□汪威 湯穎力 馮傳烈 劉云/宜賓市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所

霧灌技術(shù)在低海拔山區(qū)的工程化設(shè)計(jì)研究

□汪威 湯穎力 馮傳烈 劉云/宜賓市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所

1 設(shè)計(jì)中需要解決的技術(shù)問(wèn)題

1.1 加壓設(shè)備參數(shù)的設(shè)計(jì)

霧灌技術(shù)加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)原理與其他灌溉技術(shù)加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)原理有本質(zhì)不同。霧灌技術(shù)在需要滿足霧化粒度的同時(shí)還需滿足觀光視覺(jué)要求，在加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)上需要兼顧二者。

1.2 霧化噴頭出水量、出水壓力以及霧化粒度的均衡性控制

霧灌技術(shù)目前多應(yīng)用在與旅游結(jié)合的觀光農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其本質(zhì)是為了人為給低海拔地區(qū)的作物營(yíng)造一種云霧生長(zhǎng)環(huán)境，以達(dá)到既能影響株間小氣候，又能實(shí)現(xiàn)旅游觀光的目的。自然環(huán)境中的云霧將光照、溫度、濕度等自然因素有機(jī)結(jié)合形成了云霧氣候，從而影響作物生化物質(zhì)的形成量，確保作物相關(guān)品質(zhì)，然而低海拔區(qū)域不易形成自然環(huán)境中的云霧，同時(shí)低海拔山區(qū)地形變化大，噴頭之間的落差極大，易造成噴頭間的出水量、出水壓力以及霧化粒度各不相同，以致于既達(dá)不到灌溉作用又營(yíng)造不出能影響株間氣候和觀光的云霧帶。目前，要解決在地形落差較大的山區(qū)丘陵地帶大面積內(nèi)噴頭的出水量、壓力和霧化帶形成的均衡控制。

1.3 霧灌技術(shù)可靠性保障

霧灌技術(shù)在地形落差較大的山地實(shí)施，管網(wǎng)中各點(diǎn)壓力不均，易造成使用過(guò)程中管網(wǎng)嚴(yán)重變形甚至脫落。因此，需要在管道布置上進(jìn)行全面規(guī)劃和正確設(shè)計(jì)，以保障使用的可靠性。通過(guò)對(duì)霧灌工程故障統(tǒng)計(jì)分析，得出其可靠性對(duì)比，如圖1所示。

圖1 霧灌工程故障發(fā)生率

霧灌設(shè)備安裝完成后，其故障率呈現(xiàn)浴盆曲線形式。開始由于在安裝后調(diào)試期，故障率較高，但隨著調(diào)試結(jié)束，故障率開始下降并趨于穩(wěn)定。建設(shè)在地形復(fù)雜山地的霧灌工程在整個(gè)壽命階段的故障率均高于建立在整體地勢(shì)平坦的霧灌工程。

水流在高壓作用下從噴射孔高速射出后，霧滴表面張力小于氣動(dòng)力，從而被空氣破碎成無(wú)數(shù)細(xì)小顆粒并在空中懸浮一定時(shí)間，形成區(qū)域性的“霧帶”，簡(jiǎn)稱霧灌技術(shù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)證明，霧灌的節(jié)水、減耗、增產(chǎn)能力十分顯著，特別適用于經(jīng)濟(jì)作物的灌溉。霧灌技術(shù)在地形復(fù)雜的山地區(qū)域和地形平坦區(qū)域的設(shè)計(jì)有很大的差別，其設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是加壓設(shè)備參數(shù)的確定、管網(wǎng)中壓力均衡控制和控制霧化粒度的霧化噴頭設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例設(shè)計(jì)

本文以某縣山地茶園的霧灌設(shè)計(jì)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 實(shí)施區(qū)地形概括

地形影響著整個(gè)工程設(shè)計(jì)與工程化應(yīng)用。而地形因子最常由坡度和坡向表述。地表上某點(diǎn)的坡度S、坡向A是地形曲面函數(shù)z=f（x,y）在東西、南北方向上的偏導(dǎo)函數(shù)。

式中：fx為南北方向偏導(dǎo)數(shù)；fy為東西方向偏導(dǎo)數(shù)。

而最為直觀的是建立高斯曲面數(shù)字高程模型，確定地勢(shì)起伏參數(shù)（最大高程與最小高程之差）、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差和坡度分布頻率，并通過(guò)高斯曲面數(shù)字高程模型的復(fù)雜度參數(shù)反映地形復(fù)雜度，即平均坡度α（°）、曲面起伏θ（m）、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差δ（m）。

2.2 首部加壓設(shè)備參數(shù)確定

首部加壓設(shè)備是整個(gè)灌溉系統(tǒng)的核心，加壓設(shè)備參數(shù)（流量Q與加壓揚(yáng)程H）的確定需要考慮噴頭、過(guò)濾、管水耗損以及地形復(fù)雜程度等因素。其確定如下所示。

式中：Σh為噴頭壓損、過(guò)濾裝置壓損、管水耗損，最不利出水高差總和；f(Σh,φ(α,θ,δ))為地形復(fù)雜程度對(duì)加壓設(shè)備參數(shù)的影響因子；η為水泵安全系數(shù)，一般為1.10～1.15。

2.3 管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)

地形起伏復(fù)雜程度對(duì)管網(wǎng)中的壓力均衡性影響極大，造成管網(wǎng)水壓難以均衡控制。為了解決地形起伏對(duì)整體霧灌效果的影響，需要在管網(wǎng)中分區(qū)域設(shè)置多個(gè)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)，通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)上的流壓比實(shí)現(xiàn)流量、壓力、時(shí)間的耦合控制，使大面積復(fù)雜的山地分布的噴頭出水壓力穩(wěn)定、霧化粒度均衡。在保證出水量、出水時(shí)間一致，壓力穩(wěn)定、平衡的同時(shí)，為了最大化霧化效果需采用專用霧化噴頭，從而形成霧狀顆粒大小為100μm左右的霧帶。

2.4 霧化效果

茶園的平均坡度為27.9°，曲面起伏為82.1m，高程標(biāo)準(zhǔn)偏差為45.6m，其霧灌工程霧化效果如圖2所示，灌溉面積33.33hm2。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)引入高斯曲面數(shù)字高程模型的復(fù)雜度參數(shù)反映地形復(fù)雜度，即通過(guò)平均坡度α（°）、曲面起伏θ（m）、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差δ（m）等參數(shù)數(shù)值化地形復(fù)雜程度，確定了地形復(fù)雜程度在加壓設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)上的函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制模式控制管網(wǎng)因地形落差引起的壓力、流量不均衡現(xiàn)象，有效控制了霧化效果和管網(wǎng)故障率。

圖2 山地茶園霧灌效果圖