李道西，劉 歡，侯皓森，周庭全，盧爭光，高世凱，李彥彬

?灌溉技術(shù)與裝備?

縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化下微噴帶噴灑特性研究

李道西，劉 歡，侯皓森，周庭全，盧爭光，高世凱，李彥彬

（華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046）

【目的】探究縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化對微噴帶噴灑特性的改善效果。【方法】以市場上常見的N42斜3孔（CK1）和N42斜5孔（CK2）微噴帶為對照，探索30 m斜3孔與10 m斜5孔的組合微噴帶（T31）、20 m斜3孔與20 m斜5孔的組合微噴帶（T11）在4個(gè)工作壓力下的噴灑特性?！窘Y(jié)果】微噴帶的壓力、單孔流量、射程、水量分布范圍隨工作壓力的增大而增大，在沿管長方向上逐漸減?。籆K1、T31、T11的整體噴灑均勻度先增大后減小，CK2的整體噴灑均勻度持續(xù)增大，當(dāng)T11在0.035 MPa工作壓力下，整體噴灑均勻度為63.8%?！窘Y(jié)論】改變微噴帶的結(jié)構(gòu)和工作壓力能夠提高微噴帶的噴灑均勻度，在微噴帶末端通過減小孔間距離和增加孔數(shù)可提高噴灑均勻度。不同結(jié)構(gòu)的微噴帶存在不同的最優(yōu)工作壓力，應(yīng)根據(jù)微噴帶的結(jié)構(gòu)選擇合適的工作壓力。

微噴帶；工作壓力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；噴灑特性

0 引言

【研究背景】微噴帶灌溉是一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)。微噴帶是由聚乙烯軟管在打孔設(shè)備上直接加工形成有規(guī)律的小孔，通過這些小孔進(jìn)行灌溉的設(shè)備[1]。它具有抗堵塞性能好、噴灑均勻度高、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。目前，中國的微噴帶尚缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大多參考《微灌工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[4]。

【研究進(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者對微噴帶的噴灑特性進(jìn)行了研究。王一博等[5]探討了在低水頭條件下微噴帶的水量分布特征及噴灑均勻度。費(fèi)順華等[6]研究了在1 m水頭下微噴帶的沿程單孔出流流量。吳征文[7]等提出了微噴帶沿管長方向水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式。周斌等[8]研究了微噴帶單孔水量分布與干燥、濕潤區(qū)寬度等因素之間的關(guān)系。徐茹等[9]研究發(fā)現(xiàn)，微噴帶的管徑、孔數(shù)與工作壓力都會(huì)對微噴帶的噴灑特性產(chǎn)生影響。王建軍等[10]采用正交試驗(yàn)探究了微噴帶的鋪設(shè)長度、孔口間距、噴水孔直徑對噴灑均勻度的影響。徐茹[11]研究發(fā)現(xiàn)，提升工作壓力可以提高噴灑均勻度，但并不是壓力越大均勻度越高，且不同直徑微噴帶存在不同的最優(yōu)工作壓力范圍。王琪等[12]研究發(fā)現(xiàn)，微噴帶與地面之間的角度不同時(shí)，噴灑出水流的運(yùn)動(dòng)軌跡也不同，噴灑距離也不相同。Doboer等[13]通過對單個(gè)噴頭開展水力學(xué)試驗(yàn)研究，運(yùn)用彈道軌跡模型研究了噴灑水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，探究微噴帶的水量分布。Bombardelli等[14]利用模型研究微噴帶灌溉系統(tǒng)中接連處所引起的局部水頭損失，獲得流量和局部水頭損失系數(shù)（）的函數(shù)曲線。

【切入點(diǎn)】以上研究反映了微噴帶的噴灑特性，但大多基于單一的微噴帶結(jié)構(gòu)，而關(guān)于微噴帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化對其噴灑特性影響的研究尚未見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究通過試驗(yàn)探尋更優(yōu)的微噴帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探討縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化對微噴帶噴灑特性的改善效果，研究結(jié)果對于建立微噴帶技術(shù)規(guī)范和優(yōu)化微噴帶灌溉制度具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取國內(nèi)常用的折徑為32 mm的斜3孔和斜5孔薄壁軟塑料微噴帶，以斜5孔微噴帶為例，結(jié)構(gòu)樣式如圖1所示，2種微噴帶的型號參數(shù)詳見表1。

圖1 斜5孔微噴帶結(jié)構(gòu)樣式

表1 微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021年10月—2022年5月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水試驗(yàn)廠（34°78′N，113°78′E）內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)場地平整（坡度小于1%），選擇無風(fēng)天進(jìn)行試驗(yàn)，水源為深井水，無須過濾，供水壓力穩(wěn)定。測定指標(biāo)為微噴帶的沿程噴灑流量、壓力以及最大噴灑距離。試驗(yàn)裝置包括水泵（功率7.5 kw、流量20 m3/h、揚(yáng)程67 m）、調(diào)壓閥、精密壓力表（0.25級、量程為0.16 MPa）、天秤（精度10-3g）、塑料集水碗（碗口面積為240 cm2）、自制移動(dòng)壓力表（壓力表規(guī)格與精密壓力表相同）。試驗(yàn)所用微噴帶的最大工作壓力為0.08 MPa，本次試驗(yàn)在0.025～0.04 MPa范圍內(nèi)每隔0.005 MPa設(shè)置一個(gè)工作壓力，共計(jì)4組壓力。以40 m的斜3孔（CK1）和斜5孔（CK2）微噴帶為對照，探索30 m斜3孔與10 m斜5孔的組合微噴帶（T31）、20 m斜3孔與20 m斜5孔的組合微噴帶（T11）在4個(gè)工作壓力下的噴灑特性（表2），為了減小微噴帶連接處產(chǎn)生的水頭損失，在改變結(jié)構(gòu)時(shí)，對2種微噴帶的連接處用PE專用膠進(jìn)行粘連，試驗(yàn)布置如圖2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 試驗(yàn)布置

微噴帶的噴灑效果和噴灌相近，但噴灑特征與噴灌不同。微噴帶在平整鋪設(shè)時(shí)，處在管帶中心的小孔噴灑分散程度低，水量大多集中于管帶附近，管帶側(cè)邊小孔的噴灑距離較遠(yuǎn)，降水分散程度高。微噴帶降水分布（以斜5孔微噴帶為例）如圖3所示。

1.3 測定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)所用微噴帶長度為40 m，沿管長方向每隔5 m設(shè)置1個(gè)測量點(diǎn)，共計(jì)9處測量點(diǎn)，第1處記為1、第2處記為2，…，第9處記為9。

圖3 微噴帶降水分布示意

1）壓力測量。利用自制移動(dòng)壓力表（由精密壓力表和輸液器密封制作）分別測量沿管長方向上各位置點(diǎn)處的壓力，將輸液器針頭插入微噴帶小孔內(nèi)，利用連通器原理進(jìn)行測量。

2）單孔噴灑流量計(jì)算。在每次試驗(yàn)前，先用塑料薄膜遮擋微噴帶，調(diào)節(jié)壓力值，待壓力穩(wěn)定3 min后，將塑料小碗放入對應(yīng)測量點(diǎn)，并將該位置小孔用輕質(zhì)塑料水瓶套住，收集1組小孔所噴灑的水量，單孔噴灑流量計(jì)算式為：

式中：為微噴帶單孔流量（L/h）；為一個(gè)塑料集水碗的集水量（L）；為孔數(shù)；為每組試驗(yàn)所用時(shí)間（h）。

3）水量分布圖的繪制與噴灑均勻度的計(jì)算。在測量噴灑均勻度時(shí)，在微噴帶一側(cè)布置收集水量的裝置，用來收集微噴帶噴灑的降水量；每次試驗(yàn)開始前，將微噴帶管用塑料薄膜全部遮擋后調(diào)節(jié)到設(shè)定的工作壓力，待壓力穩(wěn)定3 min后，將塑料薄膜迅速移開，開始計(jì)時(shí)。在噴灑10 min后關(guān)閉閥門，測量各測點(diǎn)的降水量，根據(jù)各點(diǎn)收集的降水量，利用克里金插值法繪制微噴帶水量分布等值線圖、計(jì)算噴灑均勻度，計(jì)算方法采用克里斯琴系數(shù)法[15]，計(jì)算方法如式（2）、式（3）所示：

4）射程計(jì)算。微噴帶的射程—是指有效濕潤區(qū)范圍內(nèi)的最遠(yuǎn)距離，根據(jù)《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備非旋轉(zhuǎn)式噴頭設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)方法》（GB/T 50485—2009）規(guī)定，單根微噴帶管的有效噴灑范圍是噴灑寬度為灌水強(qiáng)度為0.13 mm/h對應(yīng)的點(diǎn)距噴頭中心線的距離。微噴帶射程測量是利用在水量分布過程中得到的不同位置點(diǎn)降水強(qiáng)度為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴帶的壓力變化

由圖4可知，相同工作壓力下，不同微噴帶的壓力變化相同，均隨著測量點(diǎn)位的增大而減小。4種微噴帶末尾壓力下降幅度依次為：CK2>T11>T31>CK1。與第1測量點(diǎn)相比，4種微噴帶均在前4個(gè)測量點(diǎn)壓力降幅較大。以工作壓力0.03 MPa為例，與第1測量點(diǎn)相比，CK1、CK2、T31、T11在第9測量點(diǎn)壓力分別下降了27.0%、54.0%、30.7%、50.7%，其中到第4測量點(diǎn)處分別下降了16.7%、40.0%、20.0%、39.3%，在后3個(gè)測量點(diǎn)只有小幅度變化。不同工作壓力下，微噴帶沿管長方向的壓力變化趨勢基本一致，均隨著距首端距離的增加而降低。4種微噴帶沿管長方向壓力的變化幅度不同，但變化趨勢基本一致。微噴帶上噴水孔數(shù)量越多、工作壓力越大，首尾壓力差越大。

圖4 不同結(jié)構(gòu)下微噴帶的壓力變化

2.2 微噴帶的單孔流量變化

由圖5可知，相同工作壓力下，4種微噴帶在同一測量點(diǎn)的單孔流量不同。CK1首尾兩端的單孔流量差值較小，變化也較為平緩；CK2的首端單孔流量最大，首尾兩端流量差值也最大；T31在前6個(gè)測量點(diǎn)處的流量逐漸減小，但在第7個(gè)測量點(diǎn)流量突然增大；T11的變化趨勢與CK1相似。不同工作壓力下，4種微噴帶沿管長方向各測點(diǎn)的單孔流量、首尾流量差均隨工作壓力的增大而增大。

圖5 不同結(jié)構(gòu)下微噴帶的單孔流量變化

2.3 微噴帶的射程變化

由圖6可知，4種微噴帶對應(yīng)測量點(diǎn)的射程均隨工作壓力的增大而增大，但在相同壓力下表現(xiàn)各異，相鄰壓力之間射程的改變幅度也不同。相同工作壓力下，4種微噴帶首端射程大小為：CK1>T11>T31>CK2，末端射程大小為：CK1>T31>T11>CK2。工作壓力越大，微噴帶射程越大。CK1的射程隨工作壓力增加，增幅逐漸減??；CK2的射程隨工作壓力增加的幅度與其他3種微噴帶相比較??；T31的射程在工作壓力由0.03 MPa增加到0.04 MPa時(shí)增幅較大；T11的射程在工作壓力由0.03 MPa增加到0.035 MPa時(shí)增幅最小。此外，工作壓力越大，CK1、CK2首尾壓力差就越大，而T31、T11首尾射程差的變化沒有明顯規(guī)律。

圖6 不同結(jié)構(gòu)下微噴帶的射程變化

2.4 微噴帶水量分布特征

由圖7可知，CK1在垂直于微噴帶方向的降水主要由2部分組成。第一部分是位于管帶中心小孔所噴灑的水量，主要集中在管帶附近；第二部分是由位于管帶側(cè)面噴水孔所噴灑的水量，主要集中在遠(yuǎn)離管帶區(qū)域。這是因?yàn)镃K1在工作時(shí)管帶中心噴水孔噴灑范圍小，側(cè)面噴水孔噴灑范圍大，但噴灑距離遠(yuǎn)，造成CK1在垂直于微噴帶方向的水量分布差值較大；CK1在沿管長方向的遠(yuǎn)離管帶區(qū)域的降水逐漸向微噴帶中心靠近，且降水呈逐漸減小的趨勢。CK2在垂直于微噴帶方向的降水組成形式與CK1相同，但其降水分布均勻性較高，水量分布差值較小，相同工作壓力下垂直于微噴帶方向的降水集中區(qū)域距離微噴帶更近。本文選擇CK1和CK2在0.03 MPa工作壓力下沿管長的水量分布作為典型，因水量分布特征與微噴帶工作壓力、結(jié)構(gòu)相關(guān)，其他試驗(yàn)處理下的分布特征可參考圖4。

圖7 水量分布

2.5 微噴帶的噴灑均勻度

噴灑均勻度能直接反映微噴帶的噴灑質(zhì)量。由于微噴帶各個(gè)測量點(diǎn)降水強(qiáng)度存在一定差異，因此先計(jì)算各個(gè)測量點(diǎn)的噴灑均勻度，然后取平均值作為評價(jià)不同處理下噴灑質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。不同處理下各測量點(diǎn)的均勻度系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。CK1均勻度平均值隨壓力的增大呈先增大后減小的趨勢，在0.03 MPa的工作壓力下均勻度平均值最大；CK2均勻度平均值隨壓力的增大而增大，且在0.04 MPa的工作壓力下達(dá)到最大；T31與T11均勻度平均值均在0.035 MPa的工作壓力下達(dá)到最大，分別為58.4%和63.8%。

表3 不同結(jié)構(gòu)下微噴帶的噴灑均勻度

3 討論

相同工作中壓力條件下，4種微噴帶壓力在沿管長方向的變化趨勢基本一致。前15 m表現(xiàn)為大幅度下降，后10 m表現(xiàn)為小幅度震蕩；斜3孔、斜5孔、1∶1結(jié)構(gòu)優(yōu)化微噴帶流量的變化規(guī)律和壓力相似，3∶1優(yōu)化微噴帶的流量在前30 m逐漸減小，第30 m突然增大后又減小，其中斜5孔微噴帶的首端單孔流量最大，而同時(shí)末端流量降幅最大；4種微噴帶首尾兩端射程的大小并不相同：微噴帶首端3∶1大于1∶1優(yōu)化微噴帶射程，而末尾處相反。這可能是因?yàn)槲妿У膲毫蛧姙⒘髁肯嗷ビ绊?，?dāng)管帶內(nèi)壓力大，單孔流量和壓力損失就越大，引起了微噴帶在壓力大、噴水孔數(shù)量多的情況下壓力和流量的變化幅度大；斜3孔與斜5孔微噴帶末端受到封堵的影響，造成在后10 m出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，3∶1優(yōu)化微噴帶流量的變化可能是因?yàn)樵诤?0 m處受結(jié)構(gòu)和壓力的震蕩變化，引起了流量出現(xiàn)大幅度改變；射程的變化可能是受微噴帶結(jié)構(gòu)的影響，不同比例長度下沿管長方向的流量壓力變化不同，引起末尾處射程變化幅度不同。

隨著工作壓力的增大，微噴帶管內(nèi)壓力、沿管長方向單孔流量、射程、水量分布范圍、首尾壓力差、單孔流量差均逐漸增大。原因可能是首端工作壓力的增大提高了微噴帶管內(nèi)的流量和壓力，增大了微噴帶沿管長方向的單孔流量，壓力的增大使噴灑出的水流在水平方向上具有更多的動(dòng)能。斜3孔與斜5孔微噴帶首尾的射程差隨壓力的增大而增大，但2種組合結(jié)構(gòu)下的微噴帶規(guī)律不明顯，這可能是因?yàn)樵谖妿┒烁淖兞宋妿У慕Y(jié)構(gòu)，引起了不同于未優(yōu)化微噴帶的差異。

斜3孔和斜5孔在相同壓力下水量分布不同。斜3孔微噴帶水量分布范圍較大，斜5孔水量分布均勻性高、且降水強(qiáng)度大；沿著微噴帶方向水量集中區(qū)域逐漸向管帶中心靠攏。這可能是因?yàn)樾?孔微噴帶管帶側(cè)面只存在一個(gè)噴水孔，降水強(qiáng)度小，噴灑范圍大，斜5孔微噴帶管帶側(cè)面存在2個(gè)不同角度的噴水孔，這2個(gè)噴水孔所噴灑的降水集中區(qū)域有交叉，同時(shí)因?yàn)榻嵌炔煌?個(gè)小孔噴灑水流相互打擊的作用，而引起同樣壓力下斜5孔的降水集中區(qū)域較斜3孔距離管帶近、降水強(qiáng)度大；微噴帶末端壓力減小的情況下，水量分布范圍減少，降水強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論

相同工作壓力下，微噴帶沿管長方向的壓力變化與微噴帶的結(jié)構(gòu)有關(guān)，微噴帶的孔數(shù)越多，沿管長方向壓力下降越快；當(dāng)增大工作壓力時(shí)，微噴帶沿管長方向壓力和壓力損失逐漸增大。

微噴帶工作壓力越大，單孔噴灑流量、射程越大。工作壓力主要影響降水的分散程度和主要集中區(qū)域，不同結(jié)構(gòu)的微噴帶，其噴灑流量、水量分布、射程對壓力變化的響應(yīng)不同，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可減小微噴帶管長方向單孔流量、射程的變化，使微噴帶降水分布更均勻。

不同結(jié)構(gòu)微噴帶存在不同的最優(yōu)壓力值，在微噴帶末端通過增加孔數(shù)和減小孔距能提高噴灑均勻度。

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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, 劉歡, 侯皓森, 等. 縱向結(jié)構(gòu)優(yōu)化下微噴帶噴灑特性研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(5): 75-81.

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S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022353

1672 - 3317（2023）05 - 0075 - 07

2022-06-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52179015）；河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣項(xiàng)目（212102110031）

李道西（1978-），男。副教授，博士，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與技術(shù)。E-mail: ldx97042@163.com

責(zé)任編輯：韓 洋