微噴帶不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的出流特性研究

張明智，路振廣，尹卿芳，李 元，邱新強(qiáng)，楊浩晨，張玉順，尹玉清

（1河南省水利科學(xué)研究院，鄭州 450000；2河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，鄭州 450000；3河南省灌溉試驗(yàn)中心站，鄭州 450000；4北京京水建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100038；5陜西師范大學(xué)西北國(guó)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(huán)排列噴孔，通過(guò)這些噴孔噴射出流進(jìn)行灌溉[1-2]，與傳統(tǒng)滴灌相比，微噴帶出水孔無(wú)消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，流速通常可達(dá)傳統(tǒng)滴灌的十幾倍，因而具有強(qiáng)挾沙力與優(yōu)越的抗堵塞性[3-4]。此外，微噴帶還具有鋪設(shè)簡(jiǎn)單、單條控制范圍大、灌水歷時(shí)短、投資低、易回收等諸多優(yōu)點(diǎn)[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(tǒng)，其應(yīng)用效果良好[7-9]。雖然，微噴帶推廣應(yīng)用獲得很大成就，但是，由于在應(yīng)用中還存對(duì)微噴帶的水量分布特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足，造成了微噴帶的選擇和使用不科學(xué)，使得其灌溉效果差異較大。對(duì)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(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)是基礎(chǔ)與核心，因此，探究微噴帶組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)水量分布規(guī)律，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)使用微噴帶具有重要意義。

組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要集中于微孔直徑、微孔數(shù)量、微孔夾角、工作壓力等方面[10-12]。前人研究發(fā)現(xiàn)微噴帶微孔直徑大小的穩(wěn)定性有助于保障其噴灑性能的穩(wěn)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(shì)，微孔直徑0.6～0.8 mm抗堵塞性能強(qiáng)、灌水均勻度及霧化度較優(yōu)。每組微孔數(shù)量越大，灌水均勻性越高[1]。然而，每組孔數(shù)越多意味微孔直徑越小，其抗堵塞性能降低，灌溉水質(zhì)及過(guò)濾設(shè)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(shí)水流在空氣中運(yùn)動(dòng)軌跡最長(zhǎng)，分散幾率最大，霧化效果好，壓片式微噴帶水流射程、濕潤(rùn)面積隨微孔夾角的增加呈先增大后減小，45°時(shí)達(dá)峰值[13-15]。冬小麥從拔節(jié)期后采用仰角80°微噴帶灌溉縱向灌溉時(shí)，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(shù)關(guān)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(shì)[18-19]。

目前，對(duì)于微噴帶組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)單組微孔布置方式的相關(guān)研究較少。微孔數(shù)量、間距與夾角交互作用對(duì)單組流量影響的研究也較少，同時(shí)缺乏定性與定量描述微孔數(shù)量、間距、夾角與單組流量的相關(guān)關(guān)系。本研究擬通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以微噴帶單組微孔為研究對(duì)象，首先，探究微孔數(shù)量、微孔夾角、微孔間距交互作用對(duì)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(shù)量、微孔夾角、微孔間距與單組流量相關(guān)關(guān)系。本文旨在通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與回歸分析，以期為微噴帶的合理設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年3—6月許昌市灌溉試驗(yàn)站（許昌·陳曹鄉(xiāng)）室內(nèi)中進(jìn)行。試驗(yàn)基地位于34°76′N，113°24′E，屬北溫帶大陸性季風(fēng)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(wú)霜期216.4天，全年日照時(shí)間約2183 h。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于中心室內(nèi)進(jìn)行，水泵供水，利用分流原理控制系統(tǒng)工作壓力恒定。試驗(yàn)平臺(tái)由水泵、過(guò)濾器（120目篩網(wǎng)式）、閘閥、水表、精密壓力表（量程0～0.10 MPa，精度0.01級(jí)）、自制雨量筒等構(gòu)成，具體平臺(tái)構(gòu)成見(jiàn)圖1。試驗(yàn)平臺(tái)尺寸約3.0×4.0 m2。灌溉水來(lái)自本地區(qū)地下水。微噴帶由河北沛雨灌溉設(shè)備科技有限公司（中國(guó)石家莊）提供，激光打孔，微孔直徑0.8 mm，其微孔數(shù)量、間距及夾角參數(shù)見(jiàn)表1，充水后，微噴帶呈圓形結(jié)構(gòu)（直徑32 mm）；停灌后，微噴帶恢復(fù)扁平結(jié)構(gòu)。

圖1 測(cè)試平臺(tái)示意圖（主視圖左，俯視圖右）

灌水強(qiáng)度采用自制雨量筒量測(cè)量，其由木板格子和雨量筒構(gòu)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(cè)量為例，見(jiàn)圖3。

1.3 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.3.1 試驗(yàn)方案 圖2表示微噴帶組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)形式，設(shè)置微孔數(shù)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(shè)置微孔數(shù)量(n)4水平（1、2、3、5孔）；微孔夾角(θ)4個(gè)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(gè)處理，見(jiàn)表1。其中微孔組間距L為40 cm，各處理隨機(jī)分別選取3條長(zhǎng)1.9 m毛管（4組微孔），每條毛管隨機(jī)選取3組，每次測(cè)量一組，每組重復(fù)3次測(cè)定。

表1 試驗(yàn)方案

續(xù)表1

圖2 微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖（3孔）

1.3.2 試驗(yàn)過(guò)程 根據(jù)圖1安裝試驗(yàn)平臺(tái)，采用水準(zhǔn)尺整平試驗(yàn)平臺(tái)，保證微噴帶水平鋪設(shè)并使得各雨量筒均在同一個(gè)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(diào)整微噴帶試驗(yàn)工作壓力為0.01 MPa進(jìn)行噴水，待壓力穩(wěn)定后，迅速撤掉試樣上的防水布，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，設(shè)置噴灑時(shí)間為15 min；計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，迅速用防水布將試樣罩住，并關(guān)閉水源，為雨量筒編號(hào)并依次稱量。

1.3.3 建立坐標(biāo) 規(guī)定面向水流方向?yàn)檎较颍▂軸），垂直水流左手邊為正方向（X軸），灌水強(qiáng)度為z軸，如圖3所示。

圖3 單組微噴帶坐標(biāo)示意圖（俯視圖）

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目及觀測(cè)方法

1.4.1 灌水強(qiáng)度 本研究指的是單個(gè)雨量筒的灌水強(qiáng)度h(mm/h)，采用雨量筒法進(jìn)行測(cè)定，其中灌水強(qiáng)度峰值為每處理最大灌水強(qiáng)度，按照式(1)計(jì)算獲得。

式中：m為雨量筒中水質(zhì)量(g)；ρ為水的密度(g/cm3)；A效為雨量筒的濕潤(rùn)面積，灌水強(qiáng)度為≥0.13 mm/h的雨量筒面積之和，cm2；t為接水時(shí)間(h)。其中，干燥面積為濕潤(rùn)面積圍成區(qū)域內(nèi)，灌水強(qiáng)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(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，按照公式(2)計(jì)算各單組流量Q(mL/h)。

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

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

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

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 22.0進(jìn)行逐步線性回歸分析，Excel進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度、方差及通徑分析，用AutoCAD2020與Origin Pro 2019繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)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(xiàn)0.16 mL/h的微小流量偏差，可能是由于制作工藝偏差，導(dǎo)致噴出的水柱水不能完全垂直于毛管，存在制作誤差，同時(shí)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(shí)，濕潤(rùn)率均呈減小趨勢(shì)，最高灌水強(qiáng)度呈先增加后降低，濕潤(rùn)面積與流量無(wú)顯著變化規(guī)律。當(dāng)微孔數(shù)量為2孔時(shí)，微孔間距由0.2增加至1.2 cm，濕潤(rùn)面積與單組流量呈先增加后降低趨勢(shì)；灌水強(qiáng)度與濕潤(rùn)率均呈減小趨勢(shì)。就灌水強(qiáng)度出現(xiàn)峰值情況而言，微孔夾角的變化對(duì)其影響較小，微孔間距的改變影響較大，二者交互作用對(duì)其影響更為顯著。

圖5 2孔微孔夾角與間距變化對(duì)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(shí)，噴灑幅度、濕潤(rùn)面積與單組流量呈先增加后減小趨勢(shì)，其中30°較高；濕潤(rùn)率減小248.41%；灌水強(qiáng)度峰值呈先減小后增加趨勢(shì)，其中30°較高。當(dāng)微孔數(shù)量為3孔時(shí)，微孔間距由0.2 cm增加至1.2 cm，濕潤(rùn)面積與單組流量分別增加46.15%與63.42%；濕潤(rùn)率減小35.55%；灌水強(qiáng)度峰值呈先減小后增加趨勢(shì)，其中0.2 cm較高。微孔間距與微孔夾角交互作用時(shí)，隨著二者正向增加，濕潤(rùn)面積與單組流量呈先增加后降低趨勢(shì)，濕潤(rùn)率呈降低趨勢(shì)，灌水強(qiáng)度峰值數(shù)量由1增加至3，其中3K0D0.2處理灌水強(qiáng)度峰值最高。

圖6 3孔微孔夾角與間距變化對(duì)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(shí)，噴灑幅度、濕潤(rùn)面積與單組流量呈先增加后減小趨勢(shì)，其中30°較高；濕潤(rùn)率呈減小趨勢(shì)，降低246.93%，其中0°濕潤(rùn)為100%；灌水強(qiáng)度峰值呈先減小后增加趨勢(shì)，其中0°較高。當(dāng)微孔數(shù)量為5孔時(shí)，微孔間距由0.2 cm增加至1.2 cm，濕潤(rùn)面積與單組流量基本均呈先增加后降低趨勢(shì)，其中0.4 cm較高；濕潤(rùn)率呈減小趨勢(shì)，降低36.22%；灌水強(qiáng)度峰值無(wú)顯著性變化規(guī)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(shí)，5K60D0.4濕潤(rùn)面積及流量較高，5K0D0.4處理灌水強(qiáng)度峰值最高。

圖7 5孔微孔夾角與間距變化對(duì)微噴帶水量分布的影響

綜合上述4圖及表2發(fā)現(xiàn)，隨著微孔數(shù)量的增加，濕潤(rùn)面積、濕潤(rùn)率、流量、灌水強(qiáng)度峰值均呈增加趨勢(shì)，其中，與2孔相比，5孔濕潤(rùn)面積、濕潤(rùn)率、流量、灌水強(qiáng)度峰值分別增加89.11%、13.73%、339.38%、25.06%。

表2 不同處理對(duì)濕潤(rùn)面積、干燥面積、單組流量及灌水強(qiáng)度峰值的影響

2.2 組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jìn)行多元逐步回歸分析（表3）。

由表3可知，微孔數(shù)量對(duì)單組流量存在顯著性影響的(0.898)，3因素中微孔數(shù)量對(duì)流量影響最大，其次微孔夾角，微孔間距最小。微孔數(shù)量可對(duì)單組流量的大范圍調(diào)節(jié)，還需微孔夾角粗調(diào)，再通過(guò)微孔間距進(jìn)行細(xì)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)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(yàn)度為極顯著水平(F=67.01，sig=0.000)。其多元決定系數(shù)R2=0.820，調(diào)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(lái)解釋，誤差僅占19.20%，該模型中微孔數(shù)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(shù)量、微孔夾角、微孔間距來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單組流量的預(yù)估。該模型中微孔數(shù)量、微孔夾角、微孔間距對(duì)單組流量的貢獻(xiàn)率分別為90.00%、14.00%和1.00%。

3 討論

3.1 微噴帶微孔數(shù)量、夾角、間距對(duì)單組水量分布的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，微孔數(shù)量由1孔增加至5孔時(shí)，單組流量、濕潤(rùn)面積均呈增加趨勢(shì)，可能是由于相同壓力下，毛管水流流速與微孔直徑相同時(shí)，隨著微孔數(shù)量的增加出流斷面增加，導(dǎo)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(rùn)率，同時(shí)，土壤入滲能力有限，易增加地表徑流，進(jìn)一步增加地表濕潤(rùn)面積[20-21]。與孫紅梅[22]研究結(jié)論一致。也與張學(xué)軍[12]研究5孔時(shí)有效噴灑幅度大于3孔結(jié)論一致。然而，張學(xué)軍還發(fā)現(xiàn)隨微孔數(shù)量的增加有效噴灑幅度呈先增加后降低趨勢(shì)，可能由于管徑相同時(shí)，微孔數(shù)量增加一定程度時(shí)勢(shì)必會(huì)降低微孔直徑，單組流量會(huì)出現(xiàn)降低現(xiàn)象，至于本研究微孔數(shù)量高于5孔時(shí)有效噴灑幅度是否會(huì)出現(xiàn)降低趨勢(shì)，還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)論證。

本研究發(fā)現(xiàn)微孔夾角的30°時(shí)濕潤(rùn)面積較大，與王建軍等[13]研究結(jié)論一致，然而，徐茹[5]、邸志剛[1]、張學(xué)軍[12]研究認(rèn)為噴射仰角40°～50°時(shí)濕潤(rùn)面積較大，與本研究結(jié)論存在較大誤差，由于毛管管徑的差異，邸志剛、張學(xué)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(shù)量也起到直接與間接影響，對(duì)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(jìn)一步試驗(yàn)論證。于國(guó)豐等[14]認(rèn)為濕潤(rùn)區(qū)幅度均隨噴射角度的增大而減小，與本研究大多數(shù)結(jié)論不一致，主要是由于本研究微噴帶為無(wú)邊圓柱形，于國(guó)豐等采用的微噴帶具有壓邊結(jié)構(gòu)。

本研究發(fā)現(xiàn)組內(nèi)微孔間距越大其單組流量呈先增加后略微降低現(xiàn)象，由于孔口出流量除與孔口作用水頭有關(guān)外，還與孔口流量系數(shù)有關(guān)，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(nèi)以紊流為主，層流較少，孔口處流量沿程出現(xiàn)局部增大現(xiàn)象[24-26]，在相同直徑的多孔出流中，隨短管內(nèi)微孔間距的增加，其配水均勻度系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后降低現(xiàn)象[27-28]。

3.2 微噴帶微孔數(shù)量、夾角、間距與單組流量的相關(guān)關(guān)系

微噴帶組內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)布孔方式、孔組間距以及孔數(shù)決定微噴帶單位長(zhǎng)度的總出流量，同時(shí)也改變單組流量、灌水均勻性、水分分布、地表濕潤(rùn)面積等[5,29-30]。本研究發(fā)現(xiàn)微孔數(shù)量對(duì)單組流量的影響起主導(dǎo)作用，其次微孔間距與微孔夾角，其中微孔間距、夾角均通過(guò)改變噴射仰角實(shí)現(xiàn)微噴灌溉，其中微孔間距單位變化范圍對(duì)噴射仰角影響大于微孔夾角，表明微孔數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單組流量的大范圍調(diào)節(jié)，要想實(shí)現(xiàn)高精度單組流量控制，還需通過(guò)微孔夾角粗調(diào)，再通過(guò)微孔間距進(jìn)行細(xì)調(diào)。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(shù)量、微孔夾角、微孔間距來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單組流量的預(yù)估。但是，該模型誤差e值較大(0.180)，說(shuō)明尚有一些影響因素未被考慮在內(nèi)，還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

微孔數(shù)量對(duì)單組流量存在顯著性影響的(0.898)，3因素中微孔數(shù)量對(duì)流量影響最大，其次微孔夾角，微孔間距最小。隨著微孔數(shù)量的增加，濕潤(rùn)面積、濕潤(rùn)率、流量、灌水強(qiáng)度峰值均呈增加趨勢(shì)。隨微孔間距與夾角的增加，濕潤(rùn)面積與單組流量呈先增加后降低趨勢(shì)；濕潤(rùn)率呈減小趨勢(shì)；灌水強(qiáng)度峰值無(wú)顯著性變化規(guī)律，整體而言微孔間距與夾角越小其值較高。描述性統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，單組流量服從正態(tài)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(shù)量、微孔夾角、微孔間距對(duì)單組流量的貢獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)單組流量的預(yù)估。