微噴頭插桿角度變化對噴灑均勻度的影響分析

康 浩，楊路華，柴春嶺，劉曉揚(河北農業大學，河北 保定071001)

截止2013年底，全國灌溉面積0.70億hm2，節水灌溉工程面積0.27億hm2，其中噴、微灌面積0.07億hm2。微噴灌屬于微灌技術之一，適宜于蔬菜、果樹、大棚等多種農業生產，特別適宜于山丘區農業灌溉。戚春燕(2013年)等研究表明不同的安裝形式對微噴頭的水力性能影響顯著[1]；柴春嶺(2005年)等進行了可調式微噴頭出水口流道形式對噴灑水性能影響的試驗研究[2]；李宗禮(2012年)等研究表明噴灌技術是緩解北方缺水地區的重要節水技術手段[3]；王鳳民(2009年)等研究表明微噴灌技術在設施農業和特色農業種植中作用明顯[4]。本文通過微噴頭插桿變角度噴灌實驗，對不同插桿角度下微噴灌灌溉質量進行研究，確定影響因素為工程布置提供理論依據。

1 材料與方法

(1)材料。本次試驗選取G型雙向出水全圓噴灑旋轉式微噴頭，型號為WPX60-200，如圖1所示。微噴頭主要技術參數如表1所示。

表1 微噴頭技術參數

(2) 試驗裝置如圖1所示[1]。

1-儲水井；2-水泵；3-壓力罐；4-過濾器；5-壓力表；6-調壓閥；7-微噴頭； 8-微噴頭支撐桿(角度可調)圖1 試驗裝置布置圖

2 試驗內容

試驗材料為WPX60-250微噴頭，試驗內容包括測定微噴頭壓力～流量關系，并進行微噴頭插桿角度為75°、80°、85°、90°，安裝高度30、60、90 cm下單微噴頭的水量分布試驗。

首先測定微噴頭的壓力～流量關系，分別測定150、200、250 kPa壓力下的流量，測試時間為3 min，重復3次。

結合本實驗室情況和微噴頭的水力性能本次試驗場地布置采取射線布置法，即將雨量筒布置在夾角為30°的12條由噴頭所在位置引出的放射線上，以每條射線出發點為起點每隔0.5 m布置1個雨量筒，每條射線共7個雨量筒來收集水量，求得各點噴灑強度。具體布置方法參照《農業灌溉設備》GBT27612.3-2011。

3 結果與分析

3.1 壓力流量關系

根據本次試驗結果對選定的微噴頭進行壓力與流量的關系回歸：

Q=kHX

(1)

式中：Q為噴頭流量，L/h；k為流量系數；H為工作壓力，kPa；X為流態指數。

本次試驗型號為WPX60-200的微噴頭的壓力流量關系為：Q=7.545 4H0.570 9(R2=0.999 3)，X表示流量隨壓力變化的敏感程度，本次所用噴頭X=0.570 9，為全紊流狀態，屬于非壓力補償式產品。試驗選定微噴頭工作壓力200 kPa，流量為41.91 L/h(見圖2)。

3.2 插桿角度變化下單噴頭水量分布

按照上述設計思路對微噴頭進行試驗，工作壓力為200 kPa，并給出插桿角度有變化的單微噴頭水量分布圖見圖3。其中插桿高度為90 cm下4個角度(75°、80°、85°、90°)的單噴頭水量分布如圖4所示。

圖2 微噴頭壓力水頭與流量關系曲線

由圖3可知，平地微噴頭進行噴灌時，插桿角度對微噴頭的水量分布影響較為明顯。當微噴頭垂直于地面時，水量分布圖為以噴點為圓心的同心圓，當插桿角度變化時，微噴頭水量分布向著插桿傾斜方向偏移，插桿角度越大時，水量分布的偏心距越大。由圖4可知，當微噴頭垂直于地面噴灑時，噴灑水量集中在插桿中心分布，微噴頭在徑向-1～0 m內，噴灌強度從2.5 mm/h急劇增加到8.4 mm/h。當微噴頭插桿角度為75°時，噴灑水量偏向插桿偏移的方向，噴灌強度峰值也沒有微噴頭垂直于地面時大，最高只有6.5 mm/h，水量分布的輪廓要明顯大于前者。

圖3 不同插桿角度時微噴頭的水量分布圖(x軸負向為插桿傾斜方向)

圖4 不同插桿角度時微噴頭的三維水量分布圖

3.3 插桿角度變化下微噴頭組合分析

假設微噴頭按照矩形組合方式噴灌，不考慮風的影響，其中一個微噴頭的插桿角度發生變化，它四周8個微噴頭插桿角度均未發生變化，插桿角度變化的微噴頭位置圖見圖5。試驗選定兩個變量，測定相同高度下不同插桿傾角的噴灑性能。由于試驗場地的局限性，不能布置過多的組合微噴頭，試驗采用測定單獨微噴頭再疊加的方法，首先對插桿角度沒有發生變化的微噴頭進行噴灑試驗，然后對插桿角度發生變化的微噴頭進行噴灑角度的試驗，有了兩種情況下微噴頭的水量分布情況，再用surfer軟件對水量分布圖進行疊加，求出插桿角度發生變化的微噴頭四周的噴灑均勻度，需要注意的是每次組合時微噴頭的安裝高度必須是相同的。

圖5 插桿角度變化的微噴頭位置示意圖

在200 kPa的工作壓力下測出有插桿角度和無插桿角度的微噴頭水量分布數據，并把微噴頭的水量分布數據分為有插桿角度的和無插桿角度的兩種，對無插桿角度的數據進行坐標的轉化，使有插桿角度的微噴頭處在中間位置，根據單個微噴頭的水量分布，選定4個組合間距2、2.5、3、3.5 m進行矩形組合布置[5]，周圍8個坐標點全部為無插桿角度的水量分布圖。通過surfer軟件對水量分布圖進行疊加[6]，其中高度為90 cm下的疊加圖形如圖6所示(微噴頭安裝高度為90 cm，插桿角度為75°)。

通過表2可知，個別微噴頭的插桿角度在75°、80°和85°向同一方向傾斜變化時，整體的組合噴灑均勻度和噴灑強度與無插桿角度時組合噴灑均勻度和噴灑強度沒有明顯變化。在組合間距為2和2.5 m時組合均勻系數達到理想噴灑效果，安裝高度對組合均勻系數無顯著影響。根據規范，噴灑均勻系數不應低于75%[7]，在組合間距為2 m時組合均勻系數為86.63%～88.12%，噴灑強度為8.52～9.45 mm/h，組合間距為2.5 m時組合均勻系數為77.41%～81.18%，噴灑強度為5.50～ 6.10 mm/h。可以認為個別微噴頭插桿角度為75°～90°向同一方向變化時，對組合噴灑的微噴頭組合均勻度和噴灑強度不會產生太大影響，在微噴灌工程布置中可以忽略不計。

表2 有插桿角度的微噴頭組合水力性能

圖6 不同插桿角度微噴頭組合噴灑的三維水量分布圖

4 結 語

通過以上分析，單微噴頭的插桿角度變化影響了微噴頭的噴灑效果。當微噴頭垂直于地面時，水量分布圖為以噴點為圓心的同心圓，當插桿角度變化時，微噴頭水量分布中心向著插桿傾斜方向偏移，插桿角度越大時，水量分布的偏心距越大。在微噴頭組合中，個別微噴頭插桿角度為75°～90°向同一方向變化時，對組合噴灑的微噴頭組合均勻度和噴灑強度不會產生太大影響，在節水灌溉工程布置中進行組合微噴灌時，可以考慮不用去扶正。對于WPX60-200型微噴頭在正方形組合下，組合半徑為2.5 m時達到最佳組合效果[8]。

[1] 戚春燕, 朱德蘭.不同安裝形式下微噴頭水力性能的試驗研究[J].灌溉排水學報,2013,32(4): 24-27.

[2] 柴春嶺, 楊路華,脫云飛,等.可調式微噴頭出水口流道形式對噴灑水性能影響的試驗研究[J].農業工程學報, 2005,(3):17-20.

[3] 李宗禮,趙文舉,孫 偉,等.噴灌技術在北方缺水地區的應用前景[J].農業工程學報,2012,(6):1-6.

[4] 王鳳民,張麗媛. 微噴灌技術在設施農業中的應用[J].地下水,2009,(6):115-116.

[5] 王桂鋒,王雯婷,徐 飛,等. 噴灌系統噴頭組合形式與組合間距的優化計算[J]. 黑龍江水專學報,2006,(2):36-39.

[6] 楊路華,劉玉春,柴春玲,等. 應用Surfer軟件進行噴(微)灌均勻度分析[J]. 節水灌溉,2004,(5):14-16.

[7] Herrick Christina. Using micro sprinklers for research in apples[J]. Western Fruit Grower,2013,133(10):50.

[8] Zhang Lin, Merkley Gary P, Pinthong Kasem. Assessing whole-field sprinkler irrigation application uniformity [J].Irrigation Science, 2013,31(2):87-105.