轻小型喷灌机组相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响

易 萌，李 红，涂 琴，张 凯，张乾坤

(1.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013; 2.常州信息职业技术学院智能装备学院，江苏 常州 213164)

0 引 言

目前我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，农业也向着高质量、智能化的方向发展，对农产品品质的需求逐步提高。农作物养分的吸收都伴随着水分的输运，因此灌溉均匀性是影响农产品质量和形态的重要因素，关系到农产品附加值的提升以及农户收入的提高。由于近年来现代农业和物流运输业的快速发展，农产品类别正呈现出多样化、多变性的趋势，变量灌溉、精准灌溉成为必然[1,2]。变量灌溉能够满足作物、土壤的时空变异性对灌溉的不同需求，但当采用不同的变量灌溉模式时，由于管道流量的变化，会使得相邻喷头工作压力差发生变化，影响组合喷灌均匀性以及作物长势的均匀性[3-5]。为了提高农产品品质，水肥一体化技术是实现高效灌溉的重要途径。但水肥一体化系统室外运行时会因盐分与泥沙、钙镁离子、其他杂质的综合作用极易造成堵塞[6,7]，使喷头工作压力远低于额定工作压力范围，造成相邻喷头间存在工作压力差，从而影响灌溉和施肥均匀性。为控制农业总用水量，在作物增产的同时减轻环境污染，也需对灌溉均匀性进行研究[8]。

目前变量灌溉主要采用圆形喷灌机或平移式喷灌机，但其成本较高、控制较为复杂。轻小型喷灌机组由动力机泵、管道、喷头等部分组成，与前两类机组相比更加灵活，适合水源小而分散的丘陵山区和小型地块，也能适应土地适度规模经营的场合，投资少，对操作技术要求低，与我国小型农户的灌溉需求相契合[9]。该类型机组可以采用调节水泵流量以及喷头流量等措施实现一定范围内的变量灌溉。但轻小型喷灌机组一般采用涂塑软管，由于地势差异、缺乏调压措施等因素喷头压力波动较大，会使相邻喷头工作压力差增大，影响灌溉均匀性。有学者提出恒压变量与恒量变压的灌溉系统，但此类系统一般成本较高、控制复杂，且能耗较高，仅在经济作物灌溉、部分大型灌区有一定应用[10]。

当喷灌机组运行时，不同的管道材质、长度以及管道接口都会造成不同的压力损失，形成相邻喷头间不同工作压力差。因此，相邻喷头工作压力差对灌溉均匀性的影响是变量灌溉、水肥一体化系统中不可忽略的问题，但这方面的研究还较为欠缺。严海军[4]建立了变量灌溉机组连续运行和间歇运行时的水量分布模型，对每个喷头采用了同样的径向水量分布曲线，未考虑主管道喷头压力差异的影响，但其试验结果表明，跨度为400 m的圆形喷灌机，管路首末喷头工作压力差已达22.5%。因此，需就喷头工作压力差对灌溉均匀性的影响进行深入研究。

随着我国经济的快速发展，有些地区存在土壤污染或退化的情况。作物种植土壤可能是回填土、改良土壤，或者因长期种植某类作物而使土壤发生空间变异，如果采用传统的灌溉方法，会使盐分、水分的差异性加剧，可以通过调整相邻喷头工作压力差使水分或盐分向某一侧或某一区域集中，从而提高土壤中的盐分、水分分布均匀性。

本文以摇臂式喷头为研究对象，以中心竖管底部的球阀为控制器调节相邻喷头的间的压力差，设置一系列相邻喷头间压力差进行试验，模拟实际喷灌过程所造成的压力损失，研究其对喷灌均匀性和水量分布的影响，为轻小型喷灌机组的优化配置以及喷灌系统的智能控制提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验设备

相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响试验于2018年10月在江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心圆形喷灌试验大厅内进行。大厅内全封闭，具有良好的试验条件，可减少因风速和风向等因素变化影响蒸发漂移损失量，减少外部因素的变化对实验结果的干扰和影响[11,12]。试验设备包括摇臂式喷头、管路系统、水泵机组、电磁流量计、压力表、温度与湿度测量仪和雨量筒等。

试验喷头选取的是江苏旺达喷灌机有限公司生产的10PY喷头，喷嘴的基圆公称直径是4 mm，测得在最大工作压力下的最大喷洒射程为14 m。采用4个喷头组合喷灌，方形布置，每个喷头全圆喷洒，喷头间距和支管间距均为11 m，试验布置如图1所示。雨量桶采用加工定制，具有集雨和水量显示的功能，测量部分采用锥台式结构，具有自主知识产权。雨量桶实物图如图2 所示，上部集雨部分内圆直径是 20 cm，垂直高度是60 cm，均匀且无缺陷，试验时采用专用铁架台进行支撑。根据组合喷灌试验标准，雨量桶采用1 m×1 m等间距布置。喷灌机组的喷灌高度设为1.2 m，试验台与管道采用管道三通连接，采用球阀进行压力调节。压力测量采用准确度等级为 0.4 级的精密压力表测出，流量测量采用准确度等级为0.5级的电磁流量计测出。

1-阀门；2-流量计；3-管道；4-雨量筒；5-球阀；6-压力表；7-喷头图1 组合喷灌水量分布试验系统示意图Fig.1 Schematic program of the test system for the water distribution of overlapping sprinklers

图2 雨量桶实物图Fig.2 Catch can for the irrigation water

1.2 试验设计

本文主要研究喷灌系统相邻喷头间工作压力差对喷灌均匀性的影响。试验设置3组工作压力，分别是0.22、0.25、0.28 MPa。综合考虑管道沿程压力损失、地势变化、水肥一体化盐类沉积导致的喷头堵塞等因素对相邻喷头压力差的影响，设置0、0.01、0.02、0.03、0.04 MPa等5个压力差，共15组试验。其中压力差为0 MPa的是对照组。每组试验过程中，喷灌机组先运行10 min，待机组水力性能稳定后进行试验。水力性能稳定后，开启喷头并调整喷头压力与压力差，机组喷洒10 min 后再进行水量喷洒并收集。此过程为避免因喷头开启和调整压力与压力差导致水力因素变化对试验结果的影响。轻小型喷灌机组变量运行时，系统总流量变化或是部分喷头启闭都会使机组水动力状态出现一个新的平衡过程，即水力过渡过程[13]。水量分布测试时间为1 h，当喷灌机组喷洒时间结束时立即测量并记录每个量筒的灌水深度，减少蒸发损失量对试验数据的影响[14]。

1.3 均匀度和灌水深度的计算方法

采用Christiansen计算法[15]计算喷灌均匀系数，公式为：

(1)

(2)

由于Cu不能反映个别监测点水深与偏差值较大时的情况，因此分布均匀系数Du也是重要的评价标准，其强调灌溉水深较小的一部分，保证灌溉最小量，其定义为：

(3)

(4)

式中：xi为第i个监测点的水深；N为监测点数。

采用Matlab软件计算组合喷灌数据，评价喷灌机组均匀度选择灌水均匀系数。

2 结果与分析

2.1 喷头工作压力差对组合喷灌均匀性的影响

不同工作压力和相邻工作压力差下10PY喷头组合喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du的对比结果分别如图3和图4所示。

图3 不同相邻喷头工作压力差下的喷灌均匀系数对比Fig.3 Irrigation uniformity coefficients under different working pressures and different pressure difference between adjacent sprinklers

图4 不同相邻喷头工作压力差下的分布均匀系数对比Fig.4 Distribution uniformity coefficients under different working pressures and different pressure difference between adjacent sprinklers

图3和图4中相邻工作压力差对组合喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du的影响有一定的相似性，但分布均匀系数Du更能反映相邻工作压力差对灌溉水量低值区的影响，以工作压力为0.22 MPa时的对比结果最为明显。此外，图3中不同工况下喷灌均匀系数Cu最高值与最低值之间相差6.5%；图4中不同工况下分布均匀系数Du最高值与最低值相差8.2%。

从三组工作压力下的喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du的对比可以看出，0.28 MPa时的喷灌均匀性指标总体最高，0.25 MPa时喷灌均匀性指标受相邻工作压力差的影响最小，0.22 MPa时对相邻工作压力差最敏感，且总体喷灌均匀性指标最小。这说明了喷灌机组压力控制和优化设计的重要性。

从图3和图4可以看到，喷头工作压力为0.22和0.25 MPa时，随着相邻喷头间工作压力差增大，组合喷灌均匀系数与分布均匀系数变化趋势相似。图3中，喷头工作压力为0.25 MPa且无工作压力差时，组合喷灌均匀系数为84.8%，分布均匀系数为74.9%，与其他组结果相比灌水均匀性最佳。

2.2 喷头工作压力差对组合喷灌水量分布特点的影响

10PY摇臂式喷头额定工作压力一般为0.25 MPa，此时不同相邻喷头压力差下的组合喷灌水量分布等值线图如图5所示，图中灌水高度的单位是mm/h。图5(a)是对照组，图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(e)是相邻喷头压力差分别是0、0.01、0.02、0.03、0.04 MPa的水量分布图。

图5 喷灌机组水量分布图Fig.5 Water Distribution Map of Irrigation Units

通过对比可以发现图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(e)中喷灌强度大于16 mm3/h的区域明显大于图4(a)，这说明喷灌水量更加集中，这是导致喷灌均匀性变差的重要因素。图5(b)、图5(c)、图5(d)、图5(e)与图5(a)相比还可以发现：当相邻喷头压力差增大时，水量分布集中区整体上有一定程度的右移，即水量集中区偏向于水流下游区。这一点与我们的经验认识有很大区别。水流下游区的灌水深度等值线也更为密集，灌水深度值变化比上游区更为明显，导致灌水均匀性越差。这些现象与摇臂式的射流特性和图6所示径向水量分布特点密切相关。单喷头的水量分布在0.66处水量比较集中，组合喷灌后一般水流上游区的喷头压力大于下游区，对水量分布的影响更加显著。

图6 10PY喷头径向水量分布Fig.6 Radial water distribution of PY10 sprinkler

图3和图4显示，不同工作压力下，喷灌均匀性指标随着相邻喷头压力差的增大不是单调的增加或减少，这是由单喷头的径向水量分布非线性特点和随工作压力变化时多喷头的空间组合所致，表明了相邻喷头压力差对喷灌水量分布和均匀性影响的复杂性。图3和图4中当喷头工作压力为0.22和0.28 MPa时，有多个相邻喷头工作压力工况点的灌溉均匀性高于无压力差时的灌溉均匀性，这说明一定范围内可以通过增大相邻喷头工作压力差来提高灌溉均匀性，但这一措施对水肥一体化系统施肥均匀性、土壤水分分布均匀性、作物长势和质量分布特点等因素的影响还需进一步研究。

3 结 语

为了研究相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性影响，选取灌水均匀系数Cu和分布均匀系数Du作为评价指标，对不同工作压力下10PY喷头相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性和水量分布影响进行试验和对比分析。主要结论如下。

(1)不同工作压力下的喷头相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响特点不同。0.28 MPa时的喷灌均匀性指标总体最高，0.25 MPa时喷灌均匀性指标受相邻工作压力差的影响最小，0.22 MPa时对相邻工作压力差最敏感，且总体喷灌均匀性指标最小。

(2)由于相邻喷头间存在工作压力差的存在会使灌溉水量集中点更偏向于水流下游区一侧，此区域的灌水深度等值线也更为密集。造成这一现象的原因可能与摇臂式的径向水量分布特点有关。

(3)与喷灌均匀系数Cu相比，分布均匀系数Du更能反映相邻工作压力差对灌溉水量低值区的影响，适于对灌溉质量和作物个体差异性更加关注的场合。

(4)在所有工况中，喷头工作压力为0.25 MPa且无工作压力差时，组合喷灌均匀系数最高，为84.8%，分布均匀系数为74.9%。不同工况下喷灌均匀系数Cu最大偏差为6.5%，分布均匀系数Du最大偏差为8.2%，不可忽视。