基于灌水小區的射流三通灌水均勻度試驗研究

王 軒，王新坤，肖思強，樊二東，徐勝榮，張晨曦，薛子龍

(江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

滴灌具有灌水均勻度高、節水節肥、改善作物品質、增產增收等特點，是我國大面積推廣應用的高效節水灌溉方式之一[1]。由于滴灌是以低壓小流量通過特定灌水器灌水，流道狹窄，增大了灌水器的堵塞幾率，灌水均勻度易受到影響[2]。針對這一問題，學者圍繞低壓滴灌的工作特點，提出改進灌水均勻度的有效途徑。范興科等[3]針對低壓滴灌的工作特點，提出了改進和提高低壓滴灌灌水均勻度的有效方法與途徑；張林等[4]更深入研究了低壓條件下毛管進口壓力、鋪設長度、坡度及管徑等參數尋求提高灌水均勻度的方法；王霞等[5]以實際滴灌示范基地中使用較多的兩種不同類型滴灌帶作為研究對象，分析了不同鋪設長度、坡度等因素對灌水均勻度的影響研究。上述研究成果總結了恒壓條件下提高灌水器灌水均勻度的方法與途徑，但并未結合當下最有效的脈沖滴灌系統。脈沖發生器作為脈沖滴灌系統的核心裝置，現有裝置主要由電子脈沖，變頻裝置等核心部件組成，通過控制可編程控制器PLC進而控制變頻器再調節水泵轉速產生波動水流，其操作復雜反應較慢，靈敏性和可靠性難以保證，且造價較高，安裝與維護復雜，是制約脈沖滴灌技術發展與應用的關鍵問題之一[6,7]。針對這一問題，王新坤[8]基于射流附壁與切換原理設計了一種新型射流脈沖三通直接作為脈沖發生器，結構簡單，造價低，能夠在毛管內形成間歇性水流，實現持續脈沖，適合廣泛應用。楊玉超等[9,10]通過控制變量法研究了射流三通的結構參數對脈沖特性的影響,并分析射流三通脈沖振幅與頻率對出口流量的關系。許鵬等[11,12]研究了射流三通不同噴嘴寬度下的水力性能變化規律，并通過試驗驗證了射流三通能提高滴灌灌水均勻度。肖思強等[13]利用射流三通產生脈沖水流的水力特性，分析了不同滴灌帶長度和不同進口壓力對滴灌灌水均勻度的影響。上述研究成果總結了射流三通對毛管水力特性的影響，但未提出支、毛管三通相組合的基于灌水小區的射流三通灌水均勻度的試驗研究。

本文在前人工作的基礎上，以支、毛管三通相結合的灌水小區為研究對象，通過4組灌水小區滴灌帶滴頭流量的對比，研究不同滴灌帶長度和不同總進口壓力下，對射流三通組合的灌水均勻度試驗研究，從而為滴灌灌水小區脈沖系統的應用與發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 射流三通的結構尺寸與脈沖特性

射流三通作為產生持續脈沖水流的脈沖發生器，主要由進口段、射流元件、出口段3部分組成。圖1所示為射流三通結構示意圖，其中射流元件是脈沖發生器的關鍵部位，主要包括噴嘴、控制道、分流劈等核心部件。

W為噴嘴寬度；S為位差；H為劈距；θ為側壁夾角；1-進水段；2-噴嘴；3-左控制道；4-右控制道；5-左側壁面；6-右側壁面；7-左輸出道；8-右輸出到；9-分流劈；10-射流內空間；11-左出口流道；12-右出口流道圖1 射流三通結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of jet tee structure

試驗所用支管和毛管射流三通基本尺寸如表1所示，普通支管三通為內徑32 mm的“T型”結構，普通毛管三通為內徑16 mm的“T型”結構，4種三通，支、毛管三通兩兩匹配組合成4種灌水小區，分別是Ⅰ號灌水小區(支管和毛管均是射流三通)、Ⅱ號灌水小區(支管是射流三通，毛管是普通三通)、Ⅲ號灌水小區(支管是普通三通，毛管是射流三通)、Ⅳ號灌水小區(支管和毛管均是普通三通)。

表1 支管和毛管射流三通結構尺寸

Tab.1 Structural dimensions of branch and capillary jet tee

結構部位噴嘴寬度/mm位差/mm側壁夾角/(°)劈距/mm控制管寬度/mm控制管長度/mm出口內寬度/mm分流劈半徑/mm支管射流三通155.5101139.034018.013.00毛管射流三通42.010362.4886.43.43

普通三通對水流無脈沖效果，而射流三通作為產生持續脈沖水流的脈沖發生器，當水流進入射流空間時，由于射流結構幾何微小的不對稱性及射流本身的紊亂，造成射流卷吸及兩側壁面之間的干涉效應不對稱，在控制管內產生負壓，推動射流的切換與偏轉，實現脈沖水流[14,15]。

研究表明[9]，毛管進口壓力水頭為5～12 m時，毛管射流三通會產生水頭振幅為15～65 kPa，脈沖頻率為200～240 次/min的脈沖水流；支管進口壓力水頭為9.5～15.5 m時，支管射流三通會產生水頭振幅為19～38 kPa，脈沖頻率為110～140 次/min的脈沖水流。射流三通是誘發滴灌毛管灌水均勻度的主要原因之一，并且脈沖頻率遠高于電子裝置控制水泵產生的低頻波動水流，具有滴灌抗堵塞性能。

1.2 試驗材料與裝置

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

1.3 試驗方法

將不用組合的三通結構和不同長度的滴灌帶按試驗要求依次接入該系統進行試驗。試驗開始時，控制試驗時間為10 min一組，通過調節管道閥門控制進口壓力水頭為試驗值。試驗開始時，先讀取5個流量計的讀數，以排除管路內部空氣或者是殘留水體存在而產生的讀數誤差，待10 min結束后再讀取流量計數值，兩者數據相減即為通過該管路的過水流量。記錄壓力表的數值，滴頭流量用接水盤收集，采用稱重法直接測得，最后分類編號，統一整理。

1.4 灌水均勻度評價指標

灌水均勻度是衡量滴灌系統灌水質量的一項重要指標[16]。按照《微灌工程技術標準》中的規定[17],灌水均勻系數采用Christiensen公式來表示：

(1)

滴頭流量偏差率為：

(1)

式中：qv為滴頭流量偏差率，%；qmax、qmin為滴頭流量的最大值和最小值，L/h。

2 試驗結果與分析

2.1 滴灌帶鋪設長度對灌水小區流量的影響

支管進口總壓力水頭為14 m時，對比4種灌水小區在不同滴灌帶長度下的滴頭流量，匯總數據，通過Origin繪圖軟件處理，如圖3所示。

圖3 不同滴灌帶長度下的灌水小區滴頭流量分布Fig.3 Distribution of dripper discharge in irrigation plots with different drip irrigation belt lengths

從圖3可以看出，4組灌水小區監測點流量分布均呈現中間高兩頭低的駝峰狀，左右大致對稱分布，符合滴灌毛管水頭損失規律，且相同的進口壓力條件下，滴灌帶長度的增加，同一灌水小區滴頭流量也隨之增加；滴灌帶長度相同時，Ⅰ號灌水小區平均流量最小，Ⅳ號灌水小區平均流量最大。

滴灌帶長度為60 m時，Ⅰ～Ⅳ號灌水小區滴頭監測點流量平均值分別為2.05、2.46、2.21、2.59 L/h ，Ⅰ號灌水小區滴頭平均流量最小，Ⅳ號灌水小區滴頭平均流量最大，相差0.54 L/h。同理，對于70、80 m長滴灌帶同樣適用，4組灌水小區的平均流量從大到小分別是Ⅳ號>Ⅱ號>Ⅲ號>Ⅰ號灌水小區。

Ⅰ號灌水小區監測點滴頭流量最小，原因是Ⅰ號灌水小區支、毛管均是射流三通，射流三通作為脈沖發生器，能夠使恒定的水流紊亂形成間歇性水流。射流空間內部水流紊亂，流速不均，水壓不穩，波峰波谷交替進行產生脈沖振幅，導致灌水器進口壓力隨時間周期性變化，呈現脈沖射流狀態。因此相同進口壓力下，安裝射流三通的灌水小區由于周期性脈沖水壓的存在對灌水器的平均流量必定小于普通三通條件，則Ⅰ號灌水小區監測點平均流量最小，Ⅳ號灌水小區支、毛管均是普通三通，水流恒定，則滴頭平均流量最大。Ⅱ號灌水小區滴頭流量平均值比Ⅲ號大0.25 L/h，說明毛管射流三通對滴頭流量的減小作用比支管射流三通減小作用更大一些。由于毛管射流三通相對支管射流三通進口小，產生射流流速小，射流兩側壓差易于推動射流的偏轉，則毛管射流三通擺動切換水流頻率更快；相應地，支管射流三通進口流量大，射流兩側壓差推動射流偏轉與振蕩不易，則產生脈沖水流振幅比毛管射流三通更小一些。在14 m總進口壓力水頭下，Ⅱ號灌水小區支管是射流三通， 對支路水流產生脈沖振蕩效應，使水流紊亂，產生頻率為126 次/min，振幅為28.42 kPa的脈沖水流，脈沖水流從支管射流三通產生至滴灌灌水器進口，一路沿程水頭損失削減了脈沖水流勢能，最后流經至滴灌帶進口時為8.35m壓力水頭，幾乎無脈沖效果。而Ⅲ號灌水小區，其毛管是射流三通直接對來自支管恒定水壓的水流進行射流分流，產生頻率為227 次/min，振幅為37.24 kPa的脈沖水流，最后流至滴灌帶進口時為8.75 m壓力水頭。通過數據對比可以得出，Ⅲ號灌水小區毛管射流三通脈沖特性更好，沿程水頭損失也較小，則Ⅲ號灌水小區滴頭流量要小于Ⅱ號灌水小區支管射流三通條件。

2.2 滴灌帶鋪設長度對水頭損失的影響

灌水器工作水頭產生流量偏差主要是來源于管道輸水過程中沿程水頭損失和局部水頭損失，因此減小水頭損失有利于降低流量偏差，提高灌水器的灌水均勻度。

4組灌水小區滴灌帶鋪設長度對水頭損失影響規律相同，Ⅰ號灌水小區支、毛管均是由射流三通組成，其射流元件的特殊結構能夠產生脈沖水流，支、毛管產生脈沖波相互疊加，加劇水流紊亂，可以產生較強的水流沖擊力，促使水流沖刷灌水器流道，則流至每個灌水器的流量較小且均勻。因此以Ⅰ號灌水小區為例，分析不同總進口壓力水頭下，滴灌帶鋪設長度對水頭損失的影響，監測點流量分布如圖4所示。

圖4 不同滴灌帶長度下的滴頭流量分析Fig.4 Dropper flow analysis under different drip irrigation belt lengths

從圖4可以看出，3組不同滴灌帶長度對監測點滴頭流量影響曲線均呈現中間高兩側低的駝峰狀，這是由于滴灌帶沿程中存在水頭損失，滴灌帶首部壓力大，隨著管道的增長壓力遞減，滴灌帶尾部壓力最小，由灌水器出流公式Q=khx得灌水器進口壓力的減少導致出口流量的隨之減少。因此滴灌帶長度相同時，支管總進口壓力的增大，滴頭監測點流量隨之增大。

支管總進口壓力一定時，滴灌帶長度的增加，各個灌水小區滴頭流量隨之增加，且滴頭流量關系曲線整體上也越來越“陡”。例如15.5 m支管總進口壓力水頭下，60 m滴灌帶長度首尾兩端灌水器出流量相差0.20 L/h，80 m滴灌帶長度首尾兩端灌水器出流量相差為0.35 L/h，滴灌帶鋪設長度的增加，滴灌帶尾部水頭則逐漸減小，沿程水頭損失在逐漸增大；且80 m長滴灌帶比60 m滴頭平均流量增加了0.21 L/h,得出相同進口壓力下，滴灌帶長度的增加灌水器出流量隨之增加。

為了比較4組灌水小區在進口條件一致時水頭損失的關系，整理數據如表2所示。支管總進口壓力一定時，Ⅰ號灌水小區水頭損失最小，Ⅳ號水頭損失為最大，水頭損失由小到達分別是Ⅰ<Ⅲ<Ⅱ<Ⅳ。原因是Ⅰ號灌水小區支、毛管均是射流三通，射流元件能夠誘發恒定水流產生脈沖勢能，脈沖水流壓力隨時間周期性變化，其中支管射流三通能夠產生水頭振幅為35.8 kPa、脈沖頻率132 次/min的脈沖波與毛管射流三通產生脈沖振幅為32.7 kPa、脈沖頻率220 次/min的脈沖波，支、毛管脈沖波在灌水器進口處匯集，波峰波谷相互疊加，加劇了水流紊亂，具備一定的脈沖能量，脈沖能量產生的水流沖擊力可以使水流流至每個灌水器時流量基本相同，按照射流三通進口壓力水頭減去出口脈沖水流壓力最大值的方法計算射流三通的水頭損失，則支管總進口壓力水頭為9.5 m時，Ⅰ號灌水小區灌水器進口水頭為4.6～5.0 m，總水頭損失為4.5 m。射流三通可以誘發水流產生脈沖水流，促使水流流至每段灌水器上流量基本相同，則射流三通可以減小水頭損失，提高灌水均勻性與減小流量偏差率。Ⅳ號灌水小區支、毛管均是普通三通，則整體水頭損失最大。

表2 4組灌水小區在相同進口壓力下水頭損失的對比

Tab.2 Comparison of head loss under the same pressure in four groups of irrigation districts

水頭損失對比支管三通類型支管水頭振幅/kPa支管脈沖頻率/(次·min-1)毛管進口水頭/m支管水頭損失/m毛管三通類型毛管脈沖振幅/kPa毛管脈沖頻率/(次·min-1)灌水器進口壓力水頭/m毛管水頭損失/m滴灌帶滴頭流量/(L·h-1)支管進口水頭9.5m支管射流三通35.21326.8～7.22.3毛管射流三通34.72224.9～5.22.01.8734.61366.8～7.22.3毛管普通三通004.52.51.95支管普通三通007.02.5毛管射流三通33.02214.3～4.72.32.01007.02.5毛管普通三通004.52.52.07

Ⅱ號和Ⅲ號灌水小區相比，整體水頭損失差別不大，在9.5 m總支管進口壓力水頭下，Ⅱ號灌水小區水頭損失略小于Ⅲ號水頭損失，原因是Ⅱ號灌水小區支管是射流三通，在支路產生脈沖頻率為136 次/min，水頭振幅為34.6 kPa的脈沖水流，Ⅲ號灌水小區由毛管射流三通所組成，在毛管處產生脈沖頻率為221 次/min，水頭振幅為33.0 kPa的脈沖水流，兩者相比，Ⅲ號灌水小區的灌水器進口水流脈沖特性更好一些，則Ⅲ號水頭損失更小一些，整體而言兩者差別不大，但都小于Ⅳ號灌水小區，都大于Ⅰ號灌水小區。

2.3 灌水均勻系數與流量偏差率

支管總進口壓力不同時，計算不同長度的滴灌帶對灌水均勻系數和流量偏差率的影響，如圖5所示。

圖5 不同滴灌帶長度下的灌水均勻度Fig.5 Irrigation uniformity under different drip irrigation belt lengths

比較圖5同一灌水小區，灌水均勻系數整體上隨壓力水頭的增加呈上升的趨勢，流量偏差率隨壓力水頭的增加呈減小的趨勢；支管總進口壓力相同時，滴灌帶長度的增加，灌水均勻系數則相應減小，流量偏差率隨滴灌帶長度的增加而增加。

前文已經分析了射流三通可以誘發水流產生脈沖水流，具有提高灌水均勻性與減小流量偏差率的作用。滴灌帶長度一定時，四組灌水小區在9.5～15.5 m總進口壓力條件下，灌水小區灌水均勻系數從大到小整體上呈Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ號灌水小區，流量偏差率則相反。

Ⅰ號灌水小區支毛管均是射流三通，則灌水均勻性最好；Ⅳ號灌水小區支毛管均是普通三通，則灌水均勻性最差。Ⅱ、Ⅲ號灌水小區，由于支管射流三通和毛管射流三通脈沖特性在9.5～15.5 m支管進口壓力下，產生脈沖水流具備的脈沖特性大致相同，則兩者灌水小區灌水均勻度差別不大，數據顯示，Ⅱ號灌水小區整體上會略大于Ⅲ號灌水小區。

流量偏差率反映系統各個滴頭流量偏差的大小，四組灌水小區在相同條件下進行比較，I號灌水小區流量偏差率最小為14.20%，Ⅳ號流量偏差率最大為20.53%，Ⅱ和Ⅲ號流量偏差率分別為18.57%和15.99%，四組灌水小區流量偏差率大小為Ⅰ<Ⅲ<Ⅱ<Ⅳ號。

滴灌帶長度相同時，I號灌水小區支、毛管均是射流三通，波峰、波谷交替振蕩進行，最終能產生水頭振幅為30 kPa以上，脈沖頻率為240 次/min的脈沖水流，累計產生的脈沖水流的勢能越大對水流流態影響越大，促使毛管每端灌水器上流量基本相同。因此在相同的時間周期內，各個滴頭流量相對偏差最小，沿程水頭損失最小，則I號灌水小區流量偏差率最小；Ⅳ號灌水小區的普通三通無脈沖效果，則Ⅳ號灌水小區流量偏差率最大。Ⅱ號和Ⅲ號灌水小區之間在9.5～15.5 m進口壓力水頭時，其支、毛管射流三通產生的脈沖特性大致相同，兩者相比，流量偏差率相差不大，則Ⅱ、Ⅲ號灌水小區流量偏差率曲線出現“交叉”的現象，同Ⅳ號灌水小區相比，灌水均勻系數和流量偏差率均優于Ⅳ號灌水小區。

3 結 語

(1)具有脈沖水流的射流三通同普通三通相比，波動水壓對灌水器的平均流量小于普通三通。滴灌帶長度相同時，Ⅰ號灌水小區滴頭平均流量最小，Ⅳ號灌水小區平均流量最大。滴灌帶長度的增加，同一灌水小區滴頭流量也隨之增加。

(2)4組灌水小區，總進口壓力水頭相同時，毛管鋪設長度越長，灌水小區水頭損失越大；毛管鋪設長度相同時，三通進口水頭越大，則水頭損失就越大。相同進口條件下，Ⅰ號灌水小區水頭損失最小，Ⅳ號水頭損失最大。

(3)同一灌水小區，滴灌帶長度相同時，灌水均勻系數隨壓力水頭的增加而增加，流量偏差率隨壓力水頭的增加而減小；進口壓力一定時，滴灌帶長度的增加，灌水均勻系數隨之減小，流量偏差率隨之變大。射流三通可以提高灌水系統的灌水均勻系數和降低流量偏差率，則4組灌水小區相比，相同進口壓力條件下，Ⅰ號灌水小區灌水均勻度最好，Ⅳ號灌水小區灌水均勻性度最差，且Ⅰ號灌水小區灌水均勻系數平均值比Ⅳ號灌水小區提高了2.56%～3.32%，流量偏差率降低了5.06%～8.20%。