微喷头插杆角度变化对喷洒均匀度的影响分析

康 浩，杨路华，柴春岭，刘晓扬(河北农业大学，河北 保定071001)

截止2013年底，全国灌溉面积0.70亿hm2，节水灌溉工程面积0.27亿hm2，其中喷、微灌面积0.07亿hm2。微喷灌属于微灌技术之一，适宜于蔬菜、果树、大棚等多种农业生产，特别适宜于山丘区农业灌溉。戚春燕(2013年)等研究表明不同的安装形式对微喷头的水力性能影响显著[1]；柴春岭(2005年)等进行了可调式微喷头出水口流道形式对喷洒水性能影响的试验研究[2]；李宗礼(2012年)等研究表明喷灌技术是缓解北方缺水地区的重要节水技术手段[3]；王凤民(2009年)等研究表明微喷灌技术在设施农业和特色农业种植中作用明显[4]。本文通过微喷头插杆变角度喷灌实验，对不同插杆角度下微喷灌灌溉质量进行研究，确定影响因素为工程布置提供理论依据。

1 材料与方法

(1)材料。本次试验选取G型双向出水全圆喷洒旋转式微喷头，型号为WPX60-200，如图1所示。微喷头主要技术参数如表1所示。

表1 微喷头技术参数

(2) 试验装置如图1所示[1]。

1-储水井；2-水泵；3-压力罐；4-过滤器；5-压力表；6-调压阀；7-微喷头； 8-微喷头支撑杆(角度可调)图1 试验装置布置图

2 试验内容

试验材料为WPX60-250微喷头，试验内容包括测定微喷头压力～流量关系，并进行微喷头插杆角度为75°、80°、85°、90°，安装高度30、60、90 cm下单微喷头的水量分布试验。

首先测定微喷头的压力～流量关系，分别测定150、200、250 kPa压力下的流量，测试时间为3 min，重复3次。

结合本实验室情况和微喷头的水力性能本次试验场地布置采取射线布置法，即将雨量筒布置在夹角为30°的12条由喷头所在位置引出的放射线上，以每条射线出发点为起点每隔0.5 m布置1个雨量筒，每条射线共7个雨量筒来收集水量，求得各点喷洒强度。具体布置方法参照《农业灌溉设备》GBT27612.3-2011。

3 结果与分析

3.1 压力流量关系

根据本次试验结果对选定的微喷头进行压力与流量的关系回归：

Q=kHX

(1)

式中：Q为喷头流量，L/h；k为流量系数；H为工作压力，kPa；X为流态指数。

本次试验型号为WPX60-200的微喷头的压力流量关系为：Q=7.545 4H0.570 9(R2=0.999 3)，X表示流量随压力变化的敏感程度，本次所用喷头X=0.570 9，为全紊流状态，属于非压力补偿式产品。试验选定微喷头工作压力200 kPa，流量为41.91 L/h(见图2)。

3.2 插杆角度变化下单喷头水量分布

按照上述设计思路对微喷头进行试验，工作压力为200 kPa，并给出插杆角度有变化的单微喷头水量分布图见图3。其中插杆高度为90 cm下4个角度(75°、80°、85°、90°)的单喷头水量分布如图4所示。

图2 微喷头压力水头与流量关系曲线

由图3可知，平地微喷头进行喷灌时，插杆角度对微喷头的水量分布影响较为明显。当微喷头垂直于地面时，水量分布图为以喷点为圆心的同心圆，当插杆角度变化时，微喷头水量分布向着插杆倾斜方向偏移，插杆角度越大时，水量分布的偏心距越大。由图4可知，当微喷头垂直于地面喷洒时，喷洒水量集中在插杆中心分布，微喷头在径向-1～0 m内，喷灌强度从2.5 mm/h急剧增加到8.4 mm/h。当微喷头插杆角度为75°时，喷洒水量偏向插杆偏移的方向，喷灌强度峰值也没有微喷头垂直于地面时大，最高只有6.5 mm/h，水量分布的轮廓要明显大于前者。

图3 不同插杆角度时微喷头的水量分布图(x轴负向为插杆倾斜方向)

图4 不同插杆角度时微喷头的三维水量分布图

3.3 插杆角度变化下微喷头组合分析

假设微喷头按照矩形组合方式喷灌，不考虑风的影响，其中一个微喷头的插杆角度发生变化，它四周8个微喷头插杆角度均未发生变化，插杆角度变化的微喷头位置图见图5。试验选定两个变量，测定相同高度下不同插杆倾角的喷洒性能。由于试验场地的局限性，不能布置过多的组合微喷头，试验采用测定单独微喷头再叠加的方法，首先对插杆角度没有发生变化的微喷头进行喷洒试验，然后对插杆角度发生变化的微喷头进行喷洒角度的试验，有了两种情况下微喷头的水量分布情况，再用surfer软件对水量分布图进行叠加，求出插杆角度发生变化的微喷头四周的喷洒均匀度，需要注意的是每次组合时微喷头的安装高度必须是相同的。

图5 插杆角度变化的微喷头位置示意图

在200 kPa的工作压力下测出有插杆角度和无插杆角度的微喷头水量分布数据，并把微喷头的水量分布数据分为有插杆角度的和无插杆角度的两种，对无插杆角度的数据进行坐标的转化，使有插杆角度的微喷头处在中间位置，根据单个微喷头的水量分布，选定4个组合间距2、2.5、3、3.5 m进行矩形组合布置[5]，周围8个坐标点全部为无插杆角度的水量分布图。通过surfer软件对水量分布图进行叠加[6]，其中高度为90 cm下的叠加图形如图6所示(微喷头安装高度为90 cm，插杆角度为75°)。

通过表2可知，个别微喷头的插杆角度在75°、80°和85°向同一方向倾斜变化时，整体的组合喷洒均匀度和喷洒强度与无插杆角度时组合喷洒均匀度和喷洒强度没有明显变化。在组合间距为2和2.5 m时组合均匀系数达到理想喷洒效果，安装高度对组合均匀系数无显著影响。根据规范，喷洒均匀系数不应低于75%[7]，在组合间距为2 m时组合均匀系数为86.63%～88.12%，喷洒强度为8.52～9.45 mm/h，组合间距为2.5 m时组合均匀系数为77.41%～81.18%，喷洒强度为5.50～ 6.10 mm/h。可以认为个别微喷头插杆角度为75°～90°向同一方向变化时，对组合喷洒的微喷头组合均匀度和喷洒强度不会产生太大影响，在微喷灌工程布置中可以忽略不计。

表2 有插杆角度的微喷头组合水力性能

图6 不同插杆角度微喷头组合喷洒的三维水量分布图

4 结 语

通过以上分析，单微喷头的插杆角度变化影响了微喷头的喷洒效果。当微喷头垂直于地面时，水量分布图为以喷点为圆心的同心圆，当插杆角度变化时，微喷头水量分布中心向着插杆倾斜方向偏移，插杆角度越大时，水量分布的偏心距越大。在微喷头组合中，个别微喷头插杆角度为75°～90°向同一方向变化时，对组合喷洒的微喷头组合均匀度和喷洒强度不会产生太大影响，在节水灌溉工程布置中进行组合微喷灌时，可以考虑不用去扶正。对于WPX60-200型微喷头在正方形组合下，组合半径为2.5 m时达到最佳组合效果[8]。

[1] 戚春燕, 朱德兰.不同安装形式下微喷头水力性能的试验研究[J].灌溉排水学报,2013,32(4): 24-27.

[2] 柴春岭, 杨路华,脱云飞,等.可调式微喷头出水口流道形式对喷洒水性能影响的试验研究[J].农业工程学报, 2005,(3):17-20.

[3] 李宗礼,赵文举,孙 伟,等.喷灌技术在北方缺水地区的应用前景[J].农业工程学报,2012,(6):1-6.

[4] 王凤民,张丽媛. 微喷灌技术在设施农业中的应用[J].地下水,2009,(6):115-116.

[5] 王桂锋,王雯婷,徐 飞,等. 喷灌系统喷头组合形式与组合间距的优化计算[J]. 黑龙江水专学报,2006,(2):36-39.

[6] 杨路华,刘玉春,柴春玲,等. 应用Surfer软件进行喷(微)灌均匀度分析[J]. 节水灌溉,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.