王清君

(北票市高標準農(nóng)田建設管理辦公室，遼寧 北票 122113)

據(jù)統(tǒng)計，坡耕地在我國總耕地的面積占比達到了20%以上，面積超過2.67×108hm2。坡耕地給農(nóng)作物灌溉帶來諸多麻煩，而傳統(tǒng)的處理方法是將坡耕地改造為梯田，成本大、時間長，而且不利于后期的機械化作業(yè)。如果針對性地對噴灌系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，使其在面對坡耕地時灌溉均勻性能達到一個新水平，也就解決了坡耕地的主要問題。

1 工程概況

北票市屬于“七山一水二分田”的低山丘陵區(qū)，擁有耕地面積1167km2，但其中坡耕地達到611.4km2，占比達到52.4%。該市從2010年開始，便著手改造坡耕地，截至2020年底，共計改造坡耕地約5200hm2，投資總計約1.2億元。鑒于改造坡耕地成本較大，因此決定對坡度小于10°的耕地噴灌系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，以保證灌溉均勻性[1]。

2 坡地噴灌均勻性影響因素分析

2.1 試驗設計

2.1.1試驗設備

本項目試驗借助于沈陽農(nóng)業(yè)大學的水力學試驗室，主要試驗設備包括：雨鳥LF1200型噴頭、可調節(jié)高度支架、雨量筒、加壓泵等[2]。具體試驗設計如下。

(1)本次試驗裝置的支架高度可以根據(jù)需要進行調節(jié)，以此來模擬坡地的角度，為了檢測各點噴灌強度，將雨量筒放置在各點處(高14.0cm，開口直徑10cm)布置在不銹鋼槽內(nèi)，分布間距1.0m×1.0m，共計11行、11列。

(2)噴嘴仰角15°，布置高度30cm，工作壓力范圍150～400kPa[3]。具體壓力由安裝在噴嘴處的壓力傳感器自動記錄(記錄間隔10s)。

(3)本項目噴頭壓力設計4個水平(100、200、300、400kPa)，坡度設計4個角度(0°、3°、6°、8°)。為了保證試驗準確性，每組試驗重復3次，每次時間持續(xù)1.0h，每次等壓力、出水均穩(wěn)定后再開始記錄數(shù)據(jù)。如圖1所示。

2.1.2測試方法

本項目主要測試的噴灌參數(shù)包括：射程、強度、均勻度，每個參數(shù)的測試方法如下。

(1)噴灌射程測試。坡耕地噴灌射程采用“坐標法”計算，原理如圖2所示。

以噴頭垂線為z軸，與坡面走向垂直的水平線設為x軸，與x軸垂直的水平線設為y軸，水滴落點M的坐標(a，b，c)可以確定，噴灌射程L計算公式[4]為：

(1)

式中，a—x軸上坐標值；b—y軸上坐標值；c—z軸上坐標值。

(2)噴灌強度測試。噴灌強度就是在單位時間內(nèi)，將雨量筒內(nèi)裝入水的質量除以開口面積，得出單位時間、單面面積上所噴灑的總水量。噴灌強度P計算公式[5]為：

圖1 試驗裝置實景

圖2 “坐標法”計算噴灌設計原理

(2)

式中，M—雨量筒內(nèi)水的質量，g；A—雨量筒開口面積，mm2；t—噴灌時間，h。

(3)噴灌均勻度測試。本次試驗在評價噴灌均勻度時，引入了“克里斯琴森均勻系數(shù)(CU)”，系數(shù)值越大，灌溉均勻度越好，計算公式[6]為：

(3)

2.2 坡度對于噴灌參數(shù)的影響

2.2.1坡度對噴灌射程影響

本項目在試驗室中測定了不同坡度、壓力下的噴灌射程，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同坡度噴灌射程

由表1可知：①在同一坡度下，隨著噴灌壓力增大，上下坡的射程均呈現(xiàn)增加狀態(tài)，由100kPa增至200kPa、射程基本增加約2.0m，由200kPa增至300kPa、射程增加約1.2m，由300kPa增至400kPa、射程僅增加約0.2m，可見增幅逐漸減小；②在同一噴灌壓力下，隨著坡度增大，上坡射程越來越小，下坡射程越來越大，導致上下坡的射程差值也越來越大，在200kPa時差值最大，100kPa時差值次之，所以在低壓下工作是不利的。因此建議當?shù)貒姽鄩毫?00～400kPa[7]。

2.2.2坡度對噴灌強度影響分析

圖3顯示了當噴頭壓力為300kPa時，只改變坡度這一參數(shù)，各測點噴灌強度變化情況，以此來驗證坡度對噴灌強度的影響。

由圖3可知：①不同坡度下，噴灌強度規(guī)律都遵循“距離噴嘴越近，強度越大”這一規(guī)律[8]；②當坡度設置為0°，以噴頭為圓心，呈一個完美“圓形”分布開來，噴灌強度由內(nèi)向外逐漸減小；③隨著坡度增大，噴灌強度逐漸向“雞蛋形”發(fā)展，即：上坡處逐漸呈扁平狀，而下坡頂端處逐漸延伸；④在噴灌范圍內(nèi)的同一距離下，上坡噴灌強度相對于下坡較大。

2.2.3坡度對噴灌均勻度影響分析

本項目測定了在不同坡度、不同壓力和不同間距下，對應的CU值，具體見表2。

由表2可知：①當噴灌壓力為100kPa時，隨著坡度逐漸由0°增至6°，噴灌均勻度(CU值)逐漸增大，但由6°增至8°，噴灌均勻度又減小，坡度為6°時噴灌均勻度最好；當噴灌壓力分別為200、300、400kPa時，坡度為3°時噴灌均勻度最好；②在同一噴灌壓力下，隨著噴灌間距逐漸增大，CU值逐漸減??；③當噴灌壓力為300和400kPa時，噴灌間距即使由6m×6m增至12m×12m，其CU值基本能達到80以上[9]。

3 坡地噴灌系統(tǒng)均勻性優(yōu)化分析

3.1 噴頭布置方式優(yōu)化分析

一般噴頭的布置方式為正方形布置或正三角形布置，噴頭設計在頂點位置。當噴灌壓力300kPa、坡度為8°、間距為R(噴射距離)時，2種布置方式的噴灌強度分布如圖4所示[10]。

圖3 不同坡度下噴灌強度分布(壓力：300kPa)

表2 不同坡度下噴灌均勻度(CU值)的變化情況

圖4 不同布置方式下噴灌強度分布(上：正方形；下：正三角形)

由圖4可知：①采用正方形布置時，在噴頭附近及中部偏下，強度較大；②采用正三角形布置時，3個頂點附近噴灌強度較大，其CU值大于正方形，因此建議坡地噴灌系統(tǒng)采用正三角形布置方式[11]。

3.2 噴灌壓力最優(yōu)選擇設計

當坡度為8°、噴灌間距為R、正三角形布置時，300和400kPa噴灌壓力下的水量分布如圖5所示。

圖5 不同噴灌壓力下水量分布(上：300kPa；下：400kPa)

由圖5可知：①當噴灌壓力為300kPa時，中心位置強度明顯低于3個頂點位置，但均勻度基本達到了85%；②當噴灌壓力為400kPa時，中心位置灌溉強度也被提升，與頂點差別不大，均勻度可達90%以上。綜合考慮系統(tǒng)灌溉效果和運行費用，在此建議噴灌壓力選擇300kPa[12]。

4 結語

通過試驗設計，根據(jù)不同坡度、壓力下測定的噴灌射程，得知噴灌在低壓下工作是不利的，建議噴灌壓力為300～400kPa；不同坡度下，噴灌強度規(guī)律都遵循“距離噴嘴越近，強度越大”這一規(guī)律；坡度對噴灌均勻度影響，增大幅度逐漸減小，在噴灌壓力為300和400kPa時，CU值基本能達到80以上。試驗結果在應用時可能還需要根據(jù)實際條件(諸如風力、土質、溫度等因素)進行靈活調整，以滿足灌溉要求為最終目的。噴灌技術對管理要求很高，同時需要具備基本的相關知識，在此建議設立臨時培訓站，或制定常見故障及排除方法，這樣才能解決坡耕地灌溉問題。