微喷带不同结构参数的出流特性研究

张明智，路振广，尹卿芳，李 元，邱新强，杨浩晨，张玉顺，尹玉清

（1河南省水利科学研究院，郑州 450000；2河南省节水灌溉工程技术研究中心，郑州 450000；3河南省灌溉试验中心站，郑州 450000；4北京京水建设集团有限公司，北京 100038；5陕西师范大学西北国土资源中心，西安 710048）

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喷孔，通过这些喷孔喷射出流进行灌溉[1-2]，与传统滴灌相比，微喷带出水孔无消能结构设计，流速通常可达传统滴灌的十几倍，因而具有强挟沙力与优越的抗堵塞性[3-4]。此外，微喷带还具有铺设简单、单条控制范围大、灌水历时短、投资低、易回收等诸多优点[5-6]，在冬小麦、夏玉米、草坪、苗木等已大量使用，部分替代滴灌系统，其应用效果良好[7-9]。虽然，微喷带推广应用获得很大成就，但是，由于在应用中还存对微喷带的水量分布特点认识不足，造成了微喷带的选择和使用不科学，使得其灌溉效果差异较大。对于微喷带水量分布的影响因素主要包括微喷带组间与组内结构参数，其中组内结构参数是基础与核心，因此，探究微喷带组内结构参数水量分布规律，对于科学指导使用微喷带具有重要意义。

组内结构参数主要集中于微孔直径、微孔数量、微孔夹角、工作压力等方面[10-12]。前人研究发现微喷带微孔直径大小的稳定性有助于保障其喷洒性能的稳定[13]。随微孔直径的增加，喷洒幅度呈先增加后趋于平缓趋势，微孔直径0.6～0.8 mm抗堵塞性能强、灌水均匀度及雾化度较优。每组微孔数量越大，灌水均匀性越高[1]。然而，每组孔数越多意味微孔直径越小，其抗堵塞性能降低，灌溉水质及过滤设备的要求逐渐提高[12]。随喷射仰角的增加，喷洒幅度呈二次抛物线变化[1]，喷射角度40°时水流在空气中运动轨迹最长，分散几率最大，雾化效果好，压片式微喷带水流射程、湿润面积随微孔夹角的增加呈先增大后减小，45°时达峰值[13-15]。冬小麦从拔节期后采用仰角80°微喷带灌溉纵向灌溉时，行间土壤水分分布最为均匀[16-17]。毛管工作压力与单组流量服从幂指函数关系，随毛管工作压力的增加，喷洒宽度呈先增加后趋于平缓趋势[18-19]。

目前，对于微喷带组内结构参数单组微孔布置方式的相关研究较少。微孔数量、间距与夹角交互作用对单组流量影响的研究也较少，同时缺乏定性与定量描述微孔数量、间距、夹角与单组流量的相关关系。本研究拟通过室内模拟试验，以微喷带单组微孔为研究对象，首先，探究微孔数量、微孔夹角、微孔间距交互作用对单组微喷带水量分布的影响，其次，采用回归分析法获得微孔数量、微孔夹角、微孔间距与单组流量相关关系。本文旨在通过室内试验与回归分析，以期为微喷带的合理设计及推广应用提供基础理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年3—6月许昌市灌溉试验站（许昌·陈曹乡）室内中进行。试验基地位于34°76′N，113°24′E，属北温带大陆性季风气候，海拔85.0 m；多年平均气温14.7℃，年平均降雨量698 mm，8—10月降水量占全年降水量的65%以上，无霜期216.4天，全年日照时间约2183 h。

1.2 试验材料

试验于中心室内进行，水泵供水，利用分流原理控制系统工作压力恒定。试验平台由水泵、过滤器（120目筛网式）、闸阀、水表、精密压力表（量程0～0.10 MPa，精度0.01级）、自制雨量筒等构成，具体平台构成见图1。试验平台尺寸约3.0×4.0 m2。灌溉水来自本地区地下水。微喷带由河北沛雨灌溉设备科技有限公司（中国石家庄）提供，激光打孔，微孔直径0.8 mm，其微孔数量、间距及夹角参数见表1，充水后，微喷带呈圆形结构（直径32 mm）；停灌后，微喷带恢复扁平结构。

图1 测试平台示意图（主视图左，俯视图右）

灌水强度采用自制雨量筒量测量，其由木板格子和雨量筒构成，木板格子、雨量筒分别选用0.45×3.15 m2，直径15 cm，其中雨量筒放置以单组测量为例，见图3。

1.3 试验方案及过程

1.3.1 试验方案 图2表示微喷带组内结构参数设计形式，设置微孔数量(n，X1)、微孔夹角（微孔连接成线，线与水流方向的夹角，θ，X2）、微孔间距（两微孔直线距离，l，X3）三因素，其中设置微孔数量(n)4水平（1、2、3、5孔）；微孔夹角(θ)4个水平(0、30、60、90°)；微孔间距(l)4水平(0.2、0.4、0.8、1.2 cm)，共49个处理，见表1。其中微孔组间距L为40 cm，各处理随机分别选取3条长1.9 m毛管（4组微孔），每条毛管随机选取3组，每次测量一组，每组重复3次测定。

表1 试验方案

续表1

图2 微喷带结构参数示意图（3孔）

1.3.2 试验过程 根据图1安装试验平台，采用水准尺整平试验平台，保证微喷带水平铺设并使得各雨量筒均在同一个平面；利用0.10 MPa量程压力表控制工作压力，用防水布将雨量筒盖住，调整微喷带试验工作压力为0.01 MPa进行喷水，待压力稳定后，迅速撤掉试样上的防水布，同时开始计时，设置喷洒时间为15 min；计时结束时，迅速用防水布将试样罩住，并关闭水源，为雨量筒编号并依次称量。

1.3.3 建立坐标 规定面向水流方向为正方向（y轴），垂直水流左手边为正方向（X轴），灌水强度为z轴，如图3所示。

图3 单组微喷带坐标示意图（俯视图）

1.4 观测项目及观测方法

1.4.1 灌水强度 本研究指的是单个雨量筒的灌水强度h(mm/h)，采用雨量筒法进行测定，其中灌水强度峰值为每处理最大灌水强度，按照式(1)计算获得。

式中：m为雨量筒中水质量(g)；ρ为水的密度(g/cm3)；A效为雨量筒的湿润面积，灌水强度为≥0.13 mm/h的雨量筒面积之和，cm2；t为接水时间(h)。其中，干燥面积为湿润面积围成区域内，灌水强度为＜0.13 mm/h的雨量筒面积之和，cm2。

1.4.2 单组流量 定义为单组微孔喷射出水流中能够被雨量筒接收的水流之和。依据实测结果，按照公式(2)计算各单组流量Q(mL/h)。

式中：m为雨量筒中水质量(g)；ρ为水的密度(g/cm3)；t为接水时间(h)。

1.4.3 湿润率 湿润率(we)定义为微喷带喷洒幅度内有效雨量筒面积(A效)与喷洒宽幅内总雨量筒面积(A)的百分比值。

式中：we为湿润率(%)；A效为雨量筒的有效接水面积，即湿润面积(mm2)；A为喷洒幅度内总面积(mm2)。

1.5 数据分析

利用SPSS 22.0进行逐步线性回归分析，Excel进行灰色关联度、方差及通径分析，用AutoCAD2020与Origin Pro 2019绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对微喷带单组水量分布特性的影响

由图4可知，单孔水量分布较集中且呈尖塔形，距离微孔越近灌水量越高，约17.62 mL/h；在本研究中微孔上下出现0.16 mL/h的微小流量偏差，可能是由于制作工艺偏差，导致喷出的水柱水不能完全垂直于毛管，存在制作误差，同时不能完全保障每组的微孔垂直向上等因素造成的差异。

图4 微喷带单孔水量分布

由图5与表2可知，微孔夹角由0°增加90°时，湿润率均呈减小趋势，最高灌水强度呈先增加后降低，湿润面积与流量无显著变化规律。当微孔数量为2孔时，微孔间距由0.2增加至1.2 cm，湿润面积与单组流量呈先增加后降低趋势；灌水强度与湿润率均呈减小趋势。就灌水强度出现峰值情况而言，微孔夹角的变化对其影响较小，微孔间距的改变影响较大，二者交互作用对其影响更为显著。

图5 2孔微孔夹角与间距变化对微喷带水量分布的影响

由图6可知，微孔夹角由0°增加至90°时，喷洒幅度、湿润面积与单组流量呈先增加后减小趋势，其中30°较高；湿润率减小248.41%；灌水强度峰值呈先减小后增加趋势，其中30°较高。当微孔数量为3孔时，微孔间距由0.2 cm增加至1.2 cm，湿润面积与单组流量分别增加46.15%与63.42%；湿润率减小35.55%；灌水强度峰值呈先减小后增加趋势，其中0.2 cm较高。微孔间距与微孔夹角交互作用时，随着二者正向增加，湿润面积与单组流量呈先增加后降低趋势，湿润率呈降低趋势，灌水强度峰值数量由1增加至3，其中3K0D0.2处理灌水强度峰值最高。

图6 3孔微孔夹角与间距变化对微喷带水量分布的影响

由图7可知，微孔夹角由0°增加至90°时，喷洒幅度、湿润面积与单组流量呈先增加后减小趋势，其中30°较高；湿润率呈减小趋势，降低246.93%，其中0°湿润为100%；灌水强度峰值呈先减小后增加趋势，其中0°较高。当微孔数量为5孔时，微孔间距由0.2 cm增加至1.2 cm，湿润面积与单组流量基本均呈先增加后降低趋势，其中0.4 cm较高；湿润率呈减小趋势，降低36.22%；灌水强度峰值无显著性变化规律，其中微孔间距0.4 cm较高。微孔间距与微孔夹角交互作用时，5K60D0.4湿润面积及流量较高，5K0D0.4处理灌水强度峰值最高。

图7 5孔微孔夹角与间距变化对微喷带水量分布的影响

综合上述4图及表2发现，随着微孔数量的增加，湿润面积、湿润率、流量、灌水强度峰值均呈增加趋势，其中，与2孔相比，5孔湿润面积、湿润率、流量、灌水强度峰值分别增加89.11%、13.73%、339.38%、25.06%。

表2 不同处理对湿润面积、干燥面积、单组流量及灌水强度峰值的影响

2.2 组内结构参数与单组流量回归分析

以Q为因变量，X1、X2、X3为自变量，利用SPSS 22.0进行多元逐步回归分析（表3）。

由表3可知，微孔数量对单组流量存在显著性影响的(0.898)，3因素中微孔数量对流量影响最大，其次微孔夹角，微孔间距最小。微孔数量可对单组流量的大范围调节，还需微孔夹角粗调，再通过微孔间距进行细调，最终实现单组流量高精度控制。

表3 多元线性逐步回归分析

多元线性回归方程为Q=22071.74X1+11247.09X2-7.34X3-34430.54，该模型检验度为极显著水平(F=67.01，sig=0.000)。其多元决定系数R2=0.820，调整后R2=0.808，表明因变量的变异中80.00%可由线性回归方程部分来解释，误差仅占19.20%，该模型中微孔数量、微孔夹角、微孔间距可解释单组流量的程度在80.00%以上，可用微孔数量、微孔夹角、微孔间距来实现对单组流量的预估。该模型中微孔数量、微孔夹角、微孔间距对单组流量的贡献率分别为90.00%、14.00%和1.00%。

3 讨论

3.1 微喷带微孔数量、夹角、间距对单组水量分布的影响

本研究发现，微孔数量由1孔增加至5孔时，单组流量、湿润面积均呈增加趋势，可能是由于相同压力下，毛管水流流速与微孔直径相同时，随着微孔数量的增加出流断面增加，导致其单组流量增加，水流喷射空中雾化面积大，易于提高单位面积湿润率，同时，土壤入渗能力有限，易增加地表径流，进一步增加地表湿润面积[20-21]。与孙红梅[22]研究结论一致。也与张学军[12]研究5孔时有效喷洒幅度大于3孔结论一致。然而，张学军还发现随微孔数量的增加有效喷洒幅度呈先增加后降低趋势，可能由于管径相同时，微孔数量增加一定程度时势必会降低微孔直径，单组流量会出现降低现象，至于本研究微孔数量高于5孔时有效喷洒幅度是否会出现降低趋势，还有待于进一步试验论证。

本研究发现微孔夹角的30°时湿润面积较大，与王建军等[13]研究结论一致，然而，徐茹[5]、邸志刚[1]、张学军[12]研究认为喷射仰角40°～50°时湿润面积较大，与本研究结论存在较大误差，由于毛管管径的差异，邸志刚、张学军采用的毛管管径最小为40 mm以上，本研究采用管径32 mm，还可能由于喷洒幅度不仅仅受微孔夹角的影响，微孔组间距、数量也起到直接与间接影响，对于本研究交互作用下喷射仰角30°～60°之间是否存在40°～45°较大值，还有待于进一步试验论证。于国丰等[14]认为湿润区幅度均随喷射角度的增大而减小，与本研究大多数结论不一致，主要是由于本研究微喷带为无边圆柱形，于国丰等采用的微喷带具有压边结构。

本研究发现组内微孔间距越大其单组流量呈先增加后略微降低现象，由于孔口出流量除与孔口作用水头有关外，还与孔口流量系数有关，在作用水头沿程减小不大的“短管[23]”情况下，多孔配水管管内以紊流为主，层流较少，孔口处流量沿程出现局部增大现象[24-26]，在相同直径的多孔出流中，随短管内微孔间距的增加，其配水均匀度系数呈现出先增加后降低现象[27-28]。

3.2 微喷带微孔数量、夹角、间距与单组流量的相关关系

微喷带组内结构参数布孔方式、孔组间距以及孔数决定微喷带单位长度的总出流量，同时也改变单组流量、灌水均匀性、水分分布、地表湿润面积等[5,29-30]。本研究发现微孔数量对单组流量的影响起主导作用，其次微孔间距与微孔夹角，其中微孔间距、夹角均通过改变喷射仰角实现微喷灌溉，其中微孔间距单位变化范围对喷射仰角影响大于微孔夹角，表明微孔数量可以实现对单组流量的大范围调节，要想实现高精度单组流量控制，还需通过微孔夹角粗调，再通过微孔间距进行细调。多元线性回归方程Q=22071.74 X1+11247.09 X2-7.34 X3-34430.54具有较好的适配度，可用微孔数量、微孔夹角、微孔间距来实现对单组流量的预估。但是，该模型误差e值较大(0.180)，说明尚有一些影响因素未被考虑在内，还有待于进一步研究。

4 结论

微孔数量对单组流量存在显著性影响的(0.898)，3因素中微孔数量对流量影响最大，其次微孔夹角，微孔间距最小。随着微孔数量的增加，湿润面积、湿润率、流量、灌水强度峰值均呈增加趋势。随微孔间距与夹角的增加，湿润面积与单组流量呈先增加后降低趋势；湿润率呈减小趋势；灌水强度峰值无显著性变化规律，整体而言微孔间距与夹角越小其值较高。描述性统计分析发现，单组流量服从正态分布，多元线性回归方程为Q=22071.74 X1+11247.09 X2-7.34 X3-34430.54，该模型中微孔数量、微孔夹角、微孔间距对单组流量的贡献率分别为90.00%、14.00%和1.00%，3因素在该模型中可解释单组流量的程度在80.00%以上，可用实现对单组流量的预估。