微喷带灌溉技术研究进展

李道西, 张圣山, 刘欢, 卢争光, 侯皓森

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.湖州中交投资发展有限公司,浙江 湖州 313009)

灌溉在粮食生产中具有极为关键的作用,节水灌溉是实现农业水资源高效利用、保证粮食安全的重要举措[1]。高效节水灌溉技术可提高水分利用率、缓解农业水资源紧缺现状,从而保障农业的可持续发展[2]。微喷带灌溉是近年来兴起的一种新型高效的节水灌溉技术。灌溉时,管内水流在压力的作用下持续从微喷带上均匀分布的喷水孔中喷洒出来。受空气阻力和重力的影响,水流经破碎、雾化后降落到植物和地面上。这种灌溉模式能有效控制土壤含水量、减少棵间蒸发和渗漏损失,且灌溉水的雾化作用能改善田间小气候,为作物生长提供适宜的环境。与其他灌溉方式相比,微喷带灌溉的工作压力低、灌水效率高、使用方便,且可以进行水肥一体化灌溉,提高水肥利用率[3]。此外,微喷带在山丘地区也能布置,这为地形条件复杂地区的作物灌溉提供了技术支持[4];微喷带上的喷水孔即使在低压状态下也不易被堵塞,因此其对灌溉水水质要求低,不需要安装精密的过滤设备[5]。

微喷带灌溉技术于20世纪80年代被引入我国,90年代逐步被推广应用,目前正处于快速发展阶段[6-7]。在设计生产方面,微喷带的结构设计越来越完善、材料性能逐步提升、制造设备更加先进。在水力特性研究方面,已开展沿程水力损失计算公式中的参数确定及影响因素分析、单孔流量计算公式中的参数确定、压力和流量关系式确定等方面的研究。在喷洒均匀度方面,已开展喷洒均匀度影响因素分析、喷洒均匀度计算、喷洒均匀度提升方法等内容的研究。在田间应用方面,研究人员已开展不同作物、不同地形、水肥一体化等内容的研究。这对深入了解微喷带灌溉技术具有重要作用。

目前,国内外关于微喷带的研究较多,而微喷带灌溉技术的发展进程、水力特性、节水效应等方面的系统论述尚不多见。本文从制造现状、水力特性、喷洒均匀度、组合设计以及应用5个方面对微喷带相关理论进行归纳总结,并对微喷带灌溉未来的发展趋势进行展望,以期为进一步探索微喷带灌溉特点、促进微喷带灌溉技术的发展和提高我国农田灌溉水利用系数提供参考。

1 微喷带制造

随着生产技术的进步,微喷带的生产材料由硬质管件逐渐转变为聚乙烯软管;此外,打孔技术也由机械打孔逐步升级为激光打孔[8]。机械打孔是利用冲针上下有规律的运动来实现微喷带的间歇打孔,具有操作简单、生产成本低的特点[9];激光打孔是利用激光的高空空间相干和高功率密度的特性将能量作用于微喷带上,使微喷带达到一定的温度,然后经过高温熔化、汽化或分解,形成特定的喷水孔。与机械打孔生产的喷水孔相比,这些喷水孔的表面光滑度、孔数和直径均可以得到保障[10-11],但采用激光打孔时操作步骤相对繁琐[12-13]。此外,即便采用相同的打孔方式,不同设备制造的微喷带可能仍存在喷水孔的差异[14]。

2 微喷带水力特性研究

2.1 微喷带水力特性试验

2.1.1 微喷带沿程水力损失

微喷带是一种沿程泄流管道,受微喷带内壁摩擦力、水流内摩擦力以及喷水孔出流时水力损失的影响,微喷带沿管长方向的压力逐渐减小。微喷带沿程水力损失的计算公式是在聚乙烯管道水力损失基本公式的基础上重新确定相关参数,以使其更符合微喷带沿程水力损失的计算要求。

《微灌工程技术标准》[15]中给出的聚乙烯管的沿程水力损失计算基本公式为:

(1)

式中:hw为沿程水力损失,m;Q为管道流量,m3/s;D为管径,mm;L为管道长度,m;f为摩阻系数;m为流量指数;b为管径系数。

为简化计算过程,王金如[16]提出了多口系数和摩阻系数计算方法,改变了先前水力损失计算中需要查表确定相关参数的传统做法。吴政文等[17]通过对管径d=20～40 mm的微喷带在50～90 kPa的工作压力下进行沿管长方向水力损失的研究,计算出了微喷带水力损失计算中的流量指数与管径系数,得到微喷带沿管长方向的水力损失经验公式,具体为:

(2)

苟万里等[18]对管径为27～40 mm、工作压力为10～80 kPa、管长为20～100 m的微喷带进行了试验研究,提出了微喷带摩阻系数,并对微喷带水力损失公式进行了修正,得到了微喷带沿程水力损失计算公式,具体为:

(3)

通过以上公式能计算出微喷带首端和末端的压力差,但无法呈现压力沿管长方向的变化规律。郑迎春等[19]根据微喷带沿管长方向水力特性的逐渐变化对水流流态产生的影响进行了研究。根据雷诺数的变化,进一步将微喷带内的水流分为紊流、渐变流和层流3种状态,并据此确定了不同流态下的水力损失参数。通过分别计算微喷带不同工况下的水力损失,深入揭示了微喷带内水力损失计算的复杂特性。

2.1.2 喷水孔单孔流量计算

目前,计算微喷带喷水孔单孔流量的方法有两种。第一种是基于理论公式计算,理论公式中断面收缩系数ε、流速系数ψ是影响孔口出流的主要参数。具体计算公式如下[20]:

(4)

μ=ψε。

(5)

式中:q为喷水孔出流流量,m3/s;μ为流量系数;A为喷水孔面积,mm2;g为重力加速度,m/s2;h为喷水孔所在位置处的压力(以mmH2O计),m;ψ为流速系数;ε为断面收缩系数。

对于一般灌水器孔口出流的计算而言,收缩断面位于出流设备的一半壁厚处,当灌水器设备壁厚较小时,壁厚对惯性力的影响不大,可认为其收缩断面位于微喷带孔口处,即断面收缩系数ε为1.0[20]。流速系数ψ(式(6))利用能量守恒定律(式(7))进行计算。

(6)

(7)

式中:m为单位时间孔口出流质量,kg/s;v理论为孔口出流的理论流速,m/s;v实际为孔口出流的实际流速,m/s。

费顺华等[21]在10 kPa的工作压力下基于理论公式(4)分析微喷带上不同位置处的喷水孔的单孔流量,得出了沿管长方向每段微喷带的单孔流量计算公式,公式为:

(8)

式中:qi为第i段的单孔流量,L/h;hi为第i段的段尾压力,kPa。

在得出每段微喷带的单孔流量后,可以计算从微喷带的尾端到第i段微喷带的累计喷洒流量,其计算公式为:

Qi=Qi-1+nqi。

(9)

式中:Qi为微喷带的尾端到第i段微喷带的累计喷洒流量,L/h;Qi-1为第i-1段微喷带的累计喷洒流量,L/h;n为段内孔数。

基于公式(8)计算单孔流量,然后计算泄流的水力损失,得出每段泄流后的压力hi+1。

(10)

式中:α为摩阻系数的温度修正系数;l为微喷带的分段长度,m;0.606为局部水力损失的摩阻系数。利用公式(8)—(10)可推算出每个喷孔的流量和压力。

第二种为常用的固定型孔口灌水器的经验公式(式(11))。该经验公式中,流量系数是衡量灌水器管道内过水能力大小的一个指标,该值越大表明管道过水能力越大,流量越大。流态指数反映了单孔流量对工作压力变化的敏感程度,流态指数越小,单孔流量受压力变化的影响程度越小,敏感性就越低,灌水也就相对均匀;反之,流态指数越大,单孔流量受压力变化的影响幅度越大,敏感性就越高[22]。

q=Chx。

(11)

式中:C为孔口出流系数;x为流态指数。

对于不同结构的微喷带,其相关系数的参数值是不同的,需要根据实测的微喷带进行模拟,确定相关参数的具体值[20,22]。

2.2 微喷带水力特性模拟

目前,计算机数值模拟技术被广泛应用于灌水设备的水力特性计算当中。利用Fluent软件进行滴灌和喷灌灌水器水力损失的计算,能够实现较高的准确性[23-24]。这是因为,利用软件模拟具有避免外界因素干扰、操作方便、精确度高等优点。在灌溉设备水力性能变化的模拟中,需将构建的结构模型导入Fluent软件中,然后输入相应控制变量,就能模拟不同条件下水力性能变化,模拟的压力和流量变化情况可以直观地观察[25]。田济杨等[26]利用Fluent软件模拟了滴灌双向流道灌水器的水力特性,当模型网格划分精度为0.2 mm时,分别采用k-ε模型与标准k-ω模型模拟,发现Fluent软件的模拟结果和实测结果的相关系数达0.998。任培琦[24]利用Fluent软件对喷灌双向流稳流器进行数值模拟,采用k-ε模型,当模型网格划分精度为0.4 mm时,试验结果与模拟结果的误差均在3%以下。然而,应用计算机软件模拟微喷带水力特性的研究尚不多见。

3 微喷带喷洒均匀度研究

3.1 喷洒均匀度的计算

研究微喷带的喷洒均匀度时,通常在垂直微喷带的方向上均匀地布置多行雨量筒来收集喷洒出的水滴。微喷带喷洒均匀度的计算采用喷灌均匀度的计算方法,具体计算公式如下[27]:

(12)

为全面地评价喷洒均匀度,HART W E等[28]首次将有效喷洒区域内的喷洒水量按照大小分成4个部分,将喷洒水量最低值与所测点喷洒水的比值定义分布均匀性系数,其计算公式为:

(13)

式中:DUlq为1/4水量低值分布均匀系数,%;nlq为由大到小排列的n/4低值雨量的个数;hlqi为第i个由大到小排列的n/4低值水量,mm;hi为第i个雨量筒的水量,mm。

为强调水量较大的那部分,避免局部水量过多,BEALE J G[29]提出1/4高值区分布均匀系数,用DUhq表示,其计算原理与公式(13)相同。

3.2 喷洒均匀度的影响因素

喷洒均匀度指喷洒面积上水量分布的均匀程度,是衡量喷洒质量的重要指标。影响微喷带喷洒均匀度的因素可分为内因和外因。

3.2.1 影响喷洒均匀度的内因

影响喷洒均匀度的内因主要为微喷带自身的结构特性,包括微喷带直径、布孔方式、布置长度以及喷水孔数目等。喷洒均匀度研究试验中,一般采用几种不同结构的微喷带进行试验,分析其喷洒均匀度的变化规律。徐茹等[30]研究发现,不同直径的微喷带通过喷水孔的喷洒流量影响喷洒均匀度,在工作压力大于25 kPa时,管径较大的微喷带的喷洒均匀度较大,且压力变化时喷洒均匀度的变化幅度较小。窦超银等[31]研究了喷水孔为单峰排列、单斜线排列和齿形排列的微喷带喷洒均匀度,发现齿形排列的喷水孔的喷洒均匀度最大,对应的变化范围为62%～64%。王琪等[32]研究发现,影响微喷带喷洒均匀度的主次因素依次为微喷带布置长度、喷水孔直径、孔组间距,但当试验中微喷带的孔组间距设置为1 m时,试验结果可能存在较大误差。张学军等[33]研究发现,微喷带的喷洒均匀度与每组孔数呈正向关系,当工作压力的变化范围为10～50 kPa、每组喷水孔为5个时,喷洒均匀度的变化范围为34.4%～55.8%;当每组喷水孔为12个时,喷洒均匀度的变化范围为65.6%～78.3%。SOLOMON K H等[34]研究发现,多流量、多轨迹旋转式的微喷头较固定式的微喷头能提高26%的喷洒均匀度。PLAYN E等[35]研究发现,增大微喷头的喷射角会增加喷洒水的集中度,进而减小喷洒均匀度。DUKES M D等[36]研究发现,改变移动式喷灌设备不同喷头的工作时间能使喷洒均匀度达到93%,且喷洒水低值区的喷洒均匀度也达到了90%。

3.2.2 影响喷洒均匀度的外因

影响微喷带喷洒均匀度的外因主要是工作压力、自然风速、地形、作物生育期等。这是因为微喷带的铺设长度和水流喷洒的角度受地形坡度的影响,地形能改变微喷带的极限铺设长度与水流的喷射角;不同生长周期作物结构的不同会对喷洒水产生遮挡;自然风使水流的运动轨迹发生变化,这会造成喷洒水量偏差。

王一博等[37]研究发现,在低水力条件下,折径为45 mm的斜5孔微喷带,当工作压力小于30 kPa时,铺设长度最长为20 m;而当工作压力为30～50 kPa时,铺设长度最长为40 m才能满足喷洒均匀度条件。徐茹[22]研究发现,当微喷带铺设长度较小时,微喷带沿管长方向的喷洒均匀差异不明显,整体喷洒均匀度较高。王文娟等[38-39]在研究直径为28 mm、孔距为20 mm、孔组间距为227 mm的斜5孔微喷带时发现,当工作压力的变化范围为20～28 kPa时,喷洒均匀度随工作压力的增加呈逐渐增大的趋势;当工作压力的变化范围为28～32 kPa时,喷洒均匀度随工作压力的增加逐渐下降,并认为这可能是随压力的增大喷水孔的直径有所改变,从而改变了喷洒均匀度;当微喷带的喷射角增大时,微喷带的灌水强度也会随着工作压力的增大而降低。ZHANG Y S等[40]研究发现,移动式喷灌系统中的喷洒均匀度随工作压力的增大而增大。张芳等[41]研究发现,受自然风影响,水流原始的运动轨迹会发生改变,进而影响喷洒均匀度,当风速大于3.0 m/s时,喷洒均匀度为20%～60%,此时不宜进行灌溉。MATEOS L[42]研究发现,工作压力决定了喷水孔的喷洒流量,而自然风改变了喷洒水原本喷洒均匀度,当风速超过1.8 m/s时,风速为影响喷洒均匀度的重要因素,并且粗糙的地形能明显降低喷水器的喷洒均匀度。

4 微喷带组合喷洒均匀度研究

实际生产中,为进一步提高喷洒均匀度,常采用多条微喷带组合使用的方式进行灌溉。当组合使用多根微喷带时会出现喷洒区域重叠的情况。因此,需要重新确定组合微喷带的喷洒均匀度。王金毅等[43]通过试验测定不同类型微喷带的组合喷洒均匀度得出,当微喷带直径固定为44 mm、微喷带间距为1.6R(R为微喷带射程)时的喷洒均匀度最大,为60.48 %;当间距为1.8R～1.9R时,虽然喷洒水的强度较小,但是喷洒均匀度较高。邸志刚[44]与王一博[45]均利用单根微喷带的试验数据,进行组合微喷带喷洒均匀度试验模拟:邸志刚在不同约束条件下,建立了组合微喷带喷洒均匀度与铺设间距、投资成本的函数关系,以此来计算组合微喷带的最优铺设间距;王一博利用直接叠加法研究两根微喷带在不同组合间距下的喷洒水的分布情况,并计算喷洒均匀度,结果表明,20 m长的斜5孔微喷带在10 kPa的工作压力下,组合喷洒均匀度随组合间距的增大而减小,而在20 kPa与30 kPa的工作压力下,喷洒均匀度随组合间距的增大而增大。

5 微喷带田间灌溉应用研究

微喷带被广泛应用于棉花、小麦、玉米和果树等作物的灌溉中,达到了节水、增产、省工的效果。郭璇等[46]研究发现,小麦与棉花套作时采用微喷带灌溉能大幅增加棉花和小麦的净收入。马利利等[47]研究发现,微喷带灌溉能降低作物生育期内土壤温度的变幅。孙梦瑶等[48]研究发现,与传统灌溉相比,微喷带灌溉能减少油菜地的水分蒸发量,增加经济产量。吴祥运等[49]确定了利用微喷带对夏玉米进行补水灌溉时土壤适合的湿润层深度与目标含水量。马海洋等[50]研究发现,微喷带水肥一体化灌溉能大幅度提高菠萝产量和肥料贡献率。石文鹏等[51]利用微喷带施药,达到在灌水的同时除草的效果。MAN J G等[52]研究了微喷带长度对冬小麦光合速率、叶绿素含量和产量的影响,得出适宜长度的微喷带可以提升喷洒均匀度、提高小麦产量的结论。许骥坤等[53]研究了微喷带长度和宽度对冬小麦旗叶荧光特性的影响,结果表明,在高效节水的前提下,当微喷带的组合宽度小时,适度减小管长可以提高灌溉均匀度、冬小麦荧光速率和干物质积累量。窦超银等[54]通过分析移动式、半移动式和固定式微喷带的可控性、布置成本和管理的方便程度等发现,移动式微喷带适合小面积灌溉,半固定式微喷带适合中等面积灌溉,固定式微喷带适合大面积灌溉,为微喷带田间灌溉方式的选择提供了参考。

6 展望

综上所述,微喷带灌溉研究虽取得了一定的进展,但微喷带灌溉技术还有待从以下4个方面开展进一步的研究。

6.1 基于计算机软件模拟的微喷带灌溉水力特性研究

目前,微喷带水力特性的研究多以试验为基础。然而,在实际应用中,试验中所用的微喷带与实际使用的微喷带相比,结构类型与工作压力设置有限,无法全面为微喷带灌溉技术的发展提供依据。因此,需要深入研究微喷带的水力特性。通过对微喷带进行建模,利用计算机软件进行水力特性模拟可以有效避免生产过程中环境因素对试验的干扰,精准控制试验变量,为微喷带水力特性的精确研究提供途径。此外,构建准确的水力特性计算公式可为微喷带结构设计提供理论依据。

6.2 微喷带相关设计规范与喷洒均匀度研究

微喷带的结构是决定其喷洒均匀度的重要因素。然而,关于微喷带的结构设计尚未有明确的标准和规范。即使在结构相同的微喷带中,由于生产技术的差异,相同工作条件下其喷洒均匀度也可能不同。因此,在微喷带的设计和生产过程中,首先需要统一微喷带的设计规范,其次要更新生产材料和设备,以提高微喷带的质量。此外,喷洒均匀度是衡量微喷带性能的重要指标。然而,目前尚未建立适用于微喷带喷洒均匀度的计算公式。

6.3 微喷带灌溉条件下作物灌溉制度研究

微喷带应用于田间灌溉时受作物生长、地形等因素的影响,导致喷洒均匀度实际值与试验值存在差异。在田间灌溉时微喷带的喷洒均匀度需要根据作物种类、作物生育期、田块面积、地形等因素重新确定,而灌溉制度受气候、水文地形以及作物种类的影响。因此,进行不同地区、不同作物生育期的灌溉制度研究有助于促进微喷带灌溉技术在多地区、多作物上的快速发展。

6.4 微喷带水肥一体化与智能灌溉技术研究

水肥一体化灌溉是把肥料溶于灌溉水中,这不仅达到了灌溉的目的,还有利于作物吸收肥料、节省劳动力。微喷带灌溉适用于水肥一体化灌溉,而肥料的分布均匀性与喷洒均匀度之间的关系尚不明确,微喷带灌溉条件水肥一体化的均匀性还需深入研究。随着互联网技术的发展,将微喷带灌溉技术同物联网智能控制系统相结合能实现微喷带灌溉的自动化控制,保障灌水的及时性和准确性,促进水资源高效利用。