坡耕地喷灌参数测试及其均匀性优化分析

王清君

(北票市高标准农田建设管理办公室，辽宁 北票 122113)

据统计，坡耕地在我国总耕地的面积占比达到了20%以上，面积超过2.67×108hm2。坡耕地给农作物灌溉带来诸多麻烦，而传统的处理方法是将坡耕地改造为梯田，成本大、时间长，而且不利于后期的机械化作业。如果针对性地对喷灌系统进行优化设计，使其在面对坡耕地时灌溉均匀性能达到一个新水平，也就解决了坡耕地的主要问题。

1 工程概况

北票市属于“七山一水二分田”的低山丘陵区，拥有耕地面积1167km2，但其中坡耕地达到611.4km2，占比达到52.4%。该市从2010年开始，便着手改造坡耕地，截至2020年底，共计改造坡耕地约5200hm2，投资总计约1.2亿元。鉴于改造坡耕地成本较大，因此决定对坡度小于10°的耕地喷灌系统进行优化设计，以保证灌溉均匀性[1]。

2 坡地喷灌均匀性影响因素分析

2.1 试验设计

2.1.1试验设备

本项目试验借助于沈阳农业大学的水力学试验室，主要试验设备包括：雨鸟LF1200型喷头、可调节高度支架、雨量筒、加压泵等[2]。具体试验设计如下。

(1)本次试验装置的支架高度可以根据需要进行调节，以此来模拟坡地的角度，为了检测各点喷灌强度，将雨量筒放置在各点处(高14.0cm，开口直径10cm)布置在不锈钢槽内，分布间距1.0m×1.0m，共计11行、11列。

(2)喷嘴仰角15°，布置高度30cm，工作压力范围150～400kPa[3]。具体压力由安装在喷嘴处的压力传感器自动记录(记录间隔10s)。

(3)本项目喷头压力设计4个水平(100、200、300、400kPa)，坡度设计4个角度(0°、3°、6°、8°)。为了保证试验准确性，每组试验重复3次，每次时间持续1.0h，每次等压力、出水均稳定后再开始记录数据。如图1所示。

2.1.2测试方法

本项目主要测试的喷灌参数包括：射程、强度、均匀度，每个参数的测试方法如下。

(1)喷灌射程测试。坡耕地喷灌射程采用“坐标法”计算，原理如图2所示。

以喷头垂线为z轴，与坡面走向垂直的水平线设为x轴，与x轴垂直的水平线设为y轴，水滴落点M的坐标(a，b，c)可以确定，喷灌射程L计算公式[4]为：

(1)

式中，a—x轴上坐标值；b—y轴上坐标值；c—z轴上坐标值。

(2)喷灌强度测试。喷灌强度就是在单位时间内，将雨量筒内装入水的质量除以开口面积，得出单位时间、单面面积上所喷洒的总水量。喷灌强度P计算公式[5]为：

图1 试验装置实景

图2 “坐标法”计算喷灌设计原理

(2)

式中，M—雨量筒内水的质量，g；A—雨量筒开口面积，mm2；t—喷灌时间，h。

(3)喷灌均匀度测试。本次试验在评价喷灌均匀度时，引入了“克里斯琴森均匀系数(CU)”，系数值越大，灌溉均匀度越好，计算公式[6]为：

(3)

2.2 坡度对于喷灌参数的影响

2.2.1坡度对喷灌射程影响

本项目在试验室中测定了不同坡度、压力下的喷灌射程，具体数据见表1。

表1 不同坡度喷灌射程

由表1可知：①在同一坡度下，随着喷灌压力增大，上下坡的射程均呈现增加状态，由100kPa增至200kPa、射程基本增加约2.0m，由200kPa增至300kPa、射程增加约1.2m，由300kPa增至400kPa、射程仅增加约0.2m，可见增幅逐渐减小；②在同一喷灌压力下，随着坡度增大，上坡射程越来越小，下坡射程越来越大，导致上下坡的射程差值也越来越大，在200kPa时差值最大，100kPa时差值次之，所以在低压下工作是不利的。因此建议当地喷灌压力为300～400kPa[7]。

2.2.2坡度对喷灌强度影响分析

图3显示了当喷头压力为300kPa时，只改变坡度这一参数，各测点喷灌强度变化情况，以此来验证坡度对喷灌强度的影响。

由图3可知：①不同坡度下，喷灌强度规律都遵循“距离喷嘴越近，强度越大”这一规律[8]；②当坡度设置为0°，以喷头为圆心，呈一个完美“圆形”分布开来，喷灌强度由内向外逐渐减小；③随着坡度增大，喷灌强度逐渐向“鸡蛋形”发展，即：上坡处逐渐呈扁平状，而下坡顶端处逐渐延伸；④在喷灌范围内的同一距离下，上坡喷灌强度相对于下坡较大。

2.2.3坡度对喷灌均匀度影响分析

本项目测定了在不同坡度、不同压力和不同间距下，对应的CU值，具体见表2。

由表2可知：①当喷灌压力为100kPa时，随着坡度逐渐由0°增至6°，喷灌均匀度(CU值)逐渐增大，但由6°增至8°，喷灌均匀度又减小，坡度为6°时喷灌均匀度最好；当喷灌压力分别为200、300、400kPa时，坡度为3°时喷灌均匀度最好；②在同一喷灌压力下，随着喷灌间距逐渐增大，CU值逐渐减小；③当喷灌压力为300和400kPa时，喷灌间距即使由6m×6m增至12m×12m，其CU值基本能达到80以上[9]。

3 坡地喷灌系统均匀性优化分析

3.1 喷头布置方式优化分析

一般喷头的布置方式为正方形布置或正三角形布置，喷头设计在顶点位置。当喷灌压力300kPa、坡度为8°、间距为R(喷射距离)时，2种布置方式的喷灌强度分布如图4所示[10]。

图3 不同坡度下喷灌强度分布(压力：300kPa)

表2 不同坡度下喷灌均匀度(CU值)的变化情况

图4 不同布置方式下喷灌强度分布(上：正方形；下：正三角形)

由图4可知：①采用正方形布置时，在喷头附近及中部偏下，强度较大；②采用正三角形布置时，3个顶点附近喷灌强度较大，其CU值大于正方形，因此建议坡地喷灌系统采用正三角形布置方式[11]。

3.2 喷灌压力最优选择设计

当坡度为8°、喷灌间距为R、正三角形布置时，300和400kPa喷灌压力下的水量分布如图5所示。

图5 不同喷灌压力下水量分布(上：300kPa；下：400kPa)

由图5可知：①当喷灌压力为300kPa时，中心位置强度明显低于3个顶点位置，但均匀度基本达到了85%；②当喷灌压力为400kPa时，中心位置灌溉强度也被提升，与顶点差别不大，均匀度可达90%以上。综合考虑系统灌溉效果和运行费用，在此建议喷灌压力选择300kPa[12]。

4 结语

通过试验设计，根据不同坡度、压力下测定的喷灌射程，得知喷灌在低压下工作是不利的，建议喷灌压力为300～400kPa；不同坡度下，喷灌强度规律都遵循“距离喷嘴越近，强度越大”这一规律；坡度对喷灌均匀度影响，增大幅度逐渐减小，在喷灌压力为300和400kPa时，CU值基本能达到80以上。试验结果在应用时可能还需要根据实际条件(诸如风力、土质、温度等因素)进行灵活调整，以满足灌溉要求为最终目的。喷灌技术对管理要求很高，同时需要具备基本的相关知识，在此建议设立临时培训站，或制定常见故障及排除方法，这样才能解决坡耕地灌溉问题。