小麦不同生育期微喷带水量分布均匀性

徐茹，王文娥，胡笑涛

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

微喷带作为一种新型节水灌溉材料，主要通过在塑料软管上直接加工循环排列的圆孔进行喷水灌溉[3].微喷带属于沿程泄流管道，沿微喷带方向的压力与流量随管道长度增大而降低，所以随着铺设长度的变化沿微喷带方向的水量分布均匀性也会发生变化.满建国等[4-5]对不同带长、喷射角微喷带灌溉对土壤水分分布进行试验探究，发现沿程压力损失增大导致的微喷带中后段喷孔流量降低是长微喷带喷水均匀度降低的原因.白珊珊等[6]探究了在冬小麦茎叶遮挡时微喷带组合灌溉的喷洒均匀性，发现在冬小麦茎叶遮挡时2条微喷带喷洒重叠部分的水量分布均匀性较好.张学军等[7]通过试验分析了微喷带的水量分布均匀系数、喷洒宽度与工作压力相关性.张硕等[8]试验了不同工作压力时微喷带水量分布的变化，压力与水量分布均匀系数关系曲线表明在工作压力的不断增大的过程中，存在水量分布最优的工作压力值.张录达等[9]通过数据拟合方法确定微喷带单孔喷灌水量空间分布规律是存在单峰和双峰的非线性数学模型.王琪等[10]试验探究了微喷带的铺设长度、孔口间距及孔口直径对灌水均匀度影响的不同程度.目前，对于微喷带水力性能及水量分布特征的研究多集中在无作物条件下，对于田间实际使用微喷带进行灌溉时工作压力与铺设长度对水量分布的影响探究较少.因此，文中通过对不同工作压力、不同生育期春小麦在2种铺设长度的微喷带下的水量分布试验，分析水量分布均匀系数的变化规律，对田间铺设长度与工作压力对微喷带喷洒均匀度的影响进行分析，为提高田间微喷带灌溉提供参考建议.

1 试验材料与方法

田间灌溉试验在甘肃武威中国农业大学石羊河试验站进行，试验时为无风或微风(0～1.01 m/s)状态，试验装置包括水力驱动式比例施肥泵、过滤器、闸阀、精密压力表(量程200 kPa，精度0.25级)、量筒等.试验地长40 m，宽20 m，分为3个小区(其中2个长20 m宽10 m，1个长40 m宽10 m)小麦为播种机种植，行距为15 cm，试验微喷带为斜五孔Ф32微喷带(陕西省启丰现代农业工程有限公司).图1为微喷带结构示意图，参数如表1所示，其中l为孔水平距离，L为孔组间距，α为孔组倾斜度，d为孔径，s为壁厚，Hmax为最大压力.

图1 微喷带结构及喷洒轨迹示意图

表1 微喷带结构参数表

田间微喷带铺设长度为20, 40 m，微喷带间距为5 m，设置4种管首压力，在春小麦3个重要需要补水的生育期(苗期、拔节期及抽穗期，小麦生长高度分别为20,40,70 cm)进行水量分布均匀性试验.试验在微喷带首、中、尾3个位置设置取样点.

微喷带水平铺设，无弯曲，每条带子首部设置压力表.沿程压力测试5种工作压力Hs(20,28,35,43,52 kPa).微喷带所有出水孔均正常出水，试验开始前在量筒位置点(微喷带的首部、中部与尾部)垂直于微喷带摆放3列量筒，每列8个(量筒口径11 cm，高度为14.5 cm).量筒间隔约25 cm，喷水之前用塑料布进行遮挡.通过调整闸阀开度改变微喷带首部工作压力，当工作压力为20 kPa时，微喷带后1/4段压力值较低，喷幅小于2.5 m，难以满足作物灌溉的需求，故水量分布试验设置4种压力值(28,35,43,52 kPa)，每次试验时待压力表稳定3 min后将遮挡的塑料布移开进行水量的收集.微喷带稳定喷水15 min后将压力泵关闭，按照量筒的编号使用电子台秤(量程3 000 g，精度0.01 g)依次测量记录不同位置点量筒内的水量.试验布置见图2.

图2 试验布置示意图

2 结果与分析

微喷带是通过一系列小孔[11]将压力水流喷洒到空中，通过碰撞而产生大量水滴在重力作用下洒落在地面湿润一定的面积，是局部灌溉.目前评价微喷带灌溉质量的指标主要是水量分布均匀系数和灌水强度.在无作物遮挡的情况下，微喷带的水量分布均匀系数会受到工作压力、铺设长度及间距、孔口间距、直径及孔组间距等影响.在微喷带类型及铺设条件等确定时，结构参数之外的影响因素中工作压力十分重要.水量分布均匀系数计算公式为

(1)

式中：n为有效喷洒区域内雨量筒的个数；h为灌水强度，mm/h；q为收集水量.

2.1 不同铺设长度时微喷带水量分布

由试验获得的微喷带在不同首部工作压力Hs时不同位置点的工作压力值，绘制了2种铺设长度下微喷带沿程压力变化曲线，如图3所示，其中D为铺设长度，H为沿程压力，可以看出微喷带沿程压力均出现递减规律.

图3 不同铺设长度下微喷带沿程压力变化曲线

计算2种铺设长度下首部工作压力不变时管道沿程相对压降ΔH/H值：压力值是52 kPa时，长度为20, 40 m的相对压降分别是0.280, 0.385；而压力值为43 kPa时，长度为20, 40 m的相对压降分别是0.350, 0.360，可以发现40 m时沿程压力值下降幅度相对于20 m时较大，沿程压力的曲线斜率更陡.影响沿微喷带方向的水量分布均匀性主要为喷射点的工作压力，喷射点的工作压力是首部工作压力除去沿程压力的损失值，而沿程压力损失主要会受到微喷带的铺设长度的影响.

试验测试了2种铺设长度下不同工作压力时微喷带首部、中部以及尾部的水量分布情况.根据试验所得数据绘制了小麦高度40 cm在工作压力52 kPa下2种不同铺设长度的垂直于微喷带不同位置点的水量变化曲线(见图4)，及小麦高度40 cm根据式(1)进行计算的水量分布均匀系数变化曲线(见图5).

3#危岩体(W3)分布于2#危岩体上部，危岩体高7～12 m，宽40.0～52.5 m，厚5～6 m，体积约3 645.0 m3，危岩体前缘陡直临空，局部呈凹腔状，主要受两组裂隙和层面切割。切割成的单体危岩呈块体状，其东、西、南三侧为垂直临空面，岩体表面横竖向构造节理裂隙发育，主要受三组裂隙和层面切割，节理密度为5～10条/10米，节理切割深度2.5～4.0 m。切割成的单体危岩呈块体状，其东、西、南三侧为垂直临空面，上部为风化碎块石，下部为片麻岩；节理裂隙多松弛张开、外倾，局部已贯通。危岩体顶部堆积有风化碎块石。

图4 不同铺设长度垂直位置点水量变化

图5 不同铺设长度水量分布均匀系数变化

由图4可以看出，垂直于微喷带方向水量由近及远不断减少，这与无作物遮挡时垂直于微喷带方向的水量变化有区别，作物的遮挡作用使得靠近微喷带位置水量聚集，而远离微喷带的位置点水量不断减少.微喷带铺设长度20 m的水量在首部、中部位置点基本高于40 m时，在尾部位置点情况出现变化，这种现象可能是因为水流忽然遇到微喷带末尾的堵塞而压力回升导致的.根据图5可以得出，微喷带水量分布均匀系数随工作压力均先增大后减小，存在最佳运行工作压力，最大值出现在43 kPa.同时也可以看出，微喷带铺设长度为20 m时水量分布均匀系数基本大于铺设长度为40 m的情况，但是20 m铺设长度时水量分布均匀系数随工作压力的变化幅度要比40 m的情况大.出现这种现象的原因是，微喷带的工作压力与出流量随长度的不断增加在不断降低，而最佳工作压力并不是最大工作压力，虽然铺设长度为40 m时沿程压力下降的幅度较大，但首、中、尾3个关键位置点的工作压力值使得水量分布均匀系数变化相对平缓.

对水量分布及均匀系数的影响，铺设长度是由于沿程泄流过程中沿程损失造成的出流位置点的工作压力及出流量的变化.而工作压力对于微喷带水量分布均匀性的影响并不是简单的正相关，存在着最佳工作压力范围(本试验微喷带的最佳工作压力范围在40～45 kPa)，因此，微喷带的铺设长度也并不是简单的越长或者越短就是最佳运行参数.

2.2 不同高度春小麦对水量分布影响

春小麦重要生育期需要进行补水灌溉，主要是在苗期、拔节期(春小麦第三节刚开始伸长时)、抽穗期3个不同的生育期.这3个生育期小麦的生长高度大约是20，40，70 cm，而不同生育期作物的高度、叶面积的不同会对微喷带水量分布均匀性产生不同的影响.试验对不同生育期春小麦使用微喷带进行喷灌时在改变工作压力的条件下不同位置点水量分布进行探究，分析不同高度春小麦对微喷带灌溉均匀性的影响.

在此试验的设置条件下工作压力43 kPa时水量分布最佳，图6为3种不同小麦高度下垂直于微喷带方向水量变化情况.由图可知，垂直于微喷带方向水量由近及远不断降低，而且在小麦高度不同时对水量的变化幅度也不相同，小麦高度为20 cm时水量变化的幅度很小，而小麦高度为40 cm时，靠近微喷带的位置点与远离微喷带位置点的水量相差很大，由于小麦的遮挡使得微喷带喷射出的水流大部分顺着靠近微喷带的小麦茎秆流下，所以在小麦高度为40 cm时靠近微喷带的小麦处水量聚集，远离微喷带的小麦得到的水分较少，造成水量的不均匀分布.而当小麦高度达到70 cm时，一些喷射角度较小的水流可以通过小麦之间的间隙喷射到远离微喷带的位置点，这就导致两者之间的水量差值较40 cm时减小.

图6 不同高度小麦垂直位置点水量变化

图7为铺设长度20 m时根据水量分布情况绘制的不同小麦高度下水量分布均匀系数Cu的变化曲线.从中可以看出，在小麦高度为20 cm时沿微喷带方向的水量分布均匀系数先增大再减小，高度为40 cm与70 cm时均是不断减小.小麦高度为20 cm时，对微喷带水量分布影响不明显，这时的小麦高度还没有到达微喷带组合灌溉喷射水流的最低高度，不会对喷射水流进行遮挡.当小麦到达拔节期补水灌溉时，高度达到40 cm，此时正好与微喷带喷射水流的大部分高度相当，会对大部分水流进行遮挡，导致沿微喷带方向的水量分布均匀系数变化很大.到生育期后期70 cm时，小麦高度超过一部分微喷带喷射水流的初始高度，使得一些水流可以通过小麦之间的间隙传递到远离微喷带的位置点.

图7 不同小麦高度水量均匀系数变化

2.3 微喷带灌溉对作物生长高度影响

根据试验结果绘制出2种铺设长度下垂直于微喷带方向不同位置点(由近及远)的小麦高度hm，如图8所示.从图中可以看出，靠近微喷带位置的小麦生长高度要大于远离位置点，而铺设长度为20 m的变化幅度要比40 m时的平缓.微喷带的铺设长度为20 m时，水量分布均匀性相对较高即大田小麦在垂直于微喷带方向得到的水量相对均匀，所以小麦的最终生长高度变化曲线也较为平缓；当微喷带铺设长度为40 m时，整体水量分布均匀性要比铺设长度为20 m时低，这就会导致小麦生长高度在垂直于微喷带方向变化较大，靠近微喷带位置点的小麦生长高度与远离位置点的相差较大.

图8 2种铺设长度下垂直于微喷带方向不同位置点小麦高度变化

图9绘制了铺设长度为40 m,不同铺设方式时垂直于微喷带方向的不同位置点春小麦生长高度的变化曲线.从图中可以得出，在微喷带搭接位置点的小麦生长高度变化趋势相对平缓，小麦生长高度变化不大，而单侧微喷带灌溉的小麦生长高度差较大，生长不均匀性很明显.当微喷带进行搭接灌溉时，喷射的水流会在空间出现相互交错，2条微喷带的补充灌溉使得地面湿润面积增大，相对于单条微喷带灌溉水量分布均匀性得到提高.

图9 2种铺设方式下垂直于微喷带方向不同位置点小麦高度变化

3 结 论

通过对不同高度的小麦对微喷带灌溉的遮挡情况进行试验探究，为微喷带的生产、设计提供理论建议，减少在田间灌溉中因水量分布不均匀而产生不必要的水分浪费，建议使用多条微喷带组合灌溉、合理设置工作压力，及铺设适宜长度的微喷带以改善水量分布的不均匀性.

通过对微喷带在春小麦3个重要生育期组合灌溉的水量分布均匀性进行试验，得到以下结论：

1)通过对20，40 m这2种铺设长度下微喷带水量分布探究，得出铺设长度对微喷带水量分布的影响主要是与位置点的压力流量关系有关，沿程压力损失是造成微喷带首尾不均匀的主要原因，铺设长度为20 m时水量分布均匀性较高，在铺设长度低于40 m时建议首部工作压力为40～45 kPa.

2)对3种不同小麦高度下微喷带组合灌溉的均匀性进行分析，可以发现高度为40 cm时微喷带首、中、尾变化幅度很大，高度为20 cm和70 cm时变化相对不明显，这是由于微喷带喷射角度与工作压力的关系造成的.

3)通过春小麦生长高度的规律曲线可以看出，水量分布的不均匀会造成作物生长的不均匀，建议铺设长度不应超过40 m并可通过多条微喷带组合灌溉降低这种不均匀现象.

在沿微喷带方向上水量分布不均匀是沿程压力与泄流量造成的，可以通过探究首尾压差的关系设置工作压力提高水量分布的均匀性；在垂直方向水量分布会受到作物生长高度及叶面积指数的影响，可以通过设计选择相对合适的喷孔布置方式，使得在运行中喷射角度与作物的高度相适应，减少作物遮挡对水流的拦截，可以适当提高微喷带的水量分布均匀性，最终达到节水高效的使用效果.