度的有效方法与途径；张林等[4]更深入研究了低压条件下毛管进口压力、铺设长度、坡度及管径等参数寻求提高灌水均匀度的方法；王霞等[5]以实际滴灌示范基地中使用较多的两种不同类型滴灌带作为研究对象，分析了不同铺设长度、坡度等因素对灌水均匀度的影响研究。上述研究成果总结了恒压条件下提高灌水器灌水均匀度的方法与途径，但并未结合当下最有效的脉冲滴灌系统。脉冲发生器作为脉冲滴灌系统的核心装置，现有装置主要由电子脉冲，变频装置等核心部件组成，通过控制可编程控制器PLC进而控制变频器再调节水泵转速产生波动水流，其操作复杂反应较慢，灵敏性和可靠性难以保证，且造价较高，安装与维护复杂，是制约脉冲滴灌技术发展与应用的关键问题之一[6,7]。针对这一问题，王新坤[8]基于射流附壁与切换原理设计了一种新型射流脉冲三通直接作为脉冲发生器，结构简单，造价低，能够在毛管内形成间歇性水流，实现持续脉冲，适合广泛应用。杨玉超等[9,10]通过控制变量法研究了射流三通的结构参数对脉冲特性的影响,并分析射流三通脉冲振幅与频率对出口流量的关系。许鹏等[11,12]研究了射流三通不同喷嘴宽度下的水力性能变化规律，并通过试验验证了射流三通能提高滴灌灌水均匀度。肖思强等[13]利用射流三通产生脉冲水流的水力特性，分析了不同滴灌带长度和不同进口压力对滴灌灌水均匀度的影响。上述研究成果总结了射流三通对毛管水力特性的影响，但未提出支、毛管三通相组合的基于灌水小区的射流三通灌水均匀度的试验研究。

本文在前人工作的基础上，以支、毛管三通相结合的灌水小区为研究对象，通过4组灌水小区滴灌带滴头流量的对比，研究不同滴灌带长度和不同总进口压力下，对射流三通组合的灌水均匀度试验研究，从而为滴灌灌水小区脉冲系统的应用与发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 射流三通的结构尺寸与脉冲特性

射流三通作为产生持续脉冲水流的脉冲发生器，主要由进口段、射流元件、出口段3部分组成。图1所示为射流三通结构示意图，其中射流元件是脉冲发生器的关键部位，主要包括喷嘴、控制道、分流劈等核心部件。

W为喷嘴宽度；S为位差；H为劈距；θ为侧壁夹角；1-进水段；2-喷嘴；3-左控制道；4-右控制道；5-左侧壁面；6-右侧壁面；7-左输出道；8-右输出到；9-分流劈；10-射流内空间；11-左出口流道；12-右出口流道图1 射流三通结构示意图Fig.1 Schematic diagram of jet tee structure

试验所用支管和毛管射流三通基本尺寸如表1所示，普通支管三通为内径32 mm的“T型”结构，普通毛管三通为内径16 mm的“T型”结构，4种三通，支、毛管三通两两匹配组合成4种灌水小区，分别是Ⅰ号灌水小区(支管和毛管均是射流三通)、Ⅱ号灌水小区(支管是射流三通，毛管是普通三通)、Ⅲ号灌水小区(支管是普通三通，毛管是射流三通)、Ⅳ号灌水小区(支管和毛管均是普通三通)。

表1 支管和毛管射流三通结构尺寸

Tab.1 Structural dimensions of branch and capillary jet tee

结构部位喷嘴宽度/mm位差/mm侧壁夹角/(°)劈距/mm控制管宽度/mm控制管长度/mm出口内宽度/mm分流劈半径/mm支管射流三通155.5101139.034018.013.00毛管射流三通42.010362.4886.43.43

普通三通对水流无脉冲效果，而射流三通作为产生持续脉冲水流的脉冲发生器，当水流进入射流空间时，由于射流结构几何微小的不对称性及射流本身的紊乱，造成射流卷吸及两侧壁面之间的干涉效应不对称，在控制管内产生负压，推动射流的切换与偏转，实现脉冲水流[14,15]。

研究表明[9]，毛管进口压力水头为5～12 m时，毛管射流三通会产生水头振幅为15～65 kPa，脉冲频率为200～240 次/min的脉冲水流；支管进口压力水头为9.5～15.5 m时，支管射流三通会产生水头振幅为19～38 kPa，脉冲频率为110～140 次/min的脉冲水流。射流三通是诱发滴灌毛管灌水均匀度的主要原因之一，并且脉冲频率远高于电子装置控制水泵产生的低频波动水流，具有滴灌抗堵塞性能。

1.2 试验材料与装置

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of test device

1.3 试验方法

将不用组合的三通结构和不同长度的滴灌带按试验要求依次接入该系统进行试验。试验开始时，控制试验时间为10 min一组，通过调节管道阀门控制进口压力水头为试验值。试验开始时，先读取5个流量计的读数，以排除管路内部空气或者是残留水体存在而产生的读数误差，待10 min结束后再读取流量计数值，两者数据相减即为通过该管路的过水流量。记录压力表的数值，滴头流量用接水盘收集，采用称重法直接测得，最后分类编号，统一整理。

1.4 灌水均匀度评价指标

灌水均匀度是衡量滴灌系统灌水质量的一项重要指标[16]。按照《微灌工程技术标准》中的规定[17],灌水均匀系数采用Christiensen公式来表示：

(1)

滴头流量偏差率为：

(1)

式中：qv为滴头流量偏差率，%；qmax、qmin为滴头流量的最大值和最小值，L/h。

2 试验结果与分析

2.1 滴灌带铺设长度对灌水小区流量的影响

支管进口总压力水头为14 m时，对比4种灌水小区在不同滴灌带长度下的滴头流量，汇总数据，通过Origin绘图软件处理，如图3所示。

图3 不同滴灌带长度下的灌水小区滴头流量分布Fig.3 Distribution of dripper discharge in irrigation plots with different drip irrigation belt lengths

从图3可以看出，4组灌水小区监测点流量分布均呈现中间高两头低的驼峰状，左右大致对称分布，符合滴灌毛管水头损失规律，且相同的进口压力条件下，滴灌带长度的增加，同一灌水小区滴头流量也随之增加；滴灌带长度相同时，Ⅰ号灌水小区平均流量最小，Ⅳ号灌水小区平均流量最大。

滴灌带长度为60 m时，Ⅰ～Ⅳ号灌水小区滴头监测点流量平均值分别为2.05、2.46、2.21、2.59 L/h ，Ⅰ号灌水小区滴头平均流量最小，Ⅳ号灌水小区滴头平均流量最大，相差0.54 L/h。同理，对于70、80 m长滴灌带同样适用，4组灌水小区的平均流量从大到小分别是Ⅳ号>Ⅱ号>Ⅲ号>Ⅰ号灌水小区。

Ⅰ号灌水小区监测点滴头流量最小，原因是Ⅰ号灌水小区支、毛管均是射流三通，射流三通作为脉冲发生器，能够使恒定的水流紊乱形成间歇性水流。射流空间内部水流紊乱，流速不均，水压不稳，波峰波谷交替进行产生脉冲振幅，导致灌水器进口压力随时间周期性变化，呈现脉冲射流状态。因此相同进口压力下，安装射流三通的灌水小区由于周期性脉冲水压的存在对灌水器的平均流量必定小于普通三通条件，则Ⅰ号灌水小区监测点平均流量最小，Ⅳ号灌水小区支、毛管均是普通三通，水流恒定，则滴头平均流量最大。Ⅱ号灌水小区滴头流量平均值比Ⅲ号大0.25 L/h，说明毛管射流三通对滴头流量的减小作用比支管射流三通减小作用更大一些。由于毛管射流三通相对支管射流三通进口小，产生射流流速小，射流两侧压差易于推动射流的偏转，则毛管射流三通摆动切换水流频率更快；相应地，支管射流三通进口流量大，射流两侧压差推动射流偏转与振荡不易，则产生脉冲水流振幅比毛管射流三通更小一些。在14 m总进口压力水头下，Ⅱ号灌水小区支管是射流三通， 对支路水流产生脉冲振荡效应，使水流紊乱，产生频率为126 次/min，振幅为28.42 kPa的脉冲水流，脉冲水流从支管射流三通产生至滴灌灌水器进口，一路沿程水头损失削减了脉冲水流势能，最后流经至滴灌带进口时为8.35m压力水头，几乎无脉冲效果。而Ⅲ号灌水小区，其毛管是射流三通直接对来自支管恒定水压的水流进行射流分流，产生频率为227 次/min，振幅为37.24 kPa的脉冲水流，最后流至滴灌带进口时为8.75 m压力水头。通过数据对比可以得出，Ⅲ号灌水小区毛管射流三通脉冲特性更好，沿程水头损失也较小，则Ⅲ号灌水小区滴头流量要小于Ⅱ号灌水小区支管射流三通条件。

2.2 滴灌带铺设长度对水头损失的影响

灌水器工作水头产生流量偏差主要是来源于管道输水过程中沿程水头损失和局部水头损失，因此减小水头损失有利于降低流量偏差，提高灌水器的灌水均匀度。

4组灌水小区滴灌带铺设长度对水头损失影响规律相同，Ⅰ号灌水小区支、毛管均是由射流三通组成，其射流元件的特殊结构能够产生脉冲水流，支、毛管产生脉冲波相互叠加，加剧水流紊乱，可以产生较强的水流冲击力，促使水流冲刷灌水器流道，则流至每个灌水器的流量较小且均匀。因此以Ⅰ号灌水小区为例，分析不同总进口压力水头下，滴灌带铺设长度对水头损失的影响，监测点流量分布如图4所示。

图4 不同滴灌带长度下的滴头流量分析Fig.4 Dropper flow analysis under different drip irrigation belt lengths

从图4可以看出，3组不同滴灌带长度对监测点滴头流量影响曲线均呈现中间高两侧低的驼峰状，这是由于滴灌带沿程中存在水头损失，滴灌带首部压力大，随着管道的增长压力递减，滴灌带尾部压力最小，由灌水器出流公式Q=khx得灌水器进口压力的减少导致出口流量的随之减少。因此滴灌带长度相同时，支管总进口压力的增大，滴头监测点流量随之增大。

支管总进口压力一定时，滴灌带长度的增加，各个灌水小区滴头流量随之增加，且滴头流量关系曲线整体上也越来越“陡”。例如15.5 m支管总进口压力水头下，60 m滴灌带长度首尾两端灌水器出流量相差0.20 L/h，80 m滴灌带长度首尾两端灌水器出流量相差为0.35 L/h，滴灌带铺设长度的增加，滴灌带尾部水头则逐渐减小，沿程水头损失在逐渐增大；且80 m长滴灌带比60 m滴头平均流量增加了0.21 L/h,得出相同进口压力下，滴灌带长度的增加灌水器出流量随之增加。

为了比较4组灌水小区在进口条件一致时水头损失的关系，整理数据如表2所示。支管总进口压力一定时，Ⅰ号灌水小区水头损失最小，Ⅳ号水头损失为最大，水头损失由小到达分别是Ⅰ<Ⅲ<Ⅱ<Ⅳ。原因是Ⅰ号灌水小区支、毛管均是射流三通，射流元件能够诱发恒定水流产生脉冲势能，脉冲水流压力随时间周期性变化，其中支管射流三通能够产生水头振幅为35.8 kPa、脉冲频率132 次/min的脉冲波与毛管射流三通产生脉冲振幅为32.7 kPa、脉冲频率220 次/min的脉冲波，支、毛管脉冲波在灌水器进口处汇集，波峰波谷相互叠加，加剧了水流紊乱，具备一定的脉冲能量，脉冲能量产生的水流冲击力可以使水流流至每个灌水器时流量基本相同，按照射流三通进口压力水头减去出口脉冲水流压力最大值的方法计算射流三通的水头损失，则支管总进口压力水头为9.5 m时，Ⅰ号灌水小区灌水器进口水头为4.6～5.0 m，总水头损失为4.5 m。射流三通可以诱发水流产生脉冲水流，促使水流流至每段灌水器上流量基本相同，则射流三通可以减小水头损失，提高灌水均匀性与减小流量偏差率。Ⅳ号灌水小区支、毛管均是普通三通，则整体水头损失最大。

表2 4组灌水小区在相同进口压力下水头损失的对比

Tab.2 Comparison of head loss under the same pressure in four groups of irrigation districts

水头损失对比支管三通类型支管水头振幅/kPa支管脉冲频率/(次·min-1)毛管进口水头/m支管水头损失/m毛管三通类型毛管脉冲振幅/kPa毛管脉冲频率/(次·min-1)灌水器进口压力水头/m毛管水头损失/m滴灌带滴头流量/(L·h-1)支管进口水头9.5m支管射流三通35.21326.8～7.22.3毛管射流三通34.72224.9～5.22.01.8734.61366.8～7.22.3毛管普通三通004.52.51.95支管普通三通007.02.5毛管射流三通33.02214.3～4.72.32.01007.02.5毛管普通三通004.52.52.07

Ⅱ号和Ⅲ号灌水小区相比，整体水头损失差别不大，在9.5 m总支管进口压力水头下，Ⅱ号灌水小区水头损失略小于Ⅲ号水头损失，原因是Ⅱ号灌水小区支管是射流三通，在支路产生脉冲频率为136 次/min，水头振幅为34.6 kPa的脉冲水流，Ⅲ号灌水小区由毛管射流三通所组成，在毛管处产生脉冲频率为221 次/min，水头振幅为33.0 kPa的脉冲水流，两者相比，Ⅲ号灌水小区的灌水器进口水流脉冲特性更好一些，则Ⅲ号水头损失更小一些，整体而言两者差别不大，但都小于Ⅳ号灌水小区，都大于Ⅰ号灌水小区。

2.3 灌水均匀系数与流量偏差率

支管总进口压力不同时，计算不同长度的滴灌带对灌水均匀系数和流量偏差率的影响，如图5所示。

图5 不同滴灌带长度下的灌水均匀度Fig.5 Irrigation uniformity under different drip irrigation belt lengths

比较图5同一灌水小区，灌水均匀系数整体上随压力水头的增加呈上升的趋势，流量偏差率随压力水头的增加呈减小的趋势；支管总进口压力相同时，滴灌带长度的增加，灌水均匀系数则相应减小，流量偏差率随滴灌带长度的增加而增加。

前文已经分析了射流三通可以诱发水流产生脉冲水流，具有提高灌水均匀性与减小流量偏差率的作用。滴灌带长度一定时，四组灌水小区在9.5～15.5 m总进口压力条件下，灌水小区灌水均匀系数从大到小整体上呈Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ号灌水小区，流量偏差率则相反。

Ⅰ号灌水小区支毛管均是射流三通，则灌水均匀性最好；Ⅳ号灌水小区支毛管均是普通三通，则灌水均匀性最差。Ⅱ、Ⅲ号灌水小区，由于支管射流三通和毛管射流三通脉冲特性在9.5～15.5 m支管进口压力下，产生脉冲水流具备的脉冲特性大致相同，则两者灌水小区灌水均匀度差别不大，数据显示，Ⅱ号灌水小区整体上会略大于Ⅲ号灌水小区。

流量偏差率反映系统各个滴头流量偏差的大小，四组灌水小区在相同条件下进行比较，I号灌水小区流量偏差率最小为14.20%，Ⅳ号流量偏差率最大为20.53%，Ⅱ和Ⅲ号流量偏差率分别为18.57%和15.99%，四组灌水小区流量偏差率大小为Ⅰ<Ⅲ<Ⅱ<Ⅳ号。

滴灌带长度相同时，I号灌水小区支、毛管均是射流三通，波峰、波谷交替振荡进行，最终能产生水头振幅为30 kPa以上，脉冲频率为240 次/min的脉冲水流，累计产生的脉冲水流的势能越大对水流流态影响越大，促使毛管每端灌水器上流量基本相同。因此在相同的时间周期内，各个滴头流量相对偏差最小，沿程水头损失最小，则I号灌水小区流量偏差率最小；Ⅳ号灌水小区的普通三通无脉冲效果，则Ⅳ号灌水小区流量偏差率最大。Ⅱ号和Ⅲ号灌水小区之间在9.5～15.5 m进口压力水头时，其支、毛管射流三通产生的脉冲特性大致相同，两者相比，流量偏差率相差不大，则Ⅱ、Ⅲ号灌水小区流量偏差率曲线出现“交叉”的现象，同Ⅳ号灌水小区相比，灌水均匀系数和流量偏差率均优于Ⅳ号灌水小区。

3 结 语

(1)具有脉冲水流的射流三通同普通三通相比，波动水压对灌水器的平均流量小于普通三通。滴灌带长度相同时，Ⅰ号灌水小区滴头平均流量最小，Ⅳ号灌水小区平均流量最大。滴灌带长度的增加，同一灌水小区滴头流量也随之增加。

(2)4组灌水小区，总进口压力水头相同时，毛管铺设长度越长，灌水小区水头损失越大；毛管铺设长度相同时，三通进口水头越大，则水头损失就越大。相同进口条件下，Ⅰ号灌水小区水头损失最小，Ⅳ号水头损失最大。

(3)同一灌水小区，滴灌带长度相同时，灌水均匀系数随压力水头的增加而增加，流量偏差率随压力水头的增加而减小；进口压力一定时，滴灌带长度的增加，灌水均匀系数随之减小，流量偏差率随之变大。射流三通可以提高灌水系统的灌水均匀系数和降低流量偏差率，则4组灌水小区相比，相同进口压力条件下，Ⅰ号灌水小区灌水均匀度最好，Ⅳ号灌水小区灌水均匀性度最差，且Ⅰ号灌水小区灌水均匀系数平均值比Ⅳ号灌水小区提高了2.56%～3.32%，流量偏差率降低了5.06%～8.20%。