微噴帶不同結構參數的出流特性研究

張明智，路振廣，尹卿芳，李 元，邱新強，楊浩晨，張玉順，尹玉清

（1河南省水利科學研究院，鄭州 450000；2河南省節水灌溉工程技術研究中心，鄭州 450000；3河南省灌溉試驗中心站，鄭州 450000；4北京京水建設集團有限公司，北京 100038；5陜西師范大學西北國土資源中心，西安 710048）

0 引言

微噴帶是在薄壁塑料軟管（盤卷后呈扁平帶狀）的管壁上直接加工以組為單位循環排列噴孔，通過這些噴孔噴射出流進行灌溉[1-2]，與傳統滴灌相比，微噴帶出水孔無消能結構設計，流速通?？蛇_傳統滴灌的十幾倍，因而具有強挾沙力與優越的抗堵塞性[3-4]。此外，微噴帶還具有鋪設簡單、單條控制范圍大、灌水歷時短、投資低、易回收等諸多優點[5-6]，在冬小麥、夏玉米、草坪、苗木等已大量使用，部分替代滴灌系統，其應用效果良好[7-9]。雖然，微噴帶推廣應用獲得很大成就，但是，由于在應用中還存對微噴帶的水量分布特點認識不足，造成了微噴帶的選擇和使用不科學，使得其灌溉效果差異較大。對于微噴帶水量分布的影響因素主要包括微噴帶組間與組內結構參數，其中組內結構參數是基礎與核心，因此，探究微噴帶組內結構參數水量分布規律，對于科學指導使用微噴帶具有重要意義。

組內結構參數主要集中于微孔直徑、微孔數量、微孔夾角、工作壓力等方面[10-12]。前人研究發現微噴帶微孔直徑大小的穩定性有助于保障其噴灑性能的穩定[13]。隨微孔直徑的增加，噴灑幅度呈先增加后趨于平緩趨勢，微孔直徑0.6～0.8 mm抗堵塞性能強、灌水均勻度及霧化度較優。每組微孔數量越大，灌水均勻性越高[1]。然而，每組孔數越多意味微孔直徑越小，其抗堵塞性能降低，灌溉水質及過濾設備的要求逐漸提高[12]。隨噴射仰角的增加，噴灑幅度呈二次拋物線變化[1]，噴射角度40°時水流在空氣中運動軌跡最長，分散幾率最大，霧化效果好，壓片式微噴帶水流射程、濕潤面積隨微孔夾角的增加呈先增大后減小，45°時達峰值[13-15]。冬小麥從拔節期后采用仰角80°微噴帶灌溉縱向灌溉時，行間土壤水分分布最為均勻[16-17]。毛管工作壓力與單組流量服從冪指函數關系，隨毛管工作壓力的增加，噴灑寬度呈先增加后趨于平緩趨勢[18-19]。

目前，對于微噴帶組內結構參數單組微孔布置方式的相關研究較少。微孔數量、間距與夾角交互作用對單組流量影響的研究也較少，同時缺乏定性與定量描述微孔數量、間距、夾角與單組流量的相關關系。本研究擬通過室內模擬試驗，以微噴帶單組微孔為研究對象，首先，探究微孔數量、微孔夾角、微孔間距交互作用對單組微噴帶水量分布的影響，其次，采用回歸分析法獲得微孔數量、微孔夾角、微孔間距與單組流量相關關系。本文旨在通過室內試驗與回歸分析，以期為微噴帶的合理設計及推廣應用提供基礎理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年3—6月許昌市灌溉試驗站（許昌·陳曹鄉）室內中進行。試驗基地位于34°76′N，113°24′E，屬北溫帶大陸性季風氣候，海拔85.0 m；多年平均氣溫14.7℃，年平均降雨量698 mm，8—10月降水量占全年降水量的65%以上，無霜期216.4天，全年日照時間約2183 h。

1.2 試驗材料

試驗于中心室內進行，水泵供水，利用分流原理控制系統工作壓力恒定。試驗平臺由水泵、過濾器（120目篩網式）、閘閥、水表、精密壓力表（量程0～0.10 MPa，精度0.01級）、自制雨量筒等構成，具體平臺構成見圖1。試驗平臺尺寸約3.0×4.0 m2。灌溉水來自本地區地下水。微噴帶由河北沛雨灌溉設備科技有限公司（中國石家莊）提供，激光打孔，微孔直徑0.8 mm，其微孔數量、間距及夾角參數見表1，充水后，微噴帶呈圓形結構（直徑32 mm）；停灌后，微噴帶恢復扁平結構。

圖1 測試平臺示意圖（主視圖左，俯視圖右）

灌水強度采用自制雨量筒量測量，其由木板格子和雨量筒構成，木板格子、雨量筒分別選用0.45×3.15 m2，直徑15 cm，其中雨量筒放置以單組測量為例，見圖3。

1.3 試驗方案及過程

1.3.1 試驗方案 圖2表示微噴帶組內結構參數設計形式，設置微孔數量(n，X1)、微孔夾角（微孔連接成線，線與水流方向的夾角，θ，X2）、微孔間距（兩微孔直線距離，l，X3）三因素，其中設置微孔數量(n)4水平（1、2、3、5孔）；微孔夾角(θ)4個水平(0、30、60、90°)；微孔間距(l)4水平(0.2、0.4、0.8、1.2 cm)，共49個處理，見表1。其中微孔組間距L為40 cm，各處理隨機分別選取3條長1.9 m毛管（4組微孔），每條毛管隨機選取3組，每次測量一組，每組重復3次測定。

表1 試驗方案

續表1

圖2 微噴帶結構參數示意圖（3孔）

1.3.2 試驗過程 根據圖1安裝試驗平臺，采用水準尺整平試驗平臺，保證微噴帶水平鋪設并使得各雨量筒均在同一個平面；利用0.10 MPa量程壓力表控制工作壓力，用防水布將雨量筒蓋住，調整微噴帶試驗工作壓力為0.01 MPa進行噴水，待壓力穩定后，迅速撤掉試樣上的防水布，同時開始計時，設置噴灑時間為15 min；計時結束時，迅速用防水布將試樣罩住，并關閉水源，為雨量筒編號并依次稱量。

1.3.3 建立坐標 規定面向水流方向為正方向（y軸），垂直水流左手邊為正方向（X軸），灌水強度為z軸，如圖3所示。

圖3 單組微噴帶坐標示意圖（俯視圖）

1.4 觀測項目及觀測方法

1.4.1 灌水強度 本研究指的是單個雨量筒的灌水強度h(mm/h)，采用雨量筒法進行測定，其中灌水強度峰值為每處理最大灌水強度，按照式(1)計算獲得。

式中：m為雨量筒中水質量(g)；ρ為水的密度(g/cm3)；A效為雨量筒的濕潤面積，灌水強度為≥0.13 mm/h的雨量筒面積之和，cm2；t為接水時間(h)。其中，干燥面積為濕潤面積圍成區域內，灌水強度為＜0.13 mm/h的雨量筒面積之和，cm2。

1.4.2 單組流量 定義為單組微孔噴射出水流中能夠被雨量筒接收的水流之和。依據實測結果，按照公式(2)計算各單組流量Q(mL/h)。

式中：m為雨量筒中水質量(g)；ρ為水的密度(g/cm3)；t為接水時間(h)。

1.4.3 濕潤率 濕潤率(we)定義為微噴帶噴灑幅度內有效雨量筒面積(A效)與噴灑寬幅內總雨量筒面積(A)的百分比值。

式中：we為濕潤率(%)；A效為雨量筒的有效接水面積，即濕潤面積(mm2)；A為噴灑幅度內總面積(mm2)。

1.5 數據分析

利用SPSS 22.0進行逐步線性回歸分析，Excel進行灰色關聯度、方差及通徑分析，用AutoCAD2020與Origin Pro 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對微噴帶單組水量分布特性的影響

由圖4可知，單孔水量分布較集中且呈尖塔形，距離微孔越近灌水量越高，約17.62 mL/h；在本研究中微孔上下出現0.16 mL/h的微小流量偏差，可能是由于制作工藝偏差，導致噴出的水柱水不能完全垂直于毛管，存在制作誤差，同時不能完全保障每組的微孔垂直向上等因素造成的差異。

圖4 微噴帶單孔水量分布

由圖5與表2可知，微孔夾角由0°增加90°時，濕潤率均呈減小趨勢，最高灌水強度呈先增加后降低，濕潤面積與流量無顯著變化規律。當微孔數量為2孔時，微孔間距由0.2增加至1.2 cm，濕潤面積與單組流量呈先增加后降低趨勢；灌水強度與濕潤率均呈減小趨勢。就灌水強度出現峰值情況而言，微孔夾角的變化對其影響較小，微孔間距的改變影響較大，二者交互作用對其影響更為顯著。

圖5 2孔微孔夾角與間距變化對微噴帶水量分布的影響

由圖6可知，微孔夾角由0°增加至90°時，噴灑幅度、濕潤面積與單組流量呈先增加后減小趨勢，其中30°較高；濕潤率減小248.41%；灌水強度峰值呈先減小后增加趨勢，其中30°較高。當微孔數量為3孔時，微孔間距由0.2 cm增加至1.2 cm，濕潤面積與單組流量分別增加46.15%與63.42%；濕潤率減小35.55%；灌水強度峰值呈先減小后增加趨勢，其中0.2 cm較高。微孔間距與微孔夾角交互作用時，隨著二者正向增加，濕潤面積與單組流量呈先增加后降低趨勢，濕潤率呈降低趨勢，灌水強度峰值數量由1增加至3，其中3K0D0.2處理灌水強度峰值最高。

圖6 3孔微孔夾角與間距變化對微噴帶水量分布的影響

由圖7可知，微孔夾角由0°增加至90°時，噴灑幅度、濕潤面積與單組流量呈先增加后減小趨勢，其中30°較高；濕潤率呈減小趨勢，降低246.93%，其中0°濕潤為100%；灌水強度峰值呈先減小后增加趨勢，其中0°較高。當微孔數量為5孔時，微孔間距由0.2 cm增加至1.2 cm，濕潤面積與單組流量基本均呈先增加后降低趨勢，其中0.4 cm較高；濕潤率呈減小趨勢，降低36.22%；灌水強度峰值無顯著性變化規律，其中微孔間距0.4 cm較高。微孔間距與微孔夾角交互作用時，5K60D0.4濕潤面積及流量較高，5K0D0.4處理灌水強度峰值最高。

圖7 5孔微孔夾角與間距變化對微噴帶水量分布的影響

綜合上述4圖及表2發現，隨著微孔數量的增加，濕潤面積、濕潤率、流量、灌水強度峰值均呈增加趨勢，其中，與2孔相比，5孔濕潤面積、濕潤率、流量、灌水強度峰值分別增加89.11%、13.73%、339.38%、25.06%。

表2 不同處理對濕潤面積、干燥面積、單組流量及灌水強度峰值的影響

2.2 組內結構參數與單組流量回歸分析

以Q為因變量，X1、X2、X3為自變量，利用SPSS 22.0進行多元逐步回歸分析（表3）。

由表3可知，微孔數量對單組流量存在顯著性影響的(0.898)，3因素中微孔數量對流量影響最大，其次微孔夾角，微孔間距最小。微孔數量可對單組流量的大范圍調節，還需微孔夾角粗調，再通過微孔間距進行細調，最終實現單組流量高精度控制。

表3 多元線性逐步回歸分析

多元線性回歸方程為Q=22071.74X1+11247.09X2-7.34X3-34430.54，該模型檢驗度為極顯著水平(F=67.01，sig=0.000)。其多元決定系數R2=0.820，調整后R2=0.808，表明因變量的變異中80.00%可由線性回歸方程部分來解釋，誤差僅占19.20%，該模型中微孔數量、微孔夾角、微孔間距可解釋單組流量的程度在80.00%以上，可用微孔數量、微孔夾角、微孔間距來實現對單組流量的預估。該模型中微孔數量、微孔夾角、微孔間距對單組流量的貢獻率分別為90.00%、14.00%和1.00%。

3 討論

3.1 微噴帶微孔數量、夾角、間距對單組水量分布的影響

本研究發現，微孔數量由1孔增加至5孔時，單組流量、濕潤面積均呈增加趨勢，可能是由于相同壓力下，毛管水流流速與微孔直徑相同時，隨著微孔數量的增加出流斷面增加，導致其單組流量增加，水流噴射空中霧化面積大，易于提高單位面積濕潤率，同時，土壤入滲能力有限，易增加地表徑流，進一步增加地表濕潤面積[20-21]。與孫紅梅[22]研究結論一致。也與張學軍[12]研究5孔時有效噴灑幅度大于3孔結論一致。然而，張學軍還發現隨微孔數量的增加有效噴灑幅度呈先增加后降低趨勢，可能由于管徑相同時，微孔數量增加一定程度時勢必會降低微孔直徑，單組流量會出現降低現象，至于本研究微孔數量高于5孔時有效噴灑幅度是否會出現降低趨勢，還有待于進一步試驗論證。

本研究發現微孔夾角的30°時濕潤面積較大，與王建軍等[13]研究結論一致，然而，徐茹[5]、邸志剛[1]、張學軍[12]研究認為噴射仰角40°～50°時濕潤面積較大，與本研究結論存在較大誤差，由于毛管管徑的差異，邸志剛、張學軍采用的毛管管徑最小為40 mm以上，本研究采用管徑32 mm，還可能由于噴灑幅度不僅僅受微孔夾角的影響，微孔組間距、數量也起到直接與間接影響，對于本研究交互作用下噴射仰角30°～60°之間是否存在40°～45°較大值，還有待于進一步試驗論證。于國豐等[14]認為濕潤區幅度均隨噴射角度的增大而減小，與本研究大多數結論不一致，主要是由于本研究微噴帶為無邊圓柱形，于國豐等采用的微噴帶具有壓邊結構。

本研究發現組內微孔間距越大其單組流量呈先增加后略微降低現象，由于孔口出流量除與孔口作用水頭有關外，還與孔口流量系數有關，在作用水頭沿程減小不大的“短管[23]”情況下，多孔配水管管內以紊流為主，層流較少，孔口處流量沿程出現局部增大現象[24-26]，在相同直徑的多孔出流中，隨短管內微孔間距的增加，其配水均勻度系數呈現出先增加后降低現象[27-28]。

3.2 微噴帶微孔數量、夾角、間距與單組流量的相關關系

微噴帶組內結構參數布孔方式、孔組間距以及孔數決定微噴帶單位長度的總出流量，同時也改變單組流量、灌水均勻性、水分分布、地表濕潤面積等[5,29-30]。本研究發現微孔數量對單組流量的影響起主導作用，其次微孔間距與微孔夾角，其中微孔間距、夾角均通過改變噴射仰角實現微噴灌溉，其中微孔間距單位變化范圍對噴射仰角影響大于微孔夾角，表明微孔數量可以實現對單組流量的大范圍調節，要想實現高精度單組流量控制，還需通過微孔夾角粗調，再通過微孔間距進行細調。多元線性回歸方程Q=22071.74 X1+11247.09 X2-7.34 X3-34430.54具有較好的適配度，可用微孔數量、微孔夾角、微孔間距來實現對單組流量的預估。但是，該模型誤差e值較大(0.180)，說明尚有一些影響因素未被考慮在內，還有待于進一步研究。

4 結論

微孔數量對單組流量存在顯著性影響的(0.898)，3因素中微孔數量對流量影響最大，其次微孔夾角，微孔間距最小。隨著微孔數量的增加，濕潤面積、濕潤率、流量、灌水強度峰值均呈增加趨勢。隨微孔間距與夾角的增加，濕潤面積與單組流量呈先增加后降低趨勢；濕潤率呈減小趨勢；灌水強度峰值無顯著性變化規律，整體而言微孔間距與夾角越小其值較高。描述性統計分析發現，單組流量服從正態分布，多元線性回歸方程為Q=22071.74 X1+11247.09 X2-7.34 X3-34430.54，該模型中微孔數量、微孔夾角、微孔間距對單組流量的貢獻率分別為90.00%、14.00%和1.00%，3因素在該模型中可解釋單組流量的程度在80.00%以上，可用實現對單組流量的預估。