运用激光雨滴谱仪分析微喷带水量分布特性

张 硕，王文娥，胡笑涛(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

微喷带是在薄壁塑料软管(盘卷后呈扁平带状)的管壁上直接加工以组为单位循环排列的喷孔，通过这些喷孔出水进行灌溉的一种节水灌溉器材。与其他灌溉设备相比，微喷带具有投资低廉、抗堵塞性能强、对供水供电要求不高及对作物和土壤冲击力小等突出优点。压力水流通过微喷带上的微孔喷出后与空气摩擦破碎成小水滴，由于压力低，破碎后的水滴直径小，对作物及地表打击强度小，即雨强小，在日光温室和塑料大棚、连栋温室、大田种植经济作物灌溉中获得大量应用。由于压力较低，也影响到微喷带的水量分布及灌水均匀度。微喷带灌水均匀度直接影响作物生长和产量，是评价灌水质量的一个重要参考指标。周斌[1]对微喷带单孔水量分布的基本特征进行了试验研究，提出了湿润区面积和湿润区宽度的概念，发现射程随着喷射角度的增大而先增大后减小。张学军和吴政文[2]发现微喷带的水量分布均匀性受工作压力的影响很大。已有研究表明工作压力是控制微喷带喷洒均匀度的主要参数。

微喷带喷水水流如降雨一样，对于降雨目前已采用激光雨滴谱仪测量降水强度和雨滴直径，该仪器是以激光为基础的新一代光学粒子测量器及气象传感器。周黎明等通过激光雨滴谱仪和自动气象站观测雨量的对比分析[3]，发现激光雨滴谱仪探测到的雨量资料与雷达反射率因子之间有更好的一致性，激光雨滴谱仪能够很好地反应降雨强度的变化情况。本文运用激光雨滴谱仪研究微喷带单孔水量分布特性及整体水量分布特性，为微喷带节水灌溉技术的应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 激光雨滴谱仪工作原理

激光雨滴谱仪由激光光学发射源产生一组平行光束，位于接收端的透镜光二极管可以测量光强并把它转换成电信号。当雨滴穿过激光束时产生接收信号，通过减小的振幅计算出雨滴直径；通过减小信号的持续时间测得雨滴的下降速度。根据所有雨滴直径和速度的统计比例确定降雨类型。该仪器可以监测区分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各种介于雪花和冰雹之间的降水，可计算各种降水类型的强度、总量、能见度，并进行必要的分析，绘出雨滴谱图。雨滴谱图可以显示出雨滴大小范围及降落速度范围和相对应的粒子浓度个数，每分钟数据可以以Excel表格形式输出[4]。

与传统的测量方法相比，激光雨滴谱仪在原理上采用的是直接测量机制，这样就避免了人工反复处理时所存在的累积误差；并且对于不同的降水类型，激光雨滴谱仪均可快速准确地给出雨滴谱图，具有较强的实时性[4]。

1.2 试验材料与装置

试验地点位于陕西杨凌西北农林科技大学北校区水工厅，该试验是在无风的室内进行，试验设备有变频恒压供水装置、过滤器、闸阀、水表、精密压力表(量程0.2 MPa，精度0.25级)。试验使用管径32 mm的微喷带(沈阳市塑料七厂生产)，参数如下：机械打孔，每米3组孔，每组5孔、孔径为0.5 mm、孔间距20 mm，结构见图1，5孔的连线与管轴线夹角为42°，试验微喷带长度为20 m。使用精密压力表测量微喷带不同位置处的压力，压力表精度为0.25级，120网式过滤器，激光雨滴谱仪是德国THIES公司生产的LNM型激光雨滴谱仪，测定对象最小直径达到0.16 mm，数据采集间隔时间为1 min。

图1 Φ32微喷带结构示意图

1.3 试验设计及方法

湿润区面积是指单孔喷洒水量所围成的区域的面积，灌水强度是指湿润区面积上的平均降雨强度。试验以微喷带喷射角度、工作压力为因素，研究喷射角度与灌水强度的关系以及压力与灌水强度、喷洒均匀度的关系。试验前调整好微喷带的位置，只保留一孔喷水，其他孔上方1 cm处进行遮盖，不影响各孔的喷水量，水流不与待测空口喷射水流混掺；喷射角为水流出射方向与地面的夹角，从10°到80°每隔10°做一组试验，通过转动微喷带调整喷射角，在距离测量喷水孔上游管道3 cm处放置压力表测取压力值。在喷射流落地处放置激光雨滴谱仪，连接电脑，微喷带稳定喷水20 min后，关闭压力泵，收集电脑中降雨强度曲线数据，记录喷孔射流的降雨强度变化曲线。试验装置布置见图2。

1-水源；2-恒压供水设备；3-闸阀；4-水表；5-首部压力表；6-微喷带；7-激光雨滴谱仪；8-尾声部压力表；9-压力表(压力测量点)图2 微喷带水量分布特性试验装置示意图(单位：cm)

微喷带水平放置、无弯曲，总长度设置为20 m，首末端安装压力表。打开水源，调节阀门以达到合适范围内的水压，根据该微喷带水力性能及工作压力为不超过30 kPa、适宜工作压力为23 kPa，选取24、25、26 kPa 3组压力作为首端压力值，沿微喷带长度方向每隔5 m设置一压力测量点，在这几种工作压力条件下，微喷带最大喷幅为240 cm，在垂直微喷带长度方向上，每隔30 cm设置降雨强度测量点(如图2所示L为测量点距微喷带的距离,cm)，共设置8个测量点(L=30、60、90、120、150、180、210、240 cm)。每次试验待压力稳定后3 min开始，使用激光雨滴谱仪测试各测点降雨强度，持续测量20 min，同时读取测量点压力及水表读数，测量误差不大于2%，否则对该压力点重新进行测量，每组试验重复3次。流量稳定后用秒表、水表计算总流量。喷灌的均匀度常用均匀系数Cu表示：

(1)

式中：n为测量点个数，取值1，2，…，8；h为灌水强度值。

2 结果与分析

2.1 降雨强度曲线分析

管首压力24、25、26 kPa时，沿管道长度方向压力逐渐降低，见图3，3种管首压力下的沿程压力分布随管长的增加有相似的变化规律，即呈现递减的曲线形式。首末两端的压差值均为4 kPa，5 m间隔下的水头损失值均为1 kPa，说明沿程水头损失分布较为均匀。图4给出了当测量点工作压力为23 kPa，垂直微喷带长度方向距离Φ32微喷带60、120和180 cm处的降雨强度曲线。从图3可以看出，降雨强度是不断变化的，这是因为水在微喷带中是动态流动的，保持流量和压力不变的情况下，水流与空气发生碰撞被分散。激光雨滴谱仪测取得到的是一段时间内的降雨强度变化曲线。先确定喷洒稳定时段，取稳定喷洒时段中每分钟降雨强度的平均值，作为该时段的平均降雨强度值。

图3 不同管首压力下微喷带压力分布

图4 垂直微喷带不同位置处降雨强度变化曲线

图4记录了微喷带3个位置处从开始喷水到喷水结束共15 min的降雨强度变化。水泵开启之后，降雨强度不断增大，直到稳定阶段；当关闭水泵，降雨强度从稳定阶段逐渐减小至零，但60 cm位置比120 cm位置慢，这是因为受管道压力的影响，关闭水泵后距微喷带60 cm处仍有降水。60 cm位置处第5～11 min是喷洒稳定时段，120 cm位置处2～14 min是喷洒稳定时段，180 cm位置处第2～12 min是喷洒稳定时段，取稳定时段每分钟降雨强度的平均值作为此位置的降雨强度平均值，60 cm位置处的降雨强度为12.95 mm/min，120 cm位置处的降雨强度为27.56 mm/min，180 cm位置处的降雨强度为20.12 mm/min。

2.2 单孔喷射角度与灌水强度的关系

当工作压力为23 kPa时，喷射角度与灌水强度、湿润区面积的关系见图5。随着喷射角度的增大，灌水强度先减小后增大，湿润区面积先增大后减小，湿润区面积与平均灌水强度呈现相反的变化趋势，这是因为在喷孔直径和工作压力一定时，微喷带的流量基本恒定，单孔喷水量保持不变。

2.3 压力与单孔灌水强度的关系

改变工作压力微喷带流量将随之变化，总流量变化值是每个喷孔流量变化值之和，单孔流量值可以用平均降雨强度与喷洒面积的乘积来表示，降雨强度值由激光雨滴谱仪测得。对于喷射角度为40°、50°、60°和70°的喷孔，改变工作压力值，测得单孔喷洒面积内的平均降雨强度变化曲线，见图6。可以看出，喷射角度一定时，压力值越大，喷射流的降雨强度越小，这是因为压力越大，喷射水流越趋于分散，喷洒面积越大。喷射角度在40°～70°范围时，喷射角度越大，降雨强度越大。

图5 灌水强度与喷射角度、湿润区面积关系曲线(压力23 kPa)

图6 一定喷射角度下压力与灌水强度关系曲线

2.4 压力与降雨强度分布的关系

表1给出了在不同水压下，20 m长度的微喷带沿程方向上和垂直方向上的降雨强度分布情况。由表1可以看出，一定压力下，垂直微喷带方向上降雨强度随着距离的增大呈现先增大后减小的趋势。压力越小，出现降雨强度峰值的位置距微喷带越来越近；压力越大，出现峰值的位置距微喷带越来越远，这是因为压力越大，微喷带喷射距离越大，降雨强度峰值位置与微喷带距离越大。垂直微喷带距离0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m处，压力越大，降雨强度越小，这与压力和喷射距离的关系有关，有降雨强度峰值存在的位置则不存在这种规律。降雨强度峰值位置在1.2 m处的水量分布均匀系数Cu值较大，压力测量点压力值为23 kPa时，Cu值较大。所以，应尽量保持微喷带降雨强度峰值位置在1.2 m处，即压力值为23 kPa时，微喷带能达到较好的水量分布情况。

表1 不同压力下微喷带降雨强度分布 mm/min

3 结 语

微喷带水量分布情况对灌溉效果有重要影响，本文运用激光雨滴谱仪对Φ32微喷带喷射角度和压力对其喷洒的影响、单孔水量分布及整体水量分布进行了分析，得到以下结论。

(1)微喷带中水流是动态的，降雨强度值是不断变化的，但这种变化很小，微喷带喷洒只是处于相对稳定阶段。激光雨滴谱仪测取每分钟的降雨强度值，先确定稳定时段，取稳定时段每分钟降雨强度的平均值作为该时段的降雨强度最终值。

(2)随着喷射角度的增大，灌水强度先减小后增大，湿润区面积则先增大后减小，二者呈现相反的变化趋势。

(3)压力越大，微喷带单孔喷洒水滴越分散，微喷带单孔喷洒降雨强度越小，湿润区面积越大。

(4)垂直微喷带距离0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m处，压力越大，降雨强度越小。降雨强度峰值位置在1.2 m处的水量分布均匀系数Cu值较大，压力测量点压力值为23 kPa时，Cu值较大。

[1] 周 斌，封 俊，张学军，等.微喷带单孔喷水量分布的基本特征研究[J].农业工程学报，2003，19(4):101-103.

[2] 张学军, 吴政文, 丁小明, 等, 微喷带水量分布特性试验分析[J].农业工程学报，2009,25(4):66-69.

[3] 周黎明，王 俊，张洪生，等. 激光雨滴谱仪与自动气象站观测雨量对比分析[J].气象科技，2010，(S1):113-117.

[4] 余东升，徐青山，徐赤东，等.雨滴谱测量技术研究进展[J].大气与环境光学学报, 2011,6(6):403-408.

[5] 王凤民，张丽媛.微喷灌技术在设施农业中的应用[J].地下水, 2009,31(6):115-116.

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