微噴帶灌溉技術研究進展

李道西, 張圣山, 劉歡, 盧爭光, 侯皓森

(1.華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450046; 2.湖州中交投資發展有限公司,浙江 湖州 313009)

灌溉在糧食生產中具有極為關鍵的作用,節水灌溉是實現農業水資源高效利用、保證糧食安全的重要舉措[1]。高效節水灌溉技術可提高水分利用率、緩解農業水資源緊缺現狀,從而保障農業的可持續發展[2]。微噴帶灌溉是近年來興起的一種新型高效的節水灌溉技術。灌溉時,管內水流在壓力的作用下持續從微噴帶上均勻分布的噴水孔中噴灑出來。受空氣阻力和重力的影響,水流經破碎、霧化后降落到植物和地面上。這種灌溉模式能有效控制土壤含水量、減少棵間蒸發和滲漏損失,且灌溉水的霧化作用能改善田間小氣候,為作物生長提供適宜的環境。與其他灌溉方式相比,微噴帶灌溉的工作壓力低、灌水效率高、使用方便,且可以進行水肥一體化灌溉,提高水肥利用率[3]。此外,微噴帶在山丘地區也能布置,這為地形條件復雜地區的作物灌溉提供了技術支持[4];微噴帶上的噴水孔即使在低壓狀態下也不易被堵塞,因此其對灌溉水水質要求低,不需要安裝精密的過濾設備[5]。

微噴帶灌溉技術于20世紀80年代被引入我國,90年代逐步被推廣應用,目前正處于快速發展階段[6-7]。在設計生產方面,微噴帶的結構設計越來越完善、材料性能逐步提升、制造設備更加先進。在水力特性研究方面,已開展沿程水力損失計算公式中的參數確定及影響因素分析、單孔流量計算公式中的參數確定、壓力和流量關系式確定等方面的研究。在噴灑均勻度方面,已開展噴灑均勻度影響因素分析、噴灑均勻度計算、噴灑均勻度提升方法等內容的研究。在田間應用方面,研究人員已開展不同作物、不同地形、水肥一體化等內容的研究。這對深入了解微噴帶灌溉技術具有重要作用。

目前,國內外關于微噴帶的研究較多,而微噴帶灌溉技術的發展進程、水力特性、節水效應等方面的系統論述尚不多見。本文從制造現狀、水力特性、噴灑均勻度、組合設計以及應用5個方面對微噴帶相關理論進行歸納總結,并對微噴帶灌溉未來的發展趨勢進行展望,以期為進一步探索微噴帶灌溉特點、促進微噴帶灌溉技術的發展和提高我國農田灌溉水利用系數提供參考。

1 微噴帶制造

隨著生產技術的進步,微噴帶的生產材料由硬質管件逐漸轉變為聚乙烯軟管;此外,打孔技術也由機械打孔逐步升級為激光打孔[8]。機械打孔是利用沖針上下有規律的運動來實現微噴帶的間歇打孔,具有操作簡單、生產成本低的特點[9];激光打孔是利用激光的高空空間相干和高功率密度的特性將能量作用于微噴帶上,使微噴帶達到一定的溫度,然后經過高溫熔化、汽化或分解,形成特定的噴水孔。與機械打孔生產的噴水孔相比,這些噴水孔的表面光滑度、孔數和直徑均可以得到保障[10-11],但采用激光打孔時操作步驟相對繁瑣[12-13]。此外,即便采用相同的打孔方式,不同設備制造的微噴帶可能仍存在噴水孔的差異[14]。

2 微噴帶水力特性研究

2.1 微噴帶水力特性試驗

2.1.1 微噴帶沿程水力損失

微噴帶是一種沿程泄流管道,受微噴帶內壁摩擦力、水流內摩擦力以及噴水孔出流時水力損失的影響,微噴帶沿管長方向的壓力逐漸減小。微噴帶沿程水力損失的計算公式是在聚乙烯管道水力損失基本公式的基礎上重新確定相關參數,以使其更符合微噴帶沿程水力損失的計算要求。

《微灌工程技術標準》[15]中給出的聚乙烯管的沿程水力損失計算基本公式為:

(1)

式中:hw為沿程水力損失,m;Q為管道流量,m3/s;D為管徑,mm;L為管道長度,m;f為摩阻系數;m為流量指數;b為管徑系數。

為簡化計算過程,王金如[16]提出了多口系數和摩阻系數計算方法,改變了先前水力損失計算中需要查表確定相關參數的傳統做法。吳政文等[17]通過對管徑d=20～40 mm的微噴帶在50～90 kPa的工作壓力下進行沿管長方向水力損失的研究,計算出了微噴帶水力損失計算中的流量指數與管徑系數,得到微噴帶沿管長方向的水力損失經驗公式,具體為:

(2)

茍萬里等[18]對管徑為27～40 mm、工作壓力為10～80 kPa、管長為20～100 m的微噴帶進行了試驗研究,提出了微噴帶摩阻系數,并對微噴帶水力損失公式進行了修正,得到了微噴帶沿程水力損失計算公式,具體為:

(3)

通過以上公式能計算出微噴帶首端和末端的壓力差,但無法呈現壓力沿管長方向的變化規律。鄭迎春等[19]根據微噴帶沿管長方向水力特性的逐漸變化對水流流態產生的影響進行了研究。根據雷諾數的變化,進一步將微噴帶內的水流分為紊流、漸變流和層流3種狀態,并據此確定了不同流態下的水力損失參數。通過分別計算微噴帶不同工況下的水力損失,深入揭示了微噴帶內水力損失計算的復雜特性。

2.1.2 噴水孔單孔流量計算

目前,計算微噴帶噴水孔單孔流量的方法有兩種。第一種是基于理論公式計算,理論公式中斷面收縮系數ε、流速系數ψ是影響孔口出流的主要參數。具體計算公式如下[20]:

(4)

μ=ψε。

(5)

式中:q為噴水孔出流流量,m3/s;μ為流量系數;A為噴水孔面積,mm2;g為重力加速度,m/s2;h為噴水孔所在位置處的壓力(以mmH2O計),m;ψ為流速系數;ε為斷面收縮系數。

對于一般灌水器孔口出流的計算而言,收縮斷面位于出流設備的一半壁厚處,當灌水器設備壁厚較小時,壁厚對慣性力的影響不大,可認為其收縮斷面位于微噴帶孔口處,即斷面收縮系數ε為1.0[20]。流速系數ψ(式(6))利用能量守恒定律(式(7))進行計算。

(6)

(7)

式中:m為單位時間孔口出流質量,kg/s;v理論為孔口出流的理論流速,m/s;v實際為孔口出流的實際流速,m/s。

費順華等[21]在10 kPa的工作壓力下基于理論公式(4)分析微噴帶上不同位置處的噴水孔的單孔流量,得出了沿管長方向每段微噴帶的單孔流量計算公式,公式為:

(8)

式中:qi為第i段的單孔流量,L/h;hi為第i段的段尾壓力,kPa。

在得出每段微噴帶的單孔流量后,可以計算從微噴帶的尾端到第i段微噴帶的累計噴灑流量,其計算公式為:

Qi=Qi-1+nqi。

(9)

式中:Qi為微噴帶的尾端到第i段微噴帶的累計噴灑流量,L/h;Qi-1為第i-1段微噴帶的累計噴灑流量,L/h;n為段內孔數。

基于公式(8)計算單孔流量,然后計算泄流的水力損失,得出每段泄流后的壓力hi+1。

(10)

式中:α為摩阻系數的溫度修正系數;l為微噴帶的分段長度,m;0.606為局部水力損失的摩阻系數。利用公式(8)—(10)可推算出每個噴孔的流量和壓力。

第二種為常用的固定型孔口灌水器的經驗公式(式(11))。該經驗公式中,流量系數是衡量灌水器管道內過水能力大小的一個指標,該值越大表明管道過水能力越大,流量越大。流態指數反映了單孔流量對工作壓力變化的敏感程度,流態指數越小,單孔流量受壓力變化的影響程度越小,敏感性就越低,灌水也就相對均勻;反之,流態指數越大,單孔流量受壓力變化的影響幅度越大,敏感性就越高[22]。

q=Chx。

(11)

式中:C為孔口出流系數;x為流態指數。

對于不同結構的微噴帶,其相關系數的參數值是不同的,需要根據實測的微噴帶進行模擬,確定相關參數的具體值[20,22]。

2.2 微噴帶水力特性模擬

目前,計算機數值模擬技術被廣泛應用于灌水設備的水力特性計算當中。利用Fluent軟件進行滴灌和噴灌灌水器水力損失的計算,能夠實現較高的準確性[23-24]。這是因為,利用軟件模擬具有避免外界因素干擾、操作方便、精確度高等優點。在灌溉設備水力性能變化的模擬中,需將構建的結構模型導入Fluent軟件中,然后輸入相應控制變量,就能模擬不同條件下水力性能變化,模擬的壓力和流量變化情況可以直觀地觀察[25]。田濟楊等[26]利用Fluent軟件模擬了滴灌雙向流道灌水器的水力特性,當模型網格劃分精度為0.2 mm時,分別采用k-ε模型與標準k-ω模型模擬,發現Fluent軟件的模擬結果和實測結果的相關系數達0.998。任培琦[24]利用Fluent軟件對噴灌雙向流穩流器進行數值模擬,采用k-ε模型,當模型網格劃分精度為0.4 mm時,試驗結果與模擬結果的誤差均在3%以下。然而,應用計算機軟件模擬微噴帶水力特性的研究尚不多見。

3 微噴帶噴灑均勻度研究

3.1 噴灑均勻度的計算

研究微噴帶的噴灑均勻度時,通常在垂直微噴帶的方向上均勻地布置多行雨量筒來收集噴灑出的水滴。微噴帶噴灑均勻度的計算采用噴灌均勻度的計算方法,具體計算公式如下[27]:

(12)

為全面地評價噴灑均勻度,HART W E等[28]首次將有效噴灑區域內的噴灑水量按照大小分成4個部分,將噴灑水量最低值與所測點噴灑水的比值定義分布均勻性系數,其計算公式為:

(13)

式中:DUlq為1/4水量低值分布均勻系數,%;nlq為由大到小排列的n/4低值雨量的個數;hlqi為第i個由大到小排列的n/4低值水量,mm;hi為第i個雨量筒的水量,mm。

為強調水量較大的那部分,避免局部水量過多,BEALE J G[29]提出1/4高值區分布均勻系數,用DUhq表示,其計算原理與公式(13)相同。

3.2 噴灑均勻度的影響因素

噴灑均勻度指噴灑面積上水量分布的均勻程度,是衡量噴灑質量的重要指標。影響微噴帶噴灑均勻度的因素可分為內因和外因。

3.2.1 影響噴灑均勻度的內因

影響噴灑均勻度的內因主要為微噴帶自身的結構特性,包括微噴帶直徑、布孔方式、布置長度以及噴水孔數目等。噴灑均勻度研究試驗中,一般采用幾種不同結構的微噴帶進行試驗,分析其噴灑均勻度的變化規律。徐茹等[30]研究發現,不同直徑的微噴帶通過噴水孔的噴灑流量影響噴灑均勻度,在工作壓力大于25 kPa時,管徑較大的微噴帶的噴灑均勻度較大,且壓力變化時噴灑均勻度的變化幅度較小。竇超銀等[31]研究了噴水孔為單峰排列、單斜線排列和齒形排列的微噴帶噴灑均勻度,發現齒形排列的噴水孔的噴灑均勻度最大,對應的變化范圍為62%～64%。王琪等[32]研究發現,影響微噴帶噴灑均勻度的主次因素依次為微噴帶布置長度、噴水孔直徑、孔組間距,但當試驗中微噴帶的孔組間距設置為1 m時,試驗結果可能存在較大誤差。張學軍等[33]研究發現,微噴帶的噴灑均勻度與每組孔數呈正向關系,當工作壓力的變化范圍為10～50 kPa、每組噴水孔為5個時,噴灑均勻度的變化范圍為34.4%～55.8%;當每組噴水孔為12個時,噴灑均勻度的變化范圍為65.6%～78.3%。SOLOMON K H等[34]研究發現,多流量、多軌跡旋轉式的微噴頭較固定式的微噴頭能提高26%的噴灑均勻度。PLAYN E等[35]研究發現,增大微噴頭的噴射角會增加噴灑水的集中度,進而減小噴灑均勻度。DUKES M D等[36]研究發現,改變移動式噴灌設備不同噴頭的工作時間能使噴灑均勻度達到93%,且噴灑水低值區的噴灑均勻度也達到了90%。

3.2.2 影響噴灑均勻度的外因

影響微噴帶噴灑均勻度的外因主要是工作壓力、自然風速、地形、作物生育期等。這是因為微噴帶的鋪設長度和水流噴灑的角度受地形坡度的影響,地形能改變微噴帶的極限鋪設長度與水流的噴射角;不同生長周期作物結構的不同會對噴灑水產生遮擋;自然風使水流的運動軌跡發生變化,這會造成噴灑水量偏差。

王一博等[37]研究發現,在低水力條件下,折徑為45 mm的斜5孔微噴帶,當工作壓力小于30 kPa時,鋪設長度最長為20 m;而當工作壓力為30～50 kPa時,鋪設長度最長為40 m才能滿足噴灑均勻度條件。徐茹[22]研究發現,當微噴帶鋪設長度較小時,微噴帶沿管長方向的噴灑均勻差異不明顯,整體噴灑均勻度較高。王文娟等[38-39]在研究直徑為28 mm、孔距為20 mm、孔組間距為227 mm的斜5孔微噴帶時發現,當工作壓力的變化范圍為20～28 kPa時,噴灑均勻度隨工作壓力的增加呈逐漸增大的趨勢;當工作壓力的變化范圍為28～32 kPa時,噴灑均勻度隨工作壓力的增加逐漸下降,并認為這可能是隨壓力的增大噴水孔的直徑有所改變,從而改變了噴灑均勻度;當微噴帶的噴射角增大時,微噴帶的灌水強度也會隨著工作壓力的增大而降低。ZHANG Y S等[40]研究發現,移動式噴灌系統中的噴灑均勻度隨工作壓力的增大而增大。張芳等[41]研究發現,受自然風影響,水流原始的運動軌跡會發生改變,進而影響噴灑均勻度,當風速大于3.0 m/s時,噴灑均勻度為20%～60%,此時不宜進行灌溉。MATEOS L[42]研究發現,工作壓力決定了噴水孔的噴灑流量,而自然風改變了噴灑水原本噴灑均勻度,當風速超過1.8 m/s時,風速為影響噴灑均勻度的重要因素,并且粗糙的地形能明顯降低噴水器的噴灑均勻度。

4 微噴帶組合噴灑均勻度研究

實際生產中,為進一步提高噴灑均勻度,常采用多條微噴帶組合使用的方式進行灌溉。當組合使用多根微噴帶時會出現噴灑區域重疊的情況。因此,需要重新確定組合微噴帶的噴灑均勻度。王金毅等[43]通過試驗測定不同類型微噴帶的組合噴灑均勻度得出,當微噴帶直徑固定為44 mm、微噴帶間距為1.6R(R為微噴帶射程)時的噴灑均勻度最大,為60.48 %;當間距為1.8R～1.9R時,雖然噴灑水的強度較小,但是噴灑均勻度較高。邸志剛[44]與王一博[45]均利用單根微噴帶的試驗數據,進行組合微噴帶噴灑均勻度試驗模擬:邸志剛在不同約束條件下,建立了組合微噴帶噴灑均勻度與鋪設間距、投資成本的函數關系,以此來計算組合微噴帶的最優鋪設間距;王一博利用直接疊加法研究兩根微噴帶在不同組合間距下的噴灑水的分布情況,并計算噴灑均勻度,結果表明,20 m長的斜5孔微噴帶在10 kPa的工作壓力下,組合噴灑均勻度隨組合間距的增大而減小,而在20 kPa與30 kPa的工作壓力下,噴灑均勻度隨組合間距的增大而增大。

5 微噴帶田間灌溉應用研究

微噴帶被廣泛應用于棉花、小麥、玉米和果樹等作物的灌溉中,達到了節水、增產、省工的效果。郭璇等[46]研究發現,小麥與棉花套作時采用微噴帶灌溉能大幅增加棉花和小麥的凈收入。馬利利等[47]研究發現,微噴帶灌溉能降低作物生育期內土壤溫度的變幅。孫夢瑤等[48]研究發現,與傳統灌溉相比,微噴帶灌溉能減少油菜地的水分蒸發量,增加經濟產量。吳祥運等[49]確定了利用微噴帶對夏玉米進行補水灌溉時土壤適合的濕潤層深度與目標含水量。馬海洋等[50]研究發現,微噴帶水肥一體化灌溉能大幅度提高菠蘿產量和肥料貢獻率。石文鵬等[51]利用微噴帶施藥,達到在灌水的同時除草的效果。MAN J G等[52]研究了微噴帶長度對冬小麥光合速率、葉綠素含量和產量的影響,得出適宜長度的微噴帶可以提升噴灑均勻度、提高小麥產量的結論。許驥坤等[53]研究了微噴帶長度和寬度對冬小麥旗葉熒光特性的影響,結果表明,在高效節水的前提下,當微噴帶的組合寬度小時,適度減小管長可以提高灌溉均勻度、冬小麥熒光速率和干物質積累量。竇超銀等[54]通過分析移動式、半移動式和固定式微噴帶的可控性、布置成本和管理的方便程度等發現,移動式微噴帶適合小面積灌溉,半固定式微噴帶適合中等面積灌溉,固定式微噴帶適合大面積灌溉,為微噴帶田間灌溉方式的選擇提供了參考。

6 展望

綜上所述,微噴帶灌溉研究雖取得了一定的進展,但微噴帶灌溉技術還有待從以下4個方面開展進一步的研究。

6.1 基于計算機軟件模擬的微噴帶灌溉水力特性研究

目前,微噴帶水力特性的研究多以試驗為基礎。然而,在實際應用中,試驗中所用的微噴帶與實際使用的微噴帶相比,結構類型與工作壓力設置有限,無法全面為微噴帶灌溉技術的發展提供依據。因此,需要深入研究微噴帶的水力特性。通過對微噴帶進行建模,利用計算機軟件進行水力特性模擬可以有效避免生產過程中環境因素對試驗的干擾,精準控制試驗變量,為微噴帶水力特性的精確研究提供途徑。此外,構建準確的水力特性計算公式可為微噴帶結構設計提供理論依據。

6.2 微噴帶相關設計規范與噴灑均勻度研究

微噴帶的結構是決定其噴灑均勻度的重要因素。然而,關于微噴帶的結構設計尚未有明確的標準和規范。即使在結構相同的微噴帶中,由于生產技術的差異,相同工作條件下其噴灑均勻度也可能不同。因此,在微噴帶的設計和生產過程中,首先需要統一微噴帶的設計規范,其次要更新生產材料和設備,以提高微噴帶的質量。此外,噴灑均勻度是衡量微噴帶性能的重要指標。然而,目前尚未建立適用于微噴帶噴灑均勻度的計算公式。

6.3 微噴帶灌溉條件下作物灌溉制度研究

微噴帶應用于田間灌溉時受作物生長、地形等因素的影響,導致噴灑均勻度實際值與試驗值存在差異。在田間灌溉時微噴帶的噴灑均勻度需要根據作物種類、作物生育期、田塊面積、地形等因素重新確定,而灌溉制度受氣候、水文地形以及作物種類的影響。因此,進行不同地區、不同作物生育期的灌溉制度研究有助于促進微噴帶灌溉技術在多地區、多作物上的快速發展。

6.4 微噴帶水肥一體化與智能灌溉技術研究

水肥一體化灌溉是把肥料溶于灌溉水中,這不僅達到了灌溉的目的,還有利于作物吸收肥料、節省勞動力。微噴帶灌溉適用于水肥一體化灌溉,而肥料的分布均勻性與噴灑均勻度之間的關系尚不明確,微噴帶灌溉條件水肥一體化的均勻性還需深入研究。隨著互聯網技術的發展,將微噴帶灌溉技術同物聯網智能控制系統相結合能實現微噴帶灌溉的自動化控制,保障灌水的及時性和準確性,促進水資源高效利用。