纵向结构优化下微喷带喷洒特性研究

李道西，刘 欢，侯皓森，周庭全，卢争光，高世凯，李彦彬

▪灌溉技术与装备▪

纵向结构优化下微喷带喷洒特性研究

李道西，刘 欢，侯皓森，周庭全，卢争光，高世凯，李彦彬

（华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046）

【目的】探究纵向结构优化对微喷带喷洒特性的改善效果。【方法】以市场上常见的N42斜3孔（CK1）和N42斜5孔（CK2）微喷带为对照，探索30 m斜3孔与10 m斜5孔的组合微喷带（T31）、20 m斜3孔与20 m斜5孔的组合微喷带（T11）在4个工作压力下的喷洒特性。【结果】微喷带的压力、单孔流量、射程、水量分布范围随工作压力的增大而增大，在沿管长方向上逐渐减小；CK1、T31、T11的整体喷洒均匀度先增大后减小，CK2的整体喷洒均匀度持续增大，当T11在0.035 MPa工作压力下，整体喷洒均匀度为63.8%。【结论】改变微喷带的结构和工作压力能够提高微喷带的喷洒均匀度，在微喷带末端通过减小孔间距离和增加孔数可提高喷洒均匀度。不同结构的微喷带存在不同的最优工作压力，应根据微喷带的结构选择合适的工作压力。

微喷带；工作压力；结构优化；喷洒特性

0 引言

【研究背景】微喷带灌溉是一种高效节水灌溉技术。微喷带是由聚乙烯软管在打孔设备上直接加工形成有规律的小孔，通过这些小孔进行灌溉的设备[1]。它具有抗堵塞性能好、喷洒均匀度高、适应范围广等优点[2-3]。目前，中国的微喷带尚缺乏统一技术标准，大多参考《微灌工程技术规范》进行设计和生产[4]。

【研究进展】国内外学者对微喷带的喷洒特性进行了研究。王一博等[5]探讨了在低水头条件下微喷带的水量分布特征及喷洒均匀度。费顺华等[6]研究了在1 m水头下微喷带的沿程单孔出流流量。吴征文[7]等提出了微喷带沿管长方向水头损失的经验公式。周斌等[8]研究了微喷带单孔水量分布与干燥、湿润区宽度等因素之间的关系。徐茹等[9]研究发现，微喷带的管径、孔数与工作压力都会对微喷带的喷洒特性产生影响。王建军等[10]采用正交试验探究了微喷带的铺设长度、孔口间距、喷水孔直径对喷洒均匀度的影响。徐茹[11]研究发现，提升工作压力可以提高喷洒均匀度，但并不是压力越大均匀度越高，且不同直径微喷带存在不同的最优工作压力范围。王琪等[12]研究发现，微喷带与地面之间的角度不同时，喷洒出水流的运动轨迹也不同，喷洒距离也不相同。Doboer等[13]通过对单个喷头开展水力学试验研究，运用弹道轨迹模型研究了喷洒水滴的运动轨迹，探究微喷带的水量分布。Bombardelli等[14]利用模型研究微喷带灌溉系统中接连处所引起的局部水头损失，获得流量和局部水头损失系数（）的函数曲线。

【切入点】以上研究反映了微喷带的喷洒特性，但大多基于单一的微喷带结构，而关于微喷带结构优化对其喷洒特性影响的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究通过试验探寻更优的微喷带结构设计，探讨纵向结构优化对微喷带喷洒特性的改善效果，研究结果对于建立微喷带技术规范和优化微喷带灌溉制度具有重要的理论指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取国内常用的折径为32 mm的斜3孔和斜5孔薄壁软塑料微喷带，以斜5孔微喷带为例，结构样式如图1所示，2种微喷带的型号参数详见表1。

图1 斜5孔微喷带结构样式

表1 微喷带结构参数

1.2 试验方法

试验于2021年10月—2022年5月在华北水利水电大学农业高效用水试验厂（34°78′N，113°78′E）内进行，试验场地平整（坡度小于1%），选择无风天进行试验，水源为深井水，无须过滤，供水压力稳定。测定指标为微喷带的沿程喷洒流量、压力以及最大喷洒距离。试验装置包括水泵（功率7.5 kw、流量20 m3/h、扬程67 m）、调压阀、精密压力表（0.25级、量程为0.16 MPa）、天秤（精度10-3g）、塑料集水碗（碗口面积为240 cm2）、自制移动压力表（压力表规格与精密压力表相同）。试验所用微喷带的最大工作压力为0.08 MPa，本次试验在0.025～0.04 MPa范围内每隔0.005 MPa设置一个工作压力，共计4组压力。以40 m的斜3孔（CK1）和斜5孔（CK2）微喷带为对照，探索30 m斜3孔与10 m斜5孔的组合微喷带（T31）、20 m斜3孔与20 m斜5孔的组合微喷带（T11）在4个工作压力下的喷洒特性（表2），为了减小微喷带连接处产生的水头损失，在改变结构时，对2种微喷带的连接处用PE专用胶进行粘连，试验布置如图2所示。

表2 试验设计

图2 试验布置

微喷带的喷洒效果和喷灌相近，但喷洒特征与喷灌不同。微喷带在平整铺设时，处在管带中心的小孔喷洒分散程度低，水量大多集中于管带附近，管带侧边小孔的喷洒距离较远，降水分散程度高。微喷带降水分布（以斜5孔微喷带为例）如图3所示。

1.3 测定指标与方法

试验所用微喷带长度为40 m，沿管长方向每隔5 m设置1个测量点，共计9处测量点，第1处记为1、第2处记为2，…，第9处记为9。

图3 微喷带降水分布示意

1）压力测量。利用自制移动压力表（由精密压力表和输液器密封制作）分别测量沿管长方向上各位置点处的压力，将输液器针头插入微喷带小孔内，利用连通器原理进行测量。

2）单孔喷洒流量计算。在每次试验前，先用塑料薄膜遮挡微喷带，调节压力值，待压力稳定3 min后，将塑料小碗放入对应测量点，并将该位置小孔用轻质塑料水瓶套住，收集1组小孔所喷洒的水量，单孔喷洒流量计算式为：

式中：为微喷带单孔流量（L/h）；为一个塑料集水碗的集水量（L）；为孔数；为每组试验所用时间（h）。

3）水量分布图的绘制与喷洒均匀度的计算。在测量喷洒均匀度时，在微喷带一侧布置收集水量的装置，用来收集微喷带喷洒的降水量；每次试验开始前，将微喷带管用塑料薄膜全部遮挡后调节到设定的工作压力，待压力稳定3 min后，将塑料薄膜迅速移开，开始计时。在喷洒10 min后关闭阀门，测量各测点的降水量，根据各点收集的降水量，利用克里金插值法绘制微喷带水量分布等值线图、计算喷洒均匀度，计算方法采用克里斯琴系数法[15]，计算方法如式（2）、式（3）所示：

4）射程计算。微喷带的射程—是指有效湿润区范围内的最远距离，根据《农业灌溉设备非旋转式喷头设计要求和试验方法》（GB/T 50485—2009）规定，单根微喷带管的有效喷洒范围是喷洒宽度为灌水强度为0.13 mm/h对应的点距喷头中心线的距离。微喷带射程测量是利用在水量分布过程中得到的不同位置点降水强度为依据进行计算。

2 结果与分析

2.1 微喷带的压力变化

由图4可知，相同工作压力下，不同微喷带的压力变化相同，均随着测量点位的增大而减小。4种微喷带末尾压力下降幅度依次为：CK2>T11>T31>CK1。与第1测量点相比，4种微喷带均在前4个测量点压力降幅较大。以工作压力0.03 MPa为例，与第1测量点相比，CK1、CK2、T31、T11在第9测量点压力分别下降了27.0%、54.0%、30.7%、50.7%，其中到第4测量点处分别下降了16.7%、40.0%、20.0%、39.3%，在后3个测量点只有小幅度变化。不同工作压力下，微喷带沿管长方向的压力变化趋势基本一致，均随着距首端距离的增加而降低。4种微喷带沿管长方向压力的变化幅度不同，但变化趋势基本一致。微喷带上喷水孔数量越多、工作压力越大，首尾压力差越大。

图4 不同结构下微喷带的压力变化

2.2 微喷带的单孔流量变化

由图5可知，相同工作压力下，4种微喷带在同一测量点的单孔流量不同。CK1首尾两端的单孔流量差值较小，变化也较为平缓；CK2的首端单孔流量最大，首尾两端流量差值也最大；T31在前6个测量点处的流量逐渐减小，但在第7个测量点流量突然增大；T11的变化趋势与CK1相似。不同工作压力下，4种微喷带沿管长方向各测点的单孔流量、首尾流量差均随工作压力的增大而增大。

图5 不同结构下微喷带的单孔流量变化

2.3 微喷带的射程变化

由图6可知，4种微喷带对应测量点的射程均随工作压力的增大而增大，但在相同压力下表现各异，相邻压力之间射程的改变幅度也不同。相同工作压力下，4种微喷带首端射程大小为：CK1>T11>T31>CK2，末端射程大小为：CK1>T31>T11>CK2。工作压力越大，微喷带射程越大。CK1的射程随工作压力增加，增幅逐渐减小；CK2的射程随工作压力增加的幅度与其他3种微喷带相比较小；T31的射程在工作压力由0.03 MPa增加到0.04 MPa时增幅较大；T11的射程在工作压力由0.03 MPa增加到0.035 MPa时增幅最小。此外，工作压力越大，CK1、CK2首尾压力差就越大，而T31、T11首尾射程差的变化没有明显规律。

图6 不同结构下微喷带的射程变化

2.4 微喷带水量分布特征

由图7可知，CK1在垂直于微喷带方向的降水主要由2部分组成。第一部分是位于管带中心小孔所喷洒的水量，主要集中在管带附近；第二部分是由位于管带侧面喷水孔所喷洒的水量，主要集中在远离管带区域。这是因为CK1在工作时管带中心喷水孔喷洒范围小，侧面喷水孔喷洒范围大，但喷洒距离远，造成CK1在垂直于微喷带方向的水量分布差值较大；CK1在沿管长方向的远离管带区域的降水逐渐向微喷带中心靠近，且降水呈逐渐减小的趋势。CK2在垂直于微喷带方向的降水组成形式与CK1相同，但其降水分布均匀性较高，水量分布差值较小，相同工作压力下垂直于微喷带方向的降水集中区域距离微喷带更近。本文选择CK1和CK2在0.03 MPa工作压力下沿管长的水量分布作为典型，因水量分布特征与微喷带工作压力、结构相关，其他试验处理下的分布特征可参考图4。

图7 水量分布

2.5 微喷带的喷洒均匀度

喷洒均匀度能直接反映微喷带的喷洒质量。由于微喷带各个测量点降水强度存在一定差异，因此先计算各个测量点的喷洒均匀度，然后取平均值作为评价不同处理下喷洒质量的标准。不同处理下各测量点的均匀度系数计算结果如表3所示。CK1均匀度平均值随压力的增大呈先增大后减小的趋势，在0.03 MPa的工作压力下均匀度平均值最大；CK2均匀度平均值随压力的增大而增大，且在0.04 MPa的工作压力下达到最大；T31与T11均匀度平均值均在0.035 MPa的工作压力下达到最大，分别为58.4%和63.8%。

表3 不同结构下微喷带的喷洒均匀度

3 讨论

相同工作中压力条件下，4种微喷带压力在沿管长方向的变化趋势基本一致。前15 m表现为大幅度下降，后10 m表现为小幅度震荡；斜3孔、斜5孔、1∶1结构优化微喷带流量的变化规律和压力相似，3∶1优化微喷带的流量在前30 m逐渐减小，第30 m突然增大后又减小，其中斜5孔微喷带的首端单孔流量最大，而同时末端流量降幅最大；4种微喷带首尾两端射程的大小并不相同：微喷带首端3∶1大于1∶1优化微喷带射程，而末尾处相反。这可能是因为微喷带的压力和喷洒流量相互影响，当管带内压力大，单孔流量和压力损失就越大，引起了微喷带在压力大、喷水孔数量多的情况下压力和流量的变化幅度大；斜3孔与斜5孔微喷带末端受到封堵的影响，造成在后10 m出现小幅度波动，3∶1优化微喷带流量的变化可能是因为在后10 m处受结构和压力的震荡变化，引起了流量出现大幅度改变；射程的变化可能是受微喷带结构的影响，不同比例长度下沿管长方向的流量压力变化不同，引起末尾处射程变化幅度不同。

随着工作压力的增大，微喷带管内压力、沿管长方向单孔流量、射程、水量分布范围、首尾压力差、单孔流量差均逐渐增大。原因可能是首端工作压力的增大提高了微喷带管内的流量和压力，增大了微喷带沿管长方向的单孔流量，压力的增大使喷洒出的水流在水平方向上具有更多的动能。斜3孔与斜5孔微喷带首尾的射程差随压力的增大而增大，但2种组合结构下的微喷带规律不明显，这可能是因为在微喷带末端改变了微喷带的结构，引起了不同于未优化微喷带的差异。

斜3孔和斜5孔在相同压力下水量分布不同。斜3孔微喷带水量分布范围较大，斜5孔水量分布均匀性高、且降水强度大；沿着微喷带方向水量集中区域逐渐向管带中心靠拢。这可能是因为斜3孔微喷带管带侧面只存在一个喷水孔，降水强度小，喷洒范围大，斜5孔微喷带管带侧面存在2个不同角度的喷水孔，这2个喷水孔所喷洒的降水集中区域有交叉，同时因为角度不同的2个小孔喷洒水流相互打击的作用，而引起同样压力下斜5孔的降水集中区域较斜3孔距离管带近、降水强度大；微喷带末端压力减小的情况下，水量分布范围减少，降水强度降低。

4 结论

相同工作压力下，微喷带沿管长方向的压力变化与微喷带的结构有关，微喷带的孔数越多，沿管长方向压力下降越快；当增大工作压力时，微喷带沿管长方向压力和压力损失逐渐增大。

微喷带工作压力越大，单孔喷洒流量、射程越大。工作压力主要影响降水的分散程度和主要集中区域，不同结构的微喷带，其喷洒流量、水量分布、射程对压力变化的响应不同，通过结构优化，可减小微喷带管长方向单孔流量、射程的变化，使微喷带降水分布更均匀。

不同结构微喷带存在不同的最优压力值，在微喷带末端通过增加孔数和减小孔距能提高喷洒均匀度。

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Optimizing the Structure of Micro-spray Tape to Improve Irrigation Uniformity

LI Daoxi, LIU Huan, HOU Haosen, ZHOU Tingquan, LU Zhengguang, GAO Shikai, LI Yanbin

(School of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

【Objective】Micro-spray irrigation is a common technology used for different purposes. The aim of this paper is to experimentally study how to improve spraying uniformity by optimizing the structure of the spray tapes.【Method】The two commercial spray tapes, N32 slant 3-hole (CK1) and N32 slant 5-hole (CK2) were used as references. We studied the improvement of the 30 m slant 3-hole combined with 10 m slant 5-hole micro spray tape (T31), as well as the 20 m slant 3-hole combined with 20 m slant 5-hole micro spray tape (T32), compared to the references. Each micro-spray tape was tested under four working pressures.【Result】With the increase in working pressure, water pressure in the tapes, single-hole flow rate, spraying distance, water distribution area all increased. With the increase in working pressure, these factors gradually decreased in the direction of the tube rectangle, though the decrease varied with spray tape. With the increases in working pressure, the spraying uniformity of CK1, T31and T11increased first and then decreased, while the uniformity of CK2consistently increased. When working pressure was 0.035 MPa, the overall spray uniformity of T11was 63.8%, the highest among all treatments.【Conclusion】Optimizing the structure of micro spray tape combined with adjusting working pressure can improve spray uniformity of the micro spray irrigation. Reducing the space between adjacent holes (i.e., to increase the number of holes) at the end of the tape can improve spraying uniformity. For the four micro-spray tapes we tested, each micro spray tape has an associated optimal working pressure, and correctly setting the working pressure is hence important to improve irrigation efficiency and uniformity.

micro-spray tape; working pressure; structural optimization; spraying characteristics

李道西, 刘欢, 侯皓森, 等. 纵向结构优化下微喷带喷洒特性研究[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(5): 75-81.

LI Daoxi, LIU Huan, HOU Haosen, et al. Optimizing the Structure of Micro-spray Tape to Improve Irrigation Uniformity[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 75-81.

S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022353

1672 - 3317（2023）05 - 0075 - 07

2022-06-24

国家自然科学基金项目（52179015）；河南省重点研发与推广项目（212102110031）

李道西（1978-），男。副教授，博士，研究方向为节水灌溉理论与技术。E-mail: ldx97042@163.com

责任编辑：韩 洋