動態水壓坡地噴灌水量分布特性與均勻度研究

付博陽，惠 鑫，任乃望，黃 煜，張 林

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

我國坡耕地占總耕地面積的1/5，噴灌是坡地灌溉常用的方法之一，具有對土壤、作物、地形適應性強，便于控制噴灌強度和灌水量，機械化程度高等優點[1,2]。但是在坡地噴灌時，由于地形起伏及坡度影響，較平地噴灌更為復雜，單噴頭水量分布發生重要變化。平地噴灌水量分布曲線近似“圓形”，而坡地大致為“雞蛋形”，上部扁而凸，下部尖而長，且隨著坡度增加，上部越來越扁，下部越來越尖，從而造成坡地單噴頭水量分布較平地更為不均。國內外關于坡地噴灌的研究已有很多，蔣定生[3]研究了地形坡度對噴頭射程和系統組合均勻度系數的影響，提出當地面坡度超過7°時，噴頭只能按扇形方式朝下坡方向作業，但會增加噴灌系統中噴頭數量，增加投資成本。陳學敏[4]建立了雨滴飛行軌跡方程，以該方程為基礎將實測平地噴頭水量分布圖轉換到坡地上；Soares[5]研究了地面坡度、豎管傾斜度和噴頭仰角對噴灌水量分布均勻度的影響；李久生[6]等分析了坡地噴灌系統中豎管偏角對噴頭運轉均勻性和噴頭射程的影響；向清江[7]研究將平地所獲得的實驗數據向坡地轉換，以射流軌跡計算公式為基礎，采用網格變換的方式實現了平地上的水量分布向坡地上的數據轉換，變射程噴頭通過增大上坡射程，減小下坡射程，從而改善坡地上單噴頭的水量分布，但該方法依賴于求解合理的射流軌跡線，假設了理論射程與實際射程的總損失均勻分攤到實際射程中，簡化了射流軌跡計算方法，其轉換的準確性需要進一步研究。這些研究為坡地噴灌技術的發展做出了巨大貢獻，但未提出有效解決坡地噴灌水量分布不均勻、允許噴灌強度降低的有效途徑。

在噴灌技術研究方面，動態水壓供水得到了學者的關注。曹偉[8]等以由繞流流道單元構成的灌水器為研究對象，通過計算機CFD模擬和實驗來研究灌水器在振動水壓下的水力性能。發現CFD模擬數據和實驗數據具有較高的一致性，灌水器在振動模式下的消能效果和水流波動效應優于恒壓下的狀態，基礎水壓對等效水壓的影響最為顯著；湯躍[9]等通過深入分析水泵變壓運行和噴頭變域噴灑機理，得到了噴頭實現變域噴灑時兩種調節方法的運行規律，推導了變頻器頻率與噴頭旋轉角度所用時間之間的關系方程，提出了一種實現噴頭便于噴灑的開環控制策略和通過試驗設定控制規律的方法，通過水力能耗計算發現，采用變頻調速方法實現變域噴灑比采用動靜片方法節約27%的能量；陳超[10]等為解決變域噴灑噴頭能耗過高、噴頭節能效果不理想的問題，設計了基于單片機的控制器調控水泵轉速，改變噴頭工作壓力，實現變域噴灑，研究噴頭實現方形域噴灑時的水力性能和能耗。結果表明，方形域噴灑比圓形域噴灑的能耗低 30.3%。基于動壓的節能優越性，將其引入坡地噴灌，研究動壓下坡地噴灌水量分布和均勻度特性，提出適宜坡地噴灌的動態水壓技術參數，促進噴灌技術在坡地上的應用，提高坡地農業生產效益。

動態水壓(供水壓力隨時間呈周期性變化)供水技術具有節能降耗的優點，有研究初步表明，動態水壓對于改善平地噴灌水滴能量分布，提高噴灌水量分布均勻性具有一定作用。為此，本論文試圖將動態水壓供水技術應用于坡地噴灌，研究動壓參數對坡地噴灌水量分布及均勻度的影響，揭示動壓坡地噴灌水量分布特性，提出適宜的坡地噴灌動壓技術參數，以提高坡地噴灌質量，進而推動噴灌技術在坡地上的大面積應用。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院灌溉水力學試驗廳進行，室內無風，試驗裝置是由水箱、變頻柜、加壓泵、噴頭、壓力傳感器、高度可調支架、鋼槽和雨量筒組成。變頻柜由可編程邏輯編輯器PLC和變頻器組成，變頻器通過改變加壓水泵的電動機轉速實現壓力的動態變化，將程序導入可編程邏輯控制器PLC，設置參數以獲得不同周期、不同振幅、不同函數類型(三角函數、臺階型函數、三角型函數)的動壓模式；加壓泵采用上海塔克泵閥制造TKL40-250型；試驗采用雨鳥LF1200型噴頭，噴頭尺寸2.18 mm，噴頭仰角17°，工作壓力范圍為0.17～0.41 MPa；壓力傳感器安裝在噴頭進口處，采用西安新敏CYB型傳感器，量程為0～0.50 MPa,精度為0.1%；雨量筒高度14.0 cm，開口直徑10.6 cm；不同坡度的坡面通過高度可調支架和寬為0.15 m的不銹鋼鋼槽完成構建。

試驗前，計算不同控制點高程，調節可調支架高度，將雨量筒布置在鋼槽中，采用網格線法布置，網格在地面上的投影間距為1 m×1 m，以獲得噴頭水量分布信息，如圖1所示。

1-噴頭；2-壓力傳感器；3-高度可調節支架；4-雨量筒；5-不銹鋼槽圖1 坡地噴灌水量分布試驗裝置圖Fig.1 Experimental setup for the sprinkler water distribution on sloping land

1.2 試驗方法

試驗時，稱取空雨量筒的重量，在變頻柜中設置動壓參數，開啟水泵，通過計算機瞬時采集的壓力數據確定噴頭進口處壓力是否為需要的動壓模式，待壓力穩定后，開始測試。在試驗中，每次測試時間為1 h，需要測定噴頭運轉周期和坡面射程。試驗結束后，稱取雨量筒重量并轉化為噴灌強度。該試驗因素設置有動壓函數類型、動壓周期、動壓振幅，動壓函數類型設置3個水平，分別為三角函數、臺階型函數、三角型函數；動壓周期設置6個水平，分別為9、14、17、18、21、26 s；動壓振幅設置2個水平，分別為5和10 m，由于測試噴頭工作壓力范圍為0.20～0.40 MPa，為了使噴頭始終能在正常壓力范圍內工作，所以動態水壓噴灌的基礎水壓設置為0.30 MPa,即10 m振幅時壓力在0.20～0.40 MPa之間波動，5 m振幅時壓力在0.25～0.35 MPa之間波動。

(1)噴頭運轉時間。試驗時，噴頭做全圓噴灑，用TF307型電子秒表記錄噴頭運轉1周的時間，在試驗開始15、30、45 min時測試噴頭運轉時間，每次測取噴頭運轉10圈的時間，計算平均值，共測試3次，并計算3次平均運轉時間，即為該次試驗噴頭運轉時間。

(2)噴灌強度。噴灌強度是指單位時間噴灑在單位面積的水量，在一般情況下，平均噴灌強度應與土壤的透水性相適應，噴灌強度不應超過土壤的入滲率，這樣不會在地表形成積水和徑流，噴灌強度計算公式如下：

(1)

式中：P為噴灌強度，mm/h；M為雨量筒內水的質量，g；A為雨量筒開口面積，mm2，本試驗中A為8 824；t為噴灌時間，h。

(c)均勻度。噴灌均勻度是衡量噴灌面積上水量分布的均勻程度的指標，也是衡量噴灌質量好壞的指標之一，本試驗中選用克里斯琴森均勻度計算噴頭組合均勻度，計算公式為：

(2)

2 結果與分析

2.1 動壓參數對坡面射程及濕潤面積的影響

噴頭射程是噴灌的主要性能指標，它決定著噴灑濕潤面積和噴灌強度，直接影響噴頭間距、管道間距、噴頭數量及支管用量，從而直接影響到噴灌系統工程投資[11-13]。表1、表2分別給出了動壓周期為18 s時不同函數類型和三角函數時不同動壓周期(9、14、17、18 、21、26 s)噴灌時的坡面上下坡有效射程及濕潤面積。從射程來看，噴頭上坡有效射程小于下坡有效射程，這是由于坡地噴灌時受地形坡度的影響，導致上坡射程較下坡射程小。函數類型和函數周期對噴頭在上下坡的有效射程影響不顯著。當振幅為10 m時，上坡有效射程是8.6 m，下坡有效射程是10.9 m，上下坡射程差在2.3 m左右，當動壓振幅采用5 m時，上下坡有效射程明顯減小，上下坡有效射程差增大。這是因為壓力大小對噴頭射程的變化起主要作用，函數的振幅10 m時，噴灌壓力范圍在0.20～0.40 MPa之間變化，相較5 m時射程變化范圍大。從濕潤面積來看，采用動態水壓噴灌時，單噴頭在坡面上的噴灑濕潤面積達320 m2左右，但由于地形坡度的影響，上下坡濕潤面積具有一定的差距，經計算，上坡濕潤面積在135 m2左右，下坡濕潤面積在185 m2左右，相差50 m2。

表1 不同函數類型下噴頭射程和噴灑濕潤面積Tab.1 Sprinkler radius of throw and the wetted area under different function types

表2 不同動壓周期噴頭射差和噴灑濕潤面積Tab.2 Sprinkler radius of throw and the wetted area under different pressure periods

2.2 動壓參數對單噴頭水量分布的影響

圖2給出了周期為18 s、不同函數類型下動態水壓噴灌單噴頭坡面水量分布。從水量分布來看，采用三種函數類型進行噴灌，噴頭附近水量最多，隨著距噴頭距離逐漸增大，水量分布呈先減小后增大的趨勢。圖中出現水量極少的區域是因為噴頭4個支架的影響，導致水流無法噴灑到4個方向。從均勻度來看，動壓函數為三角函數、臺階型和三角型函數時的Cu值分別為55.7%、56.7%和56.1%，噴灌均勻度基本相同，說明函數類型對坡地噴灌水量分布和均勻度影響并不明顯。

圖2 不同函數類型下單噴頭坡面水量分布Fig.2 Water distribution of the single sprinkler of different function types on the slope

2.3 動壓參數對組合噴頭坡地噴灌水量分布與均勻度的影響

噴灌均勻度是衡量噴灌質量的重要指標[14,15]，在工程實踐中，通常采用不同的布置方式和噴頭間距布置噴頭，在不同布置方式下噴灌的水量分布和均勻度有較大差異，動壓下單噴頭水量分布均勻度較高，可通過不同布置方式獲得組合噴灌時均勻的水量分布和較高的均勻度。以下研究采用動壓噴灌時在不同布置方式下的坡面組合水量分布和均勻度，從而找到適合在動壓下的噴頭布置方式，以期得到在實際工程中最佳的噴灌質量。

2.3.1 不同因素對噴灌均勻度的影響程度

表3分析了不同因素對噴灌均勻度的影響程度，可以看出，在95%置信度下，噴頭的組合間距對噴灌均勻度的影響程度呈顯著水平，動壓函數參數對均勻度影響并不顯著，這是因為噴頭在噴灑過程中，兩次噴灑期間有時間間隔，而噴頭的動態壓力是由水泵變化的轉速連續提供的，使得射流獲得的壓力并不是嚴格按照函數變化，但函數的變化范圍相同，所以動壓函數的參數對均勻度影響不顯著，為獲得較好的組合噴灌均勻度，需選擇合適的噴頭間距和布置方式。

表3 各參數對噴灌均勻度影響程度方差分析表Tab.3 Variance analysis of the effects of each factor on sprinkler irrigation uniformity

2.3.2 噴頭布置方式對坡面水量分布與均勻度的影響

圖3是動壓函數為三角函數、動壓周期為18 s、組合間距為1.0R時在正方形、正三角形和矩形(0.8R×1.0R)三種布置方式下的水量分布。從噴灌強度來看，采用正方形布置，噴灑域內平均噴灌強度為3.34 mm/h，噴灌強度超過3.0 mm/h的區域占噴灑域面積的62%，中部區域和噴頭附近水量分布較多噴灌強度達4.0 mm/h，水量較少的區域噴灌強度在1.8 mm/h左右；采用正三角形布置，平均噴灌強度為3.45 mm/h，噴灌強度超過3.0 mm/h的區域占全噴灑域面積的60%，低于平均噴灌強度的區域集中在噴灑域中部；采用矩形布置，平均噴灌強度為3.86 mm/h，噴灌強度超過3.0 mm/h的區域占全噴灑域面積的85%，占比明顯提高。從水量分布來看，采用正方形布置，上下坡水量分布有所差異，在上坡位置處，水量較少區域在中間位置處，在下坡位置處，小水量區域位于兩側，位置較分散，與其他兩種布置方式不同的是中部區域水量分布較多；采用正三角形布置，水量較少部分出現在噴灑域中間區域，上坡噴頭處的水量較下坡明顯更多；采用矩形布置，整體水量分布較均勻，小水量區域僅出現在上坡，并且所占面積不多，沒有出現水量集中或極少的區域。從均勻度來看，采用正方形、正三角形、矩形布置的均勻度分別為75.7%、77.1%、82.4%，采用正方形布置均勻度最低，矩形布置時均勻度最高，噴灌質量最佳，動壓噴灌時推薦使用矩形布置。

圖3 不同組合方式動態水壓下坡面水量分布Fig.3 Water distribution for combined sprinklers under pulsating pressure on the slope with different combinations

2.3.3 組合間距對坡面水量分布與均勻度的影響

(1)矩形。圖4是動態水壓采用三角函數周期為18 s時采用0.6R×0.8R、0.8R×1.0R、1.0R×1.2R、0.6R×1.0R、0.8R×1.2R、0.6R×1.2R(坡向間距×垂直坡向間距)矩形布置疊加后的水量分布，以下將從坡向間距和垂直坡向間距的改變分析其水量分布和均勻度規律。

由圖4(a)、圖4(d)、圖4(f)可以看出，當噴頭的坡向間距一定時，隨著垂直坡向間距的增加，噴灑域中間區域水量逐漸減少，平均噴灌強度降低，這是因為噴頭流量不變，在相同時間內噴灑出的水量相同，當噴灑域的面積增大時，平均噴灌強度自然減小。從噴灌強度和水量分布來看，采用0.6R×0.8R布置時，噴灑域內整體噴灌強度較高，平均噴灌強度達到5.2 mm/h，噴灑域內噴灌強度均高于3.0 mm/h，其中部分區域水量較集中，噴灌強度高于7.0 mm/h，分布在下坡噴頭和上坡局部位置處，占比達到16%，中間區域噴灌強度在3.5 mm/h左右；采用0.6R×1.0R布置時，平均噴灌強度為4.6 mm/h，噴灌強度高于3.0 mm/h的區域所占面積達到90%，中間區域水量分布較少噴灌強度低于3.0 mm/h，但并未出現局部區域水量分布較高的情況；采用0.6R×1.2R布置時，噴灑域內噴灌強度明顯減小，平均噴灌強度減小到3.9 mm/h，除中間區域水量較少外，上坡兩側也出現局部區域水量較少，噴灌強度低于3.0 mm/h。從均勻度來看，坡向間距采用0.6R，垂直坡向間距采用0.8R、1.0R、1.2R時的均勻度分別為78.8%、84.1%、82.6%，呈現增大后減小的趨勢，在0.8R～1.0R之間，均勻度提高明顯，可以看出，垂直坡向間距宜采用1.0～ 1.2R。

由圖4(c)、圖4(e)、圖4(f)可以看出，當噴頭的垂直坡向間距一定時，隨著坡向間距的增加，水量較少區域的面積增加，噴灑域內平均噴灌強度隨坡向間距的增加逐漸減小，小水量區域噴灌強度逐漸降低，但水量分布較多的區域噴灌強度4.0 mm/h左右沒有提高。從噴灌強度和水量分布來看，坡向間距以1.0R布置時，噴灑域內平均噴灌強度為2.78 mm/h，水量較少的區域在上坡中部和噴灑域兩側的位置，噴灌強度低至1.2 mm/h；坡向間距以0.8R布置時，平均噴灌強度為3.26 mm/h，噴灑域內小水量區域噴灌強度低至1.0 mm/h以下，但面積占比很小；坡向間距以0.6R布置時，平均噴灌強度為3.85 mm/h，水量較少區域在噴灑域中部和上坡兩側位置，噴灌強度在2.8 mm/h左右，相較坡向間距為1.0R和0.8R時的值明顯提高，更接近平均噴灌強度。從均勻度來看，采用間距1.0R×1.2R、0.8R×1.2R、0.6R×1.2R(坡向間距×垂直坡向間距)矩形布置的均勻度分別為68.8%、82.1%、82.6%，在0.8～1.0R之間均勻度下降明顯，在0.6～0.8R之間變化較小，所以，采用動壓模式噴灌時，坡向間距宜采用0.6～ 0.8R。

圖4 不同組合間距動態水壓下長方形布置坡面水量分布Fig.4 Water distribution for combined sprinklers under pulsating pressure on the slope with different combination distance

(2)正三角形。圖5是動壓采用18 s周期的三角函數時噴頭按正三角形布置組合間距采用0.8、1.0和1.2R的水量分布，在組合間距為0.8、1.0和1.2R時的平均噴灌強度分別為4.13、3.48和2.63 mm/h。從水量分布來看，采用0.8R布置時，上下坡水量分布較均勻，除噴頭附近區域外，其他區域水量基本相同，沒有出現水量較少的區域；采用1.0 R布置時，上下坡水量分布差距較大，水量較少的區域集中在下坡；采用1.2R布置時，噴灑域內整體噴灌強度較低，上下坡水量分布差距不大，水量分布較均勻。從均勻度來看，采用0.8、1.0、1.2R布置的噴灌均勻度為80.2%、77.1%、74.5%，隨著噴頭間距的增加，以正三角形布置方式的組合噴灌均勻度逐漸減小。

圖5 不同組合間距動態水壓正三角形布置坡面水量分布Fig.5 Water distribution for combined sprinklers under pulsating pressure on the slope with different combination distance

綜合考慮不同組合間距時矩形和正三角形時的水量分布和均勻度，以小間距布置時，矩形的水量分布和均勻度更高，當組合間距增大時，均勻度下降明顯，而正三角形下降不明顯，當考慮工程投資時，可選擇正三角形布置，其控制面積更大，在滿足噴灌要求的情況下，間距可取1.0～1.2R。

3 結 論

(1)動壓周期和函數類型對噴頭上下坡射程影響不顯著，主要取決于函數振幅，振幅取較大值時，噴頭上下坡射程差較小，所以采用動壓噴灌時，動壓振幅宜采用噴頭正常工作壓力范圍內的較大值。

(2)對動壓參數和均勻度進行單因素方差分析，在95%置信度下，動壓參數對單噴頭水量分布和噴灌均勻度影響不顯著。動壓噴灌時，采用正三角形和矩形布置的均勻度及水量分布優于正方形布置，其中噴頭按矩形布置噴灌質量最佳。采用正三角形布置時噴灌均勻度隨噴頭間距的增大而減小，矩形布置時，隨噴頭坡向間距增加均勻度下降，隨垂直坡向間距增加均勻度先增大后減小。

(3)綜合考慮噴灌質量和工程投資，動壓噴灌時，當噴頭采用正三角形布置，噴頭間距建議采用1.0～1.2R，當噴頭采用矩形布置時，坡向間距宜采用0.6～0.8R，垂直坡向間距宜采用1.0～1.2R。