噴射角度及壓力對微噴帶噴灑水滴分布的影響

王文娟，王文娥，胡笑濤，戴東科

（西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100）

0 引 言

微噴帶是一種通過薄壁軟管上規則排列的小孔噴水的節水灌溉設備，灌水周期短、價格低廉、動力要求低、易于收放，在市場上應用廣泛[1]。微噴帶的噴灑水在空氣中碰撞破碎后，呈拋物線狀落在作物及土壤表層。噴灑水滴在空中分布不同，打擊動能也不斷變化，而打擊動能直接關系到微噴帶的灌水質量[2]：灌溉時微噴帶噴灑水不能直接沖刷作物幼苗或葉片，水滴直徑過大，打擊動能大，容易打傷幼苗，且易造成土壤板結，影響水流下滲；直徑過小，噴灑水滴易產生逸散，造成灌溉水量不足[3]。因此了解微噴帶噴灑水滴空間分布規律，對實現微噴帶的精準灌溉有著重要意義[4-5]。

微噴帶的水量分布包括灌溉時地表的水量分布和噴灑水在空中的分布[6]。目前對微噴帶噴灑水滴的研究多是微噴帶的地表水量分布和水力性能方面：地表水量分布均勻程度可用克里斯琴森系數[7]、流量變異系數等特征系數描述[8]，水量分布范圍可用濕潤區寬度、干燥區寬度和濕潤區面積等特征參數描述[9-10]。水力性能和工作特性會直接影響微噴帶的灌溉效果[11-12]。鄭迎春[13]的水力特性試驗探究了灌水器出流規律和噴灑水滴在空氣介質中的運動規律。如工作壓力、噴射角度、布孔方式、微噴帶布置間距等因素均會影響微噴帶的水量分布[14-16]。以上都是針對噴灑水的地表分布進行的探究，而對于噴灑水滴在空中的分布規律，由噴灑水滴的個數、直徑、速度和灌水強度等參數來描述。現有的攝影法[17]、面粉法[18]、色斑法[19]等都可獲取噴灑水滴的粒徑數據，得到水滴直徑和打擊動能的分布規律。Bautista 等[20]證明了粒子追蹤技術在農用噴頭液滴形態觀測方面的適用性；King 等[21]利用激光雨滴譜儀觀測液滴尺寸和速度，得到田間灌溉系統的液滴分布規律。其中，激光雨滴譜儀是利用光學原理和激光技術實現對水滴濃度、直徑、速度和降水強度等參數的實時監測[22]，與上述其他方法相比，有操作簡單、適應多種工作環境等優點[23]，并且可以很好地應用在噴灑水滴觀測方面。

綜上，對于噴頭已進行了水滴直徑和打擊動能分布規律等方面的相關研究，而對微噴帶這一廣泛使用的節水灌溉設備，目前主要側重于地表水量分布和均勻程度的試驗探究，研究手段單一，缺乏對噴灑水滴在空間上的直徑、灌水強度和動能的系統性探索。本研究為探究微噴帶噴灑水滴的空間分布特征，設計室內試驗，使用激光雨滴譜儀觀測不同噴射角度和工作壓力下的噴灑水滴分布參數，得到灌水強度和水滴直徑分布，及其對噴灑水滴空間分布特征的影響，以期探明微噴帶噴灑水滴的空間分布規律，指導微噴帶的設計與應用。

1 材料與方法

1.1 試驗設備與材料

試驗在西北農林科技大學水工廳進行，試驗裝置見圖1。試驗所用微噴帶購于楊凌啟豐節水有限公司，管徑為28 mm，噴孔為機械打孔，孔徑0.7～0.8 mm，斜五孔布置。噴孔間距2 cm，孔組間距22.7 cm，孔組的傾斜度15°，結構見圖2a。微噴帶由回收的廢料制成，壁厚約0.2 mm，孔徑約0.8 mm，爆破壓力0.1 MPa，最大工作壓力為0.06～0.07 kPa。該微噴帶折徑為44 mm，每組為5 個噴孔，下文統稱為N44-5 型微噴帶。精密壓力表量程0.2 MPa，精度0.25 級。首部設置120 目疊片過濾器，孔徑0.125 mm。測量儀器采用德國Thies Clima 研制的LNM型激光雨滴譜儀（Laser Precipitation Monitor，LPM），可測對象最小直徑為0.16 mm，可輸出雨滴譜圖，可測量水滴直徑、速度及對應的水滴個數，及某一時段的降水量和降水強度，此降水強度值即本試驗中的灌水強度。LPM 的有效測量區域為20 cm×2 cm，數據采集間隔時間為1 min。

1.2 試驗設計

如圖2a 所示，試驗所用的N44-5 微噴帶5 個噴孔的噴射角度依次為40°、60°、90°、120°（–60°）、140°（–40°），呈對稱狀分布。故試驗設計中噴射角度選取40°和60°兩個角度作為變量進行試驗。圖2b 可以清楚地顯示出微噴帶的水流軌跡呈拋物線狀，試驗時對水流軌跡的上曲線和下曲線的中間部分布置測點，測量微噴帶噴灑水滴空間分布，干燥區不布置測點。

微噴帶為沿程泄流管，壓力沿程逐漸降低[24]，為保證微噴帶在較大范圍內均能達到較好的灌溉均勻度，管首壓力適當高于最優壓力，以保證管道首末流量差小于20%。經過水力性能測試，試驗所用N44-5 微噴帶，管首工作壓力為20 kPa 時首尾壓差為5.2 kPa，32 kPa 時首尾壓差為10.3 kPa。在20 kPa 以下時，管末處壓力過低，灌溉效果差。壓力高于32 kPa 時，微噴帶首尾壓差過大，且微噴帶首尾壓差隨著首部工作壓力的增大而增大。在24～28 kPa 時該微噴帶水力性能較優，因此本試驗的工作壓力選取20 kPa（P20）、24 kPa（P24）、28 kPa（P28）、32 kPa（P32）4 種，噴射角度選取40°（A40）、60°（A60）及兩孔組合（A4060）3 種，共計12 種工況，進行微噴帶噴灑水滴分布參數觀測的全組合試驗。

微噴帶的水流從充滿水的薄壁軟管中噴出后，經由噴孔斜向上方射入空氣中，開始段噴灑水流為束狀，噴灑水流在運動過程中，由于重力和空氣阻力的共同作用，束狀水流開始分散，水股破碎形成細碎水滴，水滴間相互碰撞、破碎后二次分布，逐漸擴散至空間較大范圍，形成濕潤區。本試驗的測點布置在微噴帶的束狀水流開始擴散到噴灑水流到達地面處，為水流曲線的中后段（見圖3）。試驗中布置測點時，以微噴帶鋪設位置處為基準面，豎直方向上從基準面到水流最高點為止，水平方向從濕潤區外邊界到濕潤區內邊界；根據LPM 有效測量范圍，豎直方向和水平方向每10 cm 布置一個測點，即圖3中10 cm×10 cm 縱橫網格交叉處。每種工況具體測點數由噴灑水流空間分布范圍決定，從53 到153 個不等。

試驗時，微噴帶為正常運行狀況，所有噴孔均噴水。除測試噴孔，其余孔用塑料布遮擋，僅留測試噴孔水流噴入空中。各工況下，待壓力穩定后使用LPM 觀測，各測點每1 min 以Excel 形式輸出一次降灌水強度、水滴直徑及對應直徑級的水滴個數數據，持續7 min，重復3 次。

1.3 數據分析方法

均勻度和灌水強度是評價噴微灌的地表灌水質量的兩個主要指標[25]。均勻度是表征噴灌水量分布均勻程度的定量指標，灌水強度則表示單位時間內噴灑在灌溉土地上的水深。

微噴帶灌水均勻度采用克里斯琴森系數[7]表示（Christiansen Uniformity coefficient，CU），公式如下：

2 結果與討論

2.1 微噴帶灌水均勻度

根據式（1）計算12 種工況下距地面10 cm 處的灌水均勻度，見圖4。

由圖4 可知，一定工作壓力范圍內，單孔噴灑時的均勻度隨工作壓力的增加略有增加，均勻度整體范圍為0.45～0.65。A4060 的均勻度范圍為0.60～0.70。這是由于不同噴射角度單孔噴灑的濕潤區噴灑范圍、同一位置處水滴直徑及數量不同，部分區域水量疊加使得兩孔組合時均勻度略高。單孔及兩孔組合噴灑均勻度隨壓力的變化規律符合孔口出流、斜拋運動及水股破碎的基本規律，壓力越大，噴孔出流量、噴灑范圍越大，水股破碎程度越高，但壓力進一步增大后，一定長度微噴帶的首末壓差將增大，均勻度反而會降低[27]，可以通過控制壓力及不同角度噴孔組合提高灌水均勻度。

2.2 灌水強度空間分布規律

在不同噴射角度和工作壓力下，微噴帶的灌水強度的數值和變化趨勢均不同。選取12 種工況下地面處灌水強度均值進行方差分析（表1）。從表中可以看出，工作壓力和噴射角度對灌水強度均值具有極顯著影響（P<0.01），工作壓力和灌水強度的交互作用對灌水強度的均值也具有極顯著影響（P<0.01）。

噴射角度固定時，灌水強度隨著距微噴帶鋪設位置水平距離的增大呈先增大后減小的趨勢，呈拋物線型，存在峰值（圖5）。噴射角度為40°，4 種工作壓力下，濕潤區分別分布在140～240、130～250、170～280、170～300 cm 范圍內，濕潤區寬度約為100～130 cm，濕潤范圍隨壓力的增加向外移動，試驗壓力范圍內灌水強度峰值基本一致，從23.0 減小至17.9 mm/h。噴射角度為60°，4 種工作壓力下，濕潤區分別在80～150、90～180、110～210、120～240 cm 范圍內，濕潤區寬度從70 增加至100 cm，隨工作壓力增大，灌水強度峰值從38.4 減小至21.8 mm/h 左右。A4060 工況下，隨工作壓力增大，濕潤區逐漸向微噴鋪設位置的遠端移動，濕潤區寬度隨之變寬，微噴帶噴灑范圍增大；灌水強度隨著工作壓力的增大總體上呈現逐漸降低的趨勢，灌水強度峰值向微噴帶鋪設位置的遠端移動。灌水強度的整體數值也隨工作壓力增大而增大，灌溉效果提升。P32 在水平方向上的噴灑范圍較其他3 種工作壓力更廣。灌水強度的分布形式由窄深型變為寬淺型，分布范圍更廣，水量可以到達的面積變大。同一工況中，測點位置越靠近地面，灌水強度越大。

A40、A60 和A4060 工況下，噴灑水量濕潤區寬度均隨工作壓力增大而增大，P32、P28 灌水強度峰值在水平方向上分布較寬，較P20、P24 峰值在水平方向上分布的范圍更大。A4060 工況下，垂直微噴帶鋪設方向上水量分布的范圍更廣，該方向上出現一高一低兩個峰值，與地面水量分布試驗中的結果相似[27]。各工作壓力下A4060工況的高峰值點出現在距微噴帶管軸水平距離較近處，與相同壓力下A60 工況的灌水強度峰值位置相同，如P20A4060 工況峰值出現在100 cm 附近，P32A4060 出現在150 cm 附近，與P20A60 和P32A60 的單峰峰值位置一致；而A4060 各工作壓力下的灌水強度低峰值點出現在距微噴帶管軸水平距離較遠處，如P204060 在180 cm附近、P32A4060 在260 cm 附近，與P20A40 和P32A40工況的單峰峰值位置一致。由圖5 可知，A4060 的濕潤范圍與灌水強度分布接近A40 和A60 的疊加，但一高一低兩個峰值的數值均不同于相同位置處A40 和A60 的灌水強度之和。這是由于A4060 為兩孔組合噴水，噴灑水量的范圍在空中有重疊，不同噴射角度的噴孔噴灑水流在空中碰撞、匯集、破碎，產生水量的二次分布，使水量分布和灌水強度與單孔噴灑時存在差異。根據斜拋運動規律，不考慮空氣阻力作用，45°斜拋物質水平運動距離最大，斜拋物體運動的高度隨角度的增大而增大[28]，從圖5 可看出A60 噴射高度范圍增加較A40 大，而水平噴灑距離較A40 是減小的。因此，可通過組合不同噴射角度的噴孔獲得更大的噴灑范圍及較高的均勻度。

2.3 水滴直徑范圍及構成

根據式（2）計算不同工況下微噴帶各測點的水滴直徑，分析噴灑水滴直徑范圍及分布，得到各工況下不同測點處各直徑級水滴個數占總數百分比情況。由于各工況下的水滴占比分布規律相似，因此文中只給出P20A40的分布圖（圖6）。

P20A40 中，距地面10 cm 處，0.50 和0.75 mm 直徑級的水滴個數占比較大，距離微噴帶較近處，兩個直徑級的水滴占比和為60%～80%，而測點距地面垂直距離升高，單孔噴灑水滴的主要直徑逐漸增加至 0.75 和1.00 mm，兩個直徑級的水滴占比增大至為50%～70%。這與韓文霆等[29]針對噴頭進行的射流試驗研究結果一致。水滴自噴孔噴出后，經拋物線狀噴灑至地面，水滴從最高點噴灑到地面的過程中，由于液滴之間的相互碰撞破碎，噴灑水滴經過數次破碎，直徑逐漸減小，噴灑水滴越靠近地面，噴灑水滴逐漸成為細碎的小水珠，灌水強度增大。在相同噴射角度下，水滴直徑隨工作壓力增大而減小，微噴帶噴灑水滴平均直徑的范圍為0～2.50 mm。其余工況水滴主要直徑級的變化規律與P20A40 相似。

各工作壓力下的水滴直徑的變化規律一致。在垂直微噴帶鋪設方向上，距離微噴帶管軸水平位置越遠，0.50 mm 直徑級的水滴占比越少，而0.75～1.00 mm 直徑級的水滴占比逐漸增大。靠近微噴帶噴灑水流軌跡的外側和上層，水滴直徑比噴灑水流軌跡內側和下側的水滴直徑更大。1.25 和1.5 mm 直徑的水滴數目隨工作壓力增大而增多，大于1.5 mm 直徑級的水滴數目也有增加，但總體占比仍較小。這是由于外側水滴數目少，水滴與水滴之間、水滴與空氣之間發生的碰撞破碎更少，因此在直徑上的二次分布也少于內側及水滴分布的中間部位，該位置測點的水滴直徑大于其他部位的噴灑水滴。

2.4 噴射角度和工作壓力對噴灑水滴直徑的影響

圖7 為各工況下水滴平均直徑隨測點變化圖。圖7a～h 中，相同工作壓力下，隨著距微噴帶管軸水平距離的增加，水滴直徑逐漸增大；相同水平距離處，距離地面越遠，微噴帶的噴灑水滴直徑越大。當噴射角度固定時，隨工作壓力增大，相同水平距離處的水滴直徑減小，而整體的水滴直徑分布范圍略有增大。P32、P28 的水滴直徑分布與P24、P20 相比，分布更集中、均勻。這是由于工作壓力增大后，微噴帶噴灑的射程變遠，水滴的破碎和二次分布加劇，水滴與水滴之間、水滴與空氣之間的碰撞破碎加劇，水滴的分布更加均勻。在灌溉時這種水滴直徑分布規律更能保證灌溉質量。

圖7i～l 中，兩孔組合噴水，4 種工作壓力下的水滴直徑分布趨勢較為相似，且與單孔噴水的水滴直徑分布趨勢不同：在距離微噴帶管軸一定距離處，水滴直徑出現第一個峰值后略有下降，而后又呈上升趨勢。如P20A4060 水滴直徑分布范圍為 0.60 ～1.33 mm，P32A4060 為0.56～1.39 mm，工作壓力增大時水滴直徑的分布范圍略有增大。

匯總每一高度處各直徑級水滴個數，得到距離地面不同高度處的水滴頻率分布圖，各工況下水滴頻率分布趨勢相似，因此文中只給出P20A40 和P32A40 兩種工況的頻率分布。水滴頻率（xi）是指某一直徑的水質量占某測量點處噴灑水質量的比值，計算公式為：

由圖8 可知，工作壓力對于微噴帶單孔噴灑水量在空間上的直徑尺寸分布范圍影響較小，兩個工作壓力下，占比較大的水滴直徑尺寸都在0.45～1.25 mm 之間。P20占比最大的水滴直徑約0.75 mm，P32 出現頻率最高的水滴直徑約在0.63 mm。各工況下分布規律一致：單孔噴灑時，工作壓力增大時，水滴直徑分布范圍減小，趨于均勻化，與圖7 結果相符。

3 討 論

3.1 霧化指標和水滴直徑分布

霧化指標是反映噴灌水滴打擊強度的重要指標[30]，用工作壓力和主噴嘴直徑的比值來表示，即在已經選定噴頭的情況下，壓力是影響噴灌質量的重要影響因素。本研究中，工作壓力為20～32 kPa，微噴帶的噴孔直徑為0.70～0.80 mm，霧化指標在2 800～4 570 之間，基本符合灌溉標準中糧食和經濟作物及果蔬等對灌溉設備的3 000～4 000 的要求[31]。

本文試驗得到的水滴直徑范圍為0～2.50 mm，與目前研究公認的噴灌水滴直徑范圍吻合[2]，且水滴直徑隨工作壓力增大呈現減小趨勢，這一結論與朱興業等[26]的結論一致。從試驗分析結果來看，微噴帶噴灑水滴的直徑范圍構成和分布規律，與已有研究是比較一致的，而如何提高微噴帶水滴分布的均勻程度，提高灌水質量，還需要對微噴帶的噴灑水滴分布特性進行探究。

3.2 應用及建議

微噴帶水量分布的影響因素主要是結構參數（孔徑、孔水平間距、每組孔數、孔組的噴射角度及組合等）和運行參數（如工作壓力、鋪設長度、鋪設間距等），它們都會影響到微噴帶的實際灌水質量。地表的灌水質量是用前文的均勻度和灌水強度來評價，而微噴帶噴灑水滴在空中分布的均勻與否，可以通過其水滴直徑、個數、動能分布等來評價。通過對微噴帶噴孔角度及數量進行組合，改變水滴直徑分布范圍，可以提高微噴帶地表和空中水量分布均勻程度。

不同工況下，微噴帶的噴灑水滴在空中的分布也不相同，工作壓力直接影響微噴帶噴灑水滴的直徑和空間分布，需要確定合理的運行壓力范圍。因此進行田間灌溉時，不同生長時期作物的株高和冠層覆蓋度均不相同，使用微噴帶灌溉時要根據作物生長時期確定相應壓力，使水滴直徑和打擊動能均在作物耐受范圍內，避免對作物生長產生影響。在作物幼苗時期，冠層覆蓋度低，且葉片和莖桿幼嫩，因此灌溉時要選擇較小的工作壓力，使噴灑水滴呈霧狀，減少對植株和葉片的損傷。在植株生長的關鍵時期，如小麥拔節期，可適度選用較大的工作壓力來滿足作物的需水需求，保證灌水強度平穩，噴灑水滴直徑也不會過大。作物開花期、灌漿期，為達到灌水效果，且不傷害作物，灌溉時應盡量產生較小的噴灌水滴直徑，降低打擊動能，以免噴灑水滴對作物產生打擊，造成減產。同時在實際生產中，對于不同的作物種類也要注意微噴帶產品的選擇，不同的作物可以選擇不同的微噴帶，要根據作物種類選擇相應的孔組數目和孔組排列組合，真正做到節水增產。

4 結 論

1）使用激光雨滴譜儀觀測微噴帶噴灑水滴的空間分布，能準確、全面地觀測水滴直徑、灌水強度等參數的變化，可為進一步探索微噴帶噴灑水滴的運動參數變化規律提供一種可行的試驗方法。

2）隨工作壓力增大，噴射角度為40°時的灌水強度峰值在17.9～23.0 mm/h，峰值在試驗壓力范圍內波動不大。噴射角度為60°時的灌水強度的峰值隨工作壓力增大逐漸降低，從38.4 減小至21.8 mm/h。兩孔組合對應的灌水強度存在一高一低兩個峰值。

3）噴灑水滴直徑范圍為0～2.50 mm，占比較多的水滴直徑在0.45～1.25 mm。相同噴射角度下，水滴直徑隨工作壓力的增大而減小；相同工作壓力下，噴射角度增大，微噴帶單孔噴灑水滴的直徑分布范圍略有減小。隨著距微噴帶管軸水平距離增加，水滴直徑增大，灌水強度呈現先增大后減小的趨勢，存在峰值；距離地面越近，相同測點處的微噴帶噴灑水滴直徑越小，灌水強度越大。