葛茂生 魏福強 吳普特 張騫文 薛紹鵬

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院, 陜西楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室, 陜西楊凌 712100)

0 引言

優(yōu)良的噴灑水力性能是噴灌技術(shù)裝備研發(fā)與應用的核心目標[1],也是充分發(fā)揮噴灌技術(shù)優(yōu)勢的重要保障。對噴灌系統(tǒng)噴灑水力性能進行評價時,主要評價指標包括噴灌強度[2]、噴灑均勻度[3]和水滴打擊強度[4]等。其中噴灌強度取值應與土壤入滲率相匹配,以避免地表積水和產(chǎn)生徑流[5-6];噴灑均勻度與作物產(chǎn)量和品質(zhì)、灌溉水利用率以及噴灌系統(tǒng)經(jīng)濟性等密切相關(guān)[7];噴灌水滴對土壤的打擊是造成土壤團聚體破壞和土壤孔隙度降低的直接原因,可導致土壤結(jié)皮和入滲率降低,并引發(fā)土壤侵蝕[8]。因此,適宜噴灌強度、較高噴灑均勻度和較低水滴打擊強度成為噴灌技術(shù)裝備研發(fā)的重要目標。

研究人員從噴頭結(jié)構(gòu)設計、噴頭工作壓力、安裝高度或組合間距等參數(shù)的優(yōu)化組合等方面開展研究,對噴灌水力性能指標進行優(yōu)化提升[9]。其中,動態(tài)水壓噴灑被證明是改善噴灑水力性能的一種有效途徑[10]。葛茂生等[11]研究表明動態(tài)水壓下低壓折射式噴頭的噴灌強度和動能強度峰值顯著降低。付博陽等[12]進一步探討了坡地噴灌中,動態(tài)水壓噴灑對水量分布以及噴灑均勻度的影響。王新坤等[13]基于射流附壁效應設計出一種具有脈沖特性的負壓反饋射流噴頭,實現(xiàn)在主副噴嘴間連續(xù)交替性脈沖射流,并探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流脈沖特性的影響。

盡管動態(tài)水壓噴灑通過改善噴灑水量分布,顯著降低了噴灌強度和動能強度的峰值,但未能在保證較大噴頭射程的前提下降低噴頭流量和平均噴灌強度。在坡地和黏性土噴灌時,允許噴灌強度大幅降低,仍存在較高的地表積水和徑流風險[14]。脈沖寬度調(diào)制變量控制技術(shù)將連續(xù)噴灑轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇脈沖噴灑,通過調(diào)節(jié)噴灑頻率和脈沖噴灑時間實現(xiàn)對噴頭流量的精量調(diào)控,成為目前變量噴灌的主流方法之一[15]。這種技術(shù)多應用于大型移動式變量噴灌系統(tǒng)。

針對上述問題,本文基于壓縮空氣調(diào)節(jié)能量存儲與釋放過程的思路,開發(fā)一種新型動態(tài)水壓間歇式脈沖噴灌裝置,同步實現(xiàn)動態(tài)水壓噴灑和間歇脈沖噴灑。在動態(tài)水壓間歇脈沖噴灌條件下,對噴頭的噴灌強度、噴灑均勻度和水滴打擊強度等水力性能指標進行實測,并與恒壓連續(xù)噴灑條件下的水力性能指標進行對比,驗證動態(tài)水壓間歇式脈沖噴灌技術(shù)的可行性,以期為協(xié)同優(yōu)化噴灌水力性能指標,綜合提升噴灌灌溉質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 動態(tài)水壓間歇脈沖噴灑原理

通過壓縮空氣對能量進行存儲與釋放調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)間歇式動態(tài)水壓脈沖噴灑,原理如下:灌溉水經(jīng)水-泵加壓后注入圖1所示的密閉水氣罐,隨著罐體內(nèi)水量的增加,罐內(nèi)空氣被壓縮,空氣分子勢能隨之升高,該過程可實現(xiàn)對能量的存儲;當罐內(nèi)空氣分子勢能達到預定值后,罐體下方出水閥門開啟,水氣罐內(nèi)水流經(jīng)噴頭射出,空氣體積增大,空氣分子勢能和罐內(nèi)壓力隨之降低。噴灑過程在一定時長后停止,完成一個脈沖噴灑周期以及一次能量的存儲與釋放過程,如此循環(huán)往復,形成周期性的能量存儲、釋放和脈沖噴灑。

圖1 間歇式動態(tài)水壓循環(huán)脈沖噴灑及閥控原理圖Fig.1 Intermittent dynamic hydraulic cyclic pulse spraying and valve control schematic1.供水桶 2.水泵 3.水氣罐 4.數(shù)顯壓力表 5.壓力開關(guān) 6.延時繼電器 7.電磁閥 8.壓力變送器 9.噴頭

1.2 試驗平臺

試驗在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學試驗廳進行。搭建圖2所示的循環(huán)脈沖噴灌測試平臺,其中試驗噴頭選用ZY-2型中壓搖臂式噴頭,主噴嘴口徑7.0 mm,副噴嘴口徑3.1 mm,主噴嘴仰角為27°,噴頭距地面高度為2.5 m;電磁閥選用徽正牌直流常閉型電磁閥(DN25,1寸,ED:100%,IP:00/65);壓力變送器選用CYYZ208型壓力變送器(輸出信號4～20 mA,RS485通訊協(xié)議,量程0～1 MPa,精度0.5%FS);數(shù)字變送器選用TDA-04D6六路變送器(RS485通訊協(xié)議,采樣精度1/100 000);模擬量采集模塊選用舟正科技公司生產(chǎn)的DAQM4206C-12路模擬量采集模塊(RS485通訊,標準Modbus-RTU,精度±1‰);水泵選用DC24V 210-5型隔膜泵(設計揚程1.3 MPa,額定流量0.96 m3/h,額定功率140 W);水表選用SM-10型智能電子遠傳臥式水表(過載流量為7.87 m3/h,精度±3%);水氣罐選用立式碳鋼水氣罐(防爆等級1.6 MPa,容積30 L)。

圖2 裝置實物圖Fig.2 Schematic of physical device1.ZY-2型搖臂式噴頭 2.壓力變送器 3.電磁閥 4.壓力開關(guān) 5.壓力變送器 6.數(shù)據(jù)采集器 7.24 V直流電源 8.電源控制器 9.水源 10.水泵 11.壓力表 12.SM-10型臥式水表 13.延時繼電器

1.3 試驗設計

本研究開展間歇式動態(tài)水壓循環(huán)脈沖噴灑與連續(xù)恒定壓力噴灑室內(nèi)試驗,對比分析兩種噴灑模式下的噴灑水力特征參數(shù)。根據(jù)選用噴頭類型,連續(xù)恒定壓力噴灑條件下選定噴頭的工作壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。為保證間歇動態(tài)壓力噴灑條件下噴頭具有相同噴灑控制面積,調(diào)節(jié)壓力開關(guān)使間歇式脈沖噴灑條件下的噴灑啟動壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。調(diào)節(jié)延時繼電器設定一次脈沖噴灑時長為3 s。每組試驗測定時長1 h,重復測定3次。

1.4 測定與計算指標

1.4.1噴頭壓力與流量

噴頭實時工作壓力由安裝在噴頭下方20 cm處的數(shù)字壓力變送器測得,采樣間隔0.02 s。噴頭流量通過安裝在供水管路上數(shù)字遠傳水表獲得,采集系統(tǒng)自動讀取測試前后的水表示數(shù),兩者差值即為噴頭流量。

1.4.2徑向噴灌強度

噴頭徑向噴灌強度通過沿噴頭徑向布置的雨量桶(開口直徑19.8 cm,高度12.2 cm)實測獲得。試驗過程嚴格參照GB/T 27612.3—2011[16]進行,雨量桶的布置采用放射線布置法在以噴頭為端點引出的3條射線上(射線夾角30°),以1 m間隔布設并保證雨量桶數(shù)量覆蓋噴頭射程,每次噴灑完成后采用稱重法得到各點凈噴灌水量,除以雨量桶面積即為該點噴灌強度。

1.4.3噴灑均勻度

將實測徑向水量數(shù)據(jù)導入Surfer軟件,通過克里金插值轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格點數(shù)據(jù)[17]。由于考察單噴頭噴灑均勻度不具有實際應用價值,本文采用正方形組合設計進行噴頭水量分布組合疊加,組合間距分別取16、18、20、22、24 m,并根據(jù)典型疊加區(qū)域內(nèi)的水量分布計算噴灑均勻系數(shù)。為綜合考察噴灑水量分布的整體均勻性并防止出現(xiàn)局部漏噴,分別計算克里斯欽森均勻系數(shù)Cu和分布均勻系數(shù)Du,計算公式為[18-19]

(1)

(2)

式中hi——測點i水深,mm

n——測點數(shù)

1.4.4水滴打擊強度

水滴打擊強度是以噴灑水滴動能表示。通過2DVD實測得到水滴數(shù)目和速度,計算得到噴灑水滴動能。而噴灑水滴動能以單位體積動能和動能強度表征。本研究通過奧地利Joanneum Research公司生產(chǎn)的2DVD視頻雨滴譜儀實測得到水滴粒徑和速度。測點布置與徑向噴灌強度測試保持一致,沿噴頭徑向以1 m間隔布置,每處測點測試時長 5 min,在噴灑末端水滴數(shù)目較少的測點適當延長測試時間,保證采集水滴數(shù)不低于5 000個。每處測點完成測試后,將2DVD視頻雨滴譜儀轉(zhuǎn)移至下一測點繼續(xù)測量。

(1)水滴粒徑與速度

2DVD內(nèi)置兩臺垂直放置的CCD相機對通過測試區(qū)的每一顆水滴進行掃描,并根據(jù)水滴在光柵中形成的正交投影計算得出水滴的三維形狀參數(shù)[20]。噴灑落在測點處的水均由一系列不同粒徑的水滴組成,一般以等效粒徑作為各處的特征粒徑,體積加權(quán)平均粒徑被認為能夠較好地反映噴灑液滴的尺寸分布[21],計算式為

(3)

式中dv——體積加權(quán)平均粒徑,mm

m——該測點處的水滴數(shù)目

di——第i個水滴粒徑,mm

2DVD內(nèi)置光源形成間距為6.2 mm的兩個平行光片層,2DVD通過計算水滴通過兩個光片層的時間與水平偏移量獲取水滴的垂直分速度vv和水平分速度vh。則水滴的落地速度v與落地角度α分別為

(4)

(5)

由于各測點處均有大量不同速度的水滴,為反映水滴速度沿噴灑徑向變化的一般規(guī)律,將每處測點所有水滴視為一個整體,并賦予它們一個等效速度veq,則有[22]

(6)

式中ρw——水密度,kg/m

vi——第i個水滴落地速度,m/s

(2)單位體積動能和動能強度

噴灑水滴動能在實測水滴粒徑和速度的基礎上計算獲得,包括動能強度SP和單位體積動能[23-24],計算式為[25]

(7)

其中

式中P——測點徑向噴灌強度,mm/h

KEV——單位體積動能,J/L

2 結(jié)果與分析

2.1 噴頭壓力與流量

連續(xù)與間歇噴灑條件下噴頭的工作水頭對比如圖3所示。間歇噴灑條件下噴頭的工作狀態(tài)可分為間歇期和脈沖噴灑期,啟動壓力0.2、0.3、0.4 MPa下,間歇期時長隨噴灑啟動壓力的升高而增加,脈沖噴灑時長占總時長的比例分別為34.6%、25.9%和23.2%。取一次“間歇期+脈沖噴灑期”為一個完整的脈沖噴灑周期,則噴灑啟動壓力0.2、0.3、0.4 MPa下完成7個完整噴灑周期的時間分別為80.5、104.2、115.8 s。

圖3 連續(xù)與間歇噴灑條件下噴頭工作水頭對比Fig.3 Comparison of sprinkler working pressure under continuous and intermittent spraying conditions

此外,脈沖噴灑階段噴頭工作壓力呈現(xiàn)“急速上升—波動下降—急速下降”3個階段,其中急速上升和下降階段時間短,波動下降階段在整個脈沖噴灑過程中占據(jù)較大比例。在急速上升階段,水氣罐內(nèi)能量快速釋放,承壓水以沖擊波形式到達噴頭位置;在波動下降階段,隨著水氣罐內(nèi)能量隨射流過程釋放,水壓逐漸降低;在急速下降階段,電磁閥在達到預定噴灑時間后關(guān)閉,噴頭處水壓隨管道內(nèi)殘余水分的噴出而迅速降低。由于噴頭工作壓力是決定噴灑水力特性的重要因素[26],噴頭工作壓力的波動下降特征是影響噴灑水量分布的關(guān)鍵。如圖3所示,3種啟動壓力下噴頭的泄壓過程均呈對數(shù)型下降趨勢,噴頭工作水頭波動范圍分別為8.7～20 m、16.0～30 m和12.3～40 m,相同時間內(nèi)噴頭水頭的降幅分別為11.3、14.0、27.7 m。

由圖4可知,連續(xù)噴灑工作壓力0.2、0.3、0.4 MPa下噴頭流量分別為2.99、3.39、3.54 m3/h,而0.2、0.3、0.4 MPa間歇噴灑下的噴頭流量為0.89、0.60、0.61 m3/h。由于兩種噴灑模式下噴頭射程相同,這意味著間歇噴灑條件下平均噴灌強度降低70.23%～82.77%。兩種噴灑模式下噴頭流量隨工作壓力的變化規(guī)律呈相反趨勢。連續(xù)噴灑條件下,噴頭流量隨工作壓力的升高而增大,符合孔口出流一般規(guī)律。間歇噴灑條件下,噴頭流量隨工作壓力的升高而降低。這是由于間歇期時長隨噴頭起始工作壓力升高而變長:一方面間歇期向水氣罐內(nèi)的注水量隨噴頭起始工作壓力的升高而增加;另一方面由于水泵與罐體直接相連,水泵流量隨罐體內(nèi)壓力的提升而減小。因此,盡管間歇噴灑條件下,較高的噴灑啟動壓力帶來更高的一次噴灑量,但也減小了相同時段內(nèi)的噴灑次數(shù),間歇噴灑條件下噴頭流量由一次脈沖噴灑量和噴灑次數(shù)共同決定。

圖4 連續(xù)與間歇噴灑條件下噴頭流量對比Fig.4 Comparison of nozzle flow under continuous and intermittent spraying conditions

2.2 徑向噴灌強度

對比連續(xù)與間歇脈沖噴灑條件下的徑向噴灌強度(圖5)可知,連續(xù)噴灑下的徑向噴灌強度呈臺階狀分布,近噴頭3 m范圍內(nèi)噴灌強度較高,為8.5～11.5 mm/h,形成一級臺階;在3～5 m范圍內(nèi)噴灌強度迅速降低至4～6 mm/h,并在外圍區(qū)域保持穩(wěn)定,為二級臺階。與連續(xù)噴灑不同,間歇脈沖噴灑條件下的徑向噴灌強度呈雙峰型分布,除了近噴頭處噴灌強度峰值之外,在60%～70%噴頭射程位置處,出現(xiàn)了第2個噴灌強度峰值。結(jié)合間歇脈沖噴灑條件下的噴頭工作壓力分析,在一次脈沖噴灑過程中,噴頭壓力呈現(xiàn)由大變小的動態(tài)變化,當噴頭工作壓力降低到低值區(qū)時,噴頭射程和水流破碎程度均顯著降低。如噴灑啟動壓力0.4 MPa脈沖噴灑時長 3 s 間歇噴灑條件下,噴頭的工作壓力低值為0.123 MPa,此時水量集中降落的位置約為工作壓力0.4 MPa下噴頭射程的63.2%。此外,受噴灑機制的影響,間歇脈沖噴灑在噴灑啟動壓力0.2、0.3、0.4 MPa下的峰值噴灌強度僅為連續(xù)噴灑條件的33.0%、12.7%和13.0%。

圖5 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向噴灌強度對比Fig.5 Comparison of radial water distribution under continuous and intermittent spraying conditions

2.3 噴灑均勻度

圖6為連續(xù)和間歇脈沖噴灑條件下,不同噴頭組合間距典型噴灑域內(nèi)水量分布的克里斯欽森均勻系數(shù)和分布均勻系數(shù)。從圖中可知,間歇脈沖噴灑條件下的噴灑水量分布均勻性略低(5.8%～14.1%)于連續(xù)噴灑條件,但水量分布均勻性程度仍處于可接受范圍之內(nèi),除噴灑啟動壓力0.2 MPa脈沖噴灑時間3 s下,在大組合噴灑間距時出現(xiàn)了較嚴重的漏噴外,其他噴灑啟動壓力和各組合間距下的Cu均在75%以上,最高可達83.3%,能夠滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[27]對于固定式噴灌系統(tǒng)噴灑均勻度不應低于75%的要求。間歇脈沖噴灑條件下水量分布均勻系數(shù)Du一般在70%以上,部分組合間距下出現(xiàn)局部漏噴,可以通過進一步調(diào)整組合間距和一次脈沖噴灑時長進行優(yōu)化。

圖6 連續(xù)和間歇各工況下相鄰噴頭組合間距噴灑均勻系數(shù)Cu和Du分布Fig.6 Distribution of uniform coefficients Cu and Du at combined spacing between adjacent sprinklers under continuous and intermittent conditions

2.4 水滴打擊強度

2.4.1噴灌水滴粒徑分布

連續(xù)噴灑條件下噴灑水滴體積加權(quán)平均粒徑隨與噴頭距離的增加呈指數(shù)型增加(圖7)。隨工作壓力升高,水滴粒徑呈減小趨勢,噴頭工作壓力0.2、0.3、0.4 MPa下各點體積加權(quán)平均粒徑的極值分別為5.49、3.60、3.23 mm。間歇噴灑條件下噴灑水滴體積加權(quán)平均粒徑與距噴頭距離的增加為波動提升,不再具有指數(shù)型增加的特征。間歇式噴灑條件下各點處的體積中值粒徑均大于連續(xù)噴灑條件,為后者的1.06～3.19倍,并且在靠近噴頭射程中部的區(qū)域,兩種噴灑模式下的水滴粒徑存在較大差異。

圖7 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向水滴粒徑分布對比Fig.7 Comparison of radial droplet size distribution under continuous and intermittent spraying conditions

為進一步明晰造成粒徑差異的原因,以工作壓力0.3 MPa距噴頭10 m位置處的噴灑水滴的粒徑組成為例進行分析。由圖5、 7可知,間歇和連續(xù)噴灑條件下,上述位置處的噴灌強度分別為0.92 mm/h和4.83 mm/h,體積中值粒徑分別為1.28 mm和3.3 mm。以間距0.4 mm對水滴粒徑組成進行分組,間歇和連續(xù)噴灑條件下,2 mm以下水滴數(shù)目占總水滴數(shù)目的比例分別為95.44%和99.70%(圖8a),間歇噴灑條件下存在更多大粒徑水滴,粒徑最大值超過6.4 mm,而連續(xù)噴灑條件下的水滴粒徑最大值不超過3.2 mm。由不同粒徑水滴的體積貢獻率可知,連續(xù)噴灑條件下2 mm以下水滴對體積貢獻率達到98.69%,與數(shù)目占比基本一致,但間歇脈沖噴灑條件下2 mm以下水滴的體積貢獻率僅為34.82%,近65%的水量是由數(shù)目占比為4.56%的大粒徑水滴所貢獻。

圖8 0.3 MPa間歇和連續(xù)噴灑條件下10 m位置處噴灑水滴粒徑與體積貢獻率Fig.8 Particle size and volume contribution rate of spray droplets at 10 m position under intermittent and continuous spraying conditions of 0.3 MPa

由此可知,各點位置處的水滴均由不同粒徑水滴組成,其中絕大多數(shù)為2 mm以下的小粒徑水滴。與連續(xù)噴灑相比,間歇脈沖噴灑條件下的大粒徑水滴數(shù)目增多,水滴粒徑范圍更廣,2 mm以上粒徑水滴對灌水體積的貢獻率達到65%左右,這也是造成間歇噴灑條件下體積加權(quán)平均粒徑顯著大于連續(xù)噴灑條件的直接原因。

2.4.2噴灌水滴速度和動能分布

圖9為連續(xù)與間歇噴灑條件下的水滴等效速度分布,連續(xù)噴灑條件下各點的等效速度隨與噴頭距離的增加呈指數(shù)型增加,與體積加權(quán)平均粒徑的變化規(guī)律相似,說明大粒徑的水滴具有更高的落地速度,這在朱興業(yè)等[28]研究中得到證實。由于間歇脈沖噴灑條件下噴灑水滴粒徑偏大,因而水滴等效速度也更高,為連續(xù)噴灑條件下等效速度的1.06～2.34倍。

圖9 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向水滴等效速度分布Fig.9 Equivalent velocity distribution of radial water droplets under continuous and intermittent spraying conditions

與天然降水水滴相比,噴灌水滴受射流狀態(tài)的影響,在水平與垂直方向均有分速度,導致水滴具有水平和垂直能量分量,并對地表產(chǎn)生水平剪切力和垂向壓力,這是造成噴灌條件下表層土壤團聚體破碎、濺蝕和土壤結(jié)皮的重要因素。圖10為不同工作壓力下間歇脈沖噴灑和連續(xù)噴灑下各測點噴灑水滴動能的水平和垂直能量占比,連續(xù)噴灑條件下水滴動能以垂直分量為主,不同工作壓力下各測點動能垂直分量占比分別為53%～95%、68%～96%和73%～96%;相同工作壓力下,間歇脈沖噴灑條件噴灌水滴動能的水平分量顯著提升,高于連續(xù)噴灑條件水平分量34.5%、18.6%和13.5%。

圖10 連續(xù)與間歇噴灑條件下噴灑水滴動能水平和垂直分量占比Fig.10 Proportion of horizontal and vertical components of kinetic energy of spray droplets under continuous and intermittent spraying conditions

為明晰造成上述動能分量差異的原因,以工作壓力0.3 MPa距噴頭10 m位置處噴灑水滴為例,對比相同粒徑水滴的落地角,如圖11所示。連續(xù)噴灑條件下,該處水滴的水平方向速度分量較小,水滴落地角集中在85°以上,粒徑0.5 mm和1.5 mm水滴平均落地角為85.59°和84.71°,僅有少量水滴具有小落地角,這部分水滴可能是由大水滴二次破碎形成[29]。相比之下,間歇噴灑條件下噴灑水滴的落地角呈明顯的周期性減小趨勢,粒徑0.5 mm和1.5 mm水滴的落地角分別為75.47°和75.25°,較連續(xù)噴灑下降10°左右。這是由噴頭水壓的周期性升高和降低,水流從測點位置上方周期性掃過所造成的,也是間歇噴灑條件下噴灑水滴動能具有較高水平分量的直接原因。

圖11 0.3 MPa間歇和連續(xù)噴灑條件下10 m位置處不同水滴粒徑落地角對比Fig.11 Comparison of drop particle size landing angle at 10 m position under intermittent and continuous 0.3 MPa spraying conditions

2.4.3噴灑水滴動能分布

受間歇式噴灑的噴頭動態(tài)工作壓力的影響,距噴頭相同位置處的水滴粒徑和速度均高于連續(xù)噴灑條件,因此間歇噴灑條件下噴灑水滴的單位體積動能也高于連續(xù)噴灑條件,工作壓力0.2、0.3、0.4 MPa下各測點單位體積動能較連續(xù)噴灑條件分別高63.8%、57.2%和37.9%。

此外,從圖12可知,間歇脈沖噴灑條件下的動能強度峰值內(nèi)縮,向靠近噴頭處偏移,這對于提升噴灌質(zhì)量具有促進作用。因為從動能強度計算公式可知,噴灑水滴動能強度同時取決于該點處的單位體積動能和噴灌強度。由圖13可知,單位體積動能隨著與噴頭距離的增加而升高,而連續(xù)噴灑條件下,在靠近噴頭射程末端位置處,往往具有相對高值的噴灌強度,兩者共同作用下將使靠近射程末端位置處產(chǎn)生動能強度峰值點。間歇式噴灌條件下,盡管單位體積動能也隨與噴頭距離的增大而增大,但由于噴灌強度峰值點明顯回縮,造成單位體積動能和噴灌強度峰值的錯峰效應,因而動能強度峰值也產(chǎn)生了內(nèi)縮,并在數(shù)值上表現(xiàn)出明顯的降低趨勢,動能強度峰值降幅50.6%～70.9%。

圖12 連續(xù)與間歇噴灑條件下動能強度對比Fig.12 Kinetic energy intensity comparison between continuous and intermittent spraying conditions

圖13 連續(xù)與間歇噴灑條件下徑向單位體積動能對比Fig.13 Comparison of radial kinetic energy per unit volume under continuous and intermittent spraying conditions

3 討論

本研究中,脈沖噴灑時長占噴灌總時長的23.2%～34.6%,噴頭流量較連續(xù)噴灑降低70.23%～82.77%,降低地表徑流和表層土壤侵蝕的風險。實際應用中,面對不同的氣象條件、土壤與作物類型和地面坡度等對噴灌強度的實際需求,可能需適度降低噴灌強度、保證系統(tǒng)運行效率。此時不宜將系統(tǒng)流量取值過低,避免出現(xiàn)噴灑時間過長、蒸發(fā)漂移損失量增加等問題[30]。此時可調(diào)節(jié)間歇時長和脈沖噴灑時長所占比例對噴灌強度進行靈活調(diào)整,具體可通過噴灑水量的“供給”和“需求”兩個角度達到調(diào)整目標:一方面可選擇適宜的水泵型號,水泵的壓力流量特性決定了向水氣罐內(nèi)注水的流量,進而影響脈沖式噴灑的間歇時長和噴灑時長占比;另一方面可以通過優(yōu)化管路設計,實現(xiàn)水氣罐容積、噴頭類型與噴頭數(shù)目間的優(yōu)化匹配(如一罐一噴頭、一罐多噴頭等組合方式),靈活調(diào)整系統(tǒng)噴灌強度。

研究結(jié)果表明,間歇式脈沖噴灑水力特性受噴頭動態(tài)工作壓力的顯著影響,這在靳彬彬[31]研究中也得到證明。本研究是在脈沖壓力0.2、0.3、0.4 MPa和脈沖噴灑時長3 s內(nèi)測得的,噴頭的動態(tài)壓力過程線和動態(tài)水壓特征參數(shù)較單一。葛茂生等[11]研究了動態(tài)水壓特征參數(shù)對水量分布特性的影響,可以此為切入點,通過對脈沖壓力和脈沖噴灑時長的多組合擇優(yōu),獲得間歇脈沖噴灌條件下更加理想的噴灑水力特性。

噴灌系統(tǒng)具有對田間小氣候獨有的調(diào)節(jié)效應,通過噴灑水滴的蒸發(fā)冷卻,有效抑制空氣環(huán)境溫度的升高,減小作物周圍環(huán)境的蒸氣壓差(VPD),降低作物的干旱脅迫[32]。被廣泛用于冬小麥[33]、蘋果[34]、草莓[35]等作物的田間小氣候調(diào)節(jié),并被證實可以有效提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[36-37],同時有助于提升噴灌水分利用效率,如研究發(fā)現(xiàn)噴灌對田間蒸氣壓差的調(diào)節(jié)效應可使中國華北平原玉米灌溉用水效率提升5%[38]。采用間歇式噴灌,在滿足灌水需求的同時,可顯著延長噴灌時間,這意味著對田間蒸氣壓差的持續(xù)性影響和對田間小氣候調(diào)節(jié)效應的增強,可進一步調(diào)節(jié)獲得適宜作物生長的土壤和空氣溫濕度,有望以盡可能低的噴灌強度對“空氣-土壤-作物”連續(xù)體形成連續(xù)性和方向性影響,在提高灌溉水利用率的同時保障作物優(yōu)質(zhì)高效生長。

4 結(jié)論

(1)提出采用壓縮空氣對能量進行存儲與釋放調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)噴頭動態(tài)水壓下間歇脈沖噴灑的工作思路,并開發(fā)出實物噴灌裝置,實現(xiàn)了動態(tài)水壓和間歇脈沖噴灑同步運行模式。

(2)動態(tài)水壓間歇脈沖噴灑模式下,噴頭工作壓力呈“急速上升—波動下降—急速下降”三階段變化趨勢,噴頭流量較恒壓連續(xù)噴灑降低 70.23%～82.77%;徑向噴灌強度呈雙峰型分布,峰值噴灌強度為連續(xù)噴灑條件的12.7%～33%。動態(tài)水壓間歇脈沖噴灑模式下噴灑水量分布均勻性略低于連續(xù)噴灑,但處于可接受范圍之內(nèi),且可通過組合間距和脈沖噴灑時長等參數(shù)優(yōu)化進一步提升噴灑均勻度。

(3)動態(tài)水壓間歇脈沖噴灑模式下噴灌水的單位體積動能呈增大趨勢,但由于噴灌強度大幅降低,水滴對表層土壤的打擊強度顯著降低,動能強度峰值降幅為50.6%～70.9%,從而有效降低了噴灌水滴的沖擊作用對土壤入滲的影響。