易 萌，李 紅，涂 琴，張 凱，張乾坤

(1.江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.常州信息職業(yè)技術學院智能裝備學院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

目前我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，農業(yè)也向著高質量、智能化的方向發(fā)展，對農產品品質的需求逐步提高。農作物養(yǎng)分的吸收都伴隨著水分的輸運，因此灌溉均勻性是影響農產品質量和形態(tài)的重要因素，關系到農產品附加值的提升以及農戶收入的提高。由于近年來現代農業(yè)和物流運輸業(yè)的快速發(fā)展，農產品類別正呈現出多樣化、多變性的趨勢，變量灌溉、精準灌溉成為必然[1,2]。變量灌溉能夠滿足作物、土壤的時空變異性對灌溉的不同需求，但當采用不同的變量灌溉模式時，由于管道流量的變化，會使得相鄰噴頭工作壓力差發(fā)生變化，影響組合噴灌均勻性以及作物長勢的均勻性[3-5]。為了提高農產品品質，水肥一體化技術是實現高效灌溉的重要途徑。但水肥一體化系統(tǒng)室外運行時會因鹽分與泥沙、鈣鎂離子、其他雜質的綜合作用極易造成堵塞[6,7]，使噴頭工作壓力遠低于額定工作壓力范圍，造成相鄰噴頭間存在工作壓力差，從而影響灌溉和施肥均勻性。為控制農業(yè)總用水量，在作物增產的同時減輕環(huán)境污染，也需對灌溉均勻性進行研究[8]。

目前變量灌溉主要采用圓形噴灌機或平移式噴灌機，但其成本較高、控制較為復雜。輕小型噴灌機組由動力機泵、管道、噴頭等部分組成，與前兩類機組相比更加靈活，適合水源小而分散的丘陵山區(qū)和小型地塊，也能適應土地適度規(guī)模經營的場合，投資少，對操作技術要求低，與我國小型農戶的灌溉需求相契合[9]。該類型機組可以采用調節(jié)水泵流量以及噴頭流量等措施實現一定范圍內的變量灌溉。但輕小型噴灌機組一般采用涂塑軟管，由于地勢差異、缺乏調壓措施等因素噴頭壓力波動較大，會使相鄰噴頭工作壓力差增大，影響灌溉均勻性。有學者提出恒壓變量與恒量變壓的灌溉系統(tǒng)，但此類系統(tǒng)一般成本較高、控制復雜，且能耗較高，僅在經濟作物灌溉、部分大型灌區(qū)有一定應用[10]。

當噴灌機組運行時，不同的管道材質、長度以及管道接口都會造成不同的壓力損失，形成相鄰噴頭間不同工作壓力差。因此，相鄰噴頭工作壓力差對灌溉均勻性的影響是變量灌溉、水肥一體化系統(tǒng)中不可忽略的問題，但這方面的研究還較為欠缺。嚴海軍[4]建立了變量灌溉機組連續(xù)運行和間歇運行時的水量分布模型，對每個噴頭采用了同樣的徑向水量分布曲線，未考慮主管道噴頭壓力差異的影響，但其試驗結果表明，跨度為400 m的圓形噴灌機，管路首末噴頭工作壓力差已達22.5%。因此，需就噴頭工作壓力差對灌溉均勻性的影響進行深入研究。

隨著我國經濟的快速發(fā)展，有些地區(qū)存在土壤污染或退化的情況。作物種植土壤可能是回填土、改良土壤，或者因長期種植某類作物而使土壤發(fā)生空間變異，如果采用傳統(tǒng)的灌溉方法，會使鹽分、水分的差異性加劇，可以通過調整相鄰噴頭工作壓力差使水分或鹽分向某一側或某一區(qū)域集中，從而提高土壤中的鹽分、水分分布均勻性。

本文以搖臂式噴頭為研究對象，以中心豎管底部的球閥為控制器調節(jié)相鄰噴頭的間的壓力差，設置一系列相鄰噴頭間壓力差進行試驗，模擬實際噴灌過程所造成的壓力損失，研究其對噴灌均勻性和水量分布的影響，為輕小型噴灌機組的優(yōu)化配置以及噴灌系統(tǒng)的智能控制提供理論基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設備

相鄰噴頭工作壓力差對噴灌均勻性的影響試驗于2018年10月在江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心圓形噴灌試驗大廳內進行。大廳內全封閉，具有良好的試驗條件，可減少因風速和風向等因素變化影響蒸發(fā)漂移損失量，減少外部因素的變化對實驗結果的干擾和影響[11,12]。試驗設備包括搖臂式噴頭、管路系統(tǒng)、水泵機組、電磁流量計、壓力表、溫度與濕度測量儀和雨量筒等。

試驗噴頭選取的是江蘇旺達噴灌機有限公司生產的10PY噴頭，噴嘴的基圓公稱直徑是4 mm，測得在最大工作壓力下的最大噴灑射程為14 m。采用4個噴頭組合噴灌，方形布置，每個噴頭全圓噴灑，噴頭間距和支管間距均為11 m，試驗布置如圖1所示。雨量桶采用加工定制，具有集雨和水量顯示的功能，測量部分采用錐臺式結構，具有自主知識產權。雨量桶實物圖如圖2 所示，上部集雨部分內圓直徑是 20 cm，垂直高度是60 cm，均勻且無缺陷，試驗時采用專用鐵架臺進行支撐。根據組合噴灌試驗標準，雨量桶采用1 m×1 m等間距布置。噴灌機組的噴灌高度設為1.2 m，試驗臺與管道采用管道三通連接，采用球閥進行壓力調節(jié)。壓力測量采用準確度等級為 0.4 級的精密壓力表測出，流量測量采用準確度等級為0.5級的電磁流量計測出。

1-閥門；2-流量計；3-管道；4-雨量筒；5-球閥；6-壓力表；7-噴頭圖1 組合噴灌水量分布試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic program of the test system for the water distribution of overlapping sprinklers

圖2 雨量桶實物圖Fig.2 Catch can for the irrigation water

1.2 試驗設計

本文主要研究噴灌系統(tǒng)相鄰噴頭間工作壓力差對噴灌均勻性的影響。試驗設置3組工作壓力，分別是0.22、0.25、0.28 MPa。綜合考慮管道沿程壓力損失、地勢變化、水肥一體化鹽類沉積導致的噴頭堵塞等因素對相鄰噴頭壓力差的影響，設置0、0.01、0.02、0.03、0.04 MPa等5個壓力差，共15組試驗。其中壓力差為0 MPa的是對照組。每組試驗過程中，噴灌機組先運行10 min，待機組水力性能穩(wěn)定后進行試驗。水力性能穩(wěn)定后，開啟噴頭并調整噴頭壓力與壓力差，機組噴灑10 min 后再進行水量噴灑并收集。此過程為避免因噴頭開啟和調整壓力與壓力差導致水力因素變化對試驗結果的影響。輕小型噴灌機組變量運行時，系統(tǒng)總流量變化或是部分噴頭啟閉都會使機組水動力狀態(tài)出現一個新的平衡過程，即水力過渡過程[13]。水量分布測試時間為1 h，當噴灌機組噴灑時間結束時立即測量并記錄每個量筒的灌水深度，減少蒸發(fā)損失量對試驗數據的影響[14]。

1.3 均勻度和灌水深度的計算方法

采用Christiansen計算法[15]計算噴灌均勻系數，公式為：

(1)

(2)

由于Cu不能反映個別監(jiān)測點水深與偏差值較大時的情況，因此分布均勻系數Du也是重要的評價標準，其強調灌溉水深較小的一部分，保證灌溉最小量，其定義為：

(3)

(4)

式中：xi為第i個監(jiān)測點的水深；N為監(jiān)測點數。

采用Matlab軟件計算組合噴灌數據，評價噴灌機組均勻度選擇灌水均勻系數。

2 結果與分析

2.1 噴頭工作壓力差對組合噴灌均勻性的影響

不同工作壓力和相鄰工作壓力差下10PY噴頭組合噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du的對比結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同相鄰噴頭工作壓力差下的噴灌均勻系數對比Fig.3 Irrigation uniformity coefficients under different working pressures and different pressure difference between adjacent sprinklers

圖4 不同相鄰噴頭工作壓力差下的分布均勻系數對比Fig.4 Distribution uniformity coefficients under different working pressures and different pressure difference between adjacent sprinklers

圖3和圖4中相鄰工作壓力差對組合噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du的影響有一定的相似性，但分布均勻系數Du更能反映相鄰工作壓力差對灌溉水量低值區(qū)的影響，以工作壓力為0.22 MPa時的對比結果最為明顯。此外，圖3中不同工況下噴灌均勻系數Cu最高值與最低值之間相差6.5%；圖4中不同工況下分布均勻系數Du最高值與最低值相差8.2%。

從三組工作壓力下的噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du的對比可以看出，0.28 MPa時的噴灌均勻性指標總體最高，0.25 MPa時噴灌均勻性指標受相鄰工作壓力差的影響最小，0.22 MPa時對相鄰工作壓力差最敏感，且總體噴灌均勻性指標最小。這說明了噴灌機組壓力控制和優(yōu)化設計的重要性。

從圖3和圖4可以看到，噴頭工作壓力為0.22和0.25 MPa時，隨著相鄰噴頭間工作壓力差增大，組合噴灌均勻系數與分布均勻系數變化趨勢相似。圖3中，噴頭工作壓力為0.25 MPa且無工作壓力差時，組合噴灌均勻系數為84.8%，分布均勻系數為74.9%，與其他組結果相比灌水均勻性最佳。

2.2 噴頭工作壓力差對組合噴灌水量分布特點的影響

10PY搖臂式噴頭額定工作壓力一般為0.25 MPa，此時不同相鄰噴頭壓力差下的組合噴灌水量分布等值線圖如圖5所示，圖中灌水高度的單位是mm/h。圖5(a)是對照組，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)和圖5(e)是相鄰噴頭壓力差分別是0、0.01、0.02、0.03、0.04 MPa的水量分布圖。

圖5 噴灌機組水量分布圖Fig.5 Water Distribution Map of Irrigation Units

通過對比可以發(fā)現圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)和圖5(e)中噴灌強度大于16 mm3/h的區(qū)域明顯大于圖4(a)，這說明噴灌水量更加集中，這是導致噴灌均勻性變差的重要因素。圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)與圖5(a)相比還可以發(fā)現：當相鄰噴頭壓力差增大時，水量分布集中區(qū)整體上有一定程度的右移，即水量集中區(qū)偏向于水流下游區(qū)。這一點與我們的經驗認識有很大區(qū)別。水流下游區(qū)的灌水深度等值線也更為密集，灌水深度值變化比上游區(qū)更為明顯，導致灌水均勻性越差。這些現象與搖臂式的射流特性和圖6所示徑向水量分布特點密切相關。單噴頭的水量分布在0.66處水量比較集中，組合噴灌后一般水流上游區(qū)的噴頭壓力大于下游區(qū)，對水量分布的影響更加顯著。

圖6 10PY噴頭徑向水量分布Fig.6 Radial water distribution of PY10 sprinkler

圖3和圖4顯示，不同工作壓力下，噴灌均勻性指標隨著相鄰噴頭壓力差的增大不是單調的增加或減少，這是由單噴頭的徑向水量分布非線性特點和隨工作壓力變化時多噴頭的空間組合所致，表明了相鄰噴頭壓力差對噴灌水量分布和均勻性影響的復雜性。圖3和圖4中當噴頭工作壓力為0.22和0.28 MPa時，有多個相鄰噴頭工作壓力工況點的灌溉均勻性高于無壓力差時的灌溉均勻性，這說明一定范圍內可以通過增大相鄰噴頭工作壓力差來提高灌溉均勻性，但這一措施對水肥一體化系統(tǒng)施肥均勻性、土壤水分分布均勻性、作物長勢和質量分布特點等因素的影響還需進一步研究。

3 結 語

為了研究相鄰噴頭工作壓力差對噴灌均勻性影響，選取灌水均勻系數Cu和分布均勻系數Du作為評價指標，對不同工作壓力下10PY噴頭相鄰噴頭工作壓力差對噴灌均勻性和水量分布影響進行試驗和對比分析。主要結論如下。

(1)不同工作壓力下的噴頭相鄰噴頭工作壓力差對噴灌均勻性的影響特點不同。0.28 MPa時的噴灌均勻性指標總體最高，0.25 MPa時噴灌均勻性指標受相鄰工作壓力差的影響最小，0.22 MPa時對相鄰工作壓力差最敏感，且總體噴灌均勻性指標最小。

(2)由于相鄰噴頭間存在工作壓力差的存在會使灌溉水量集中點更偏向于水流下游區(qū)一側，此區(qū)域的灌水深度等值線也更為密集。造成這一現象的原因可能與搖臂式的徑向水量分布特點有關。

(3)與噴灌均勻系數Cu相比，分布均勻系數Du更能反映相鄰工作壓力差對灌溉水量低值區(qū)的影響，適于對灌溉質量和作物個體差異性更加關注的場合。

(4)在所有工況中，噴頭工作壓力為0.25 MPa且無工作壓力差時，組合噴灌均勻系數最高，為84.8%，分布均勻系數為74.9%。不同工況下噴灌均勻系數Cu最大偏差為6.5%，分布均勻系數Du最大偏差為8.2%，不可忽視。