压力对低压喷头水量分布模型影响的试验研究

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鲍亚，刘俊萍，刘兴发，田坤，张前

(江苏大学国家水泵及系统工程研究中心，江苏镇江212013)

摘要:为研究喷头压力对水量分布模型的影响，以低压喷头为例，对其进行水力性能试验.通过计算矩形组合下不同压力的喷灌组合均匀系数Cu和组合分布均匀系数Du，探索喷头压力对水量分布模型的影响.结果表明:对于低压喷头，喷灌强度随压力增大先逐渐增大，达到一定值后基本保持不变.在距喷头不同距离时，不同压力下的喷灌强度变化情况不同.在低压范围内，压力对喷灌组合均匀系数和组合分布均匀系数的影响较明显.在100～200 kPa范围下，Cu和Du均随着压力的增大而增大.在200～300 kPa范围下，Cu与Du均变化不大.最终提出二者的函数关系式，为多因素下水量分布模型的建立提供理论依据.

关键词:喷头;喷灌组合均匀系数;喷灌强度;组合分布均匀系数;压力

鲍亚，刘俊萍，刘兴发，等.压力对低压喷头水量分布模型影响的试验研究［J］.排灌机械工程学报，2016，34(1):81－85.

BAO Ya，LIU Junping，LIU Xingfa，et al.Experimental study on effects of pressure on water distribution model of low-pressure sprinkler［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME)，2016，34(1):81－85.(in Chinese)

网络出版地址:http:/ /www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20160119.2017.004.html

刘俊萍(1982—)，女，辽宁海城人，副研究员(通信作者，liujp@ ujs.edu.cn)，主要从事流体机械及排灌机械研究.

鲍亚

喷灌是最常用的农业灌溉方式之一.喷灌水量分布的均匀性是评价喷灌质量的重要指标之一，影响作物的品质.过低的喷灌均匀度不仅会降低作物的产量和质量，而且有可能会引起水分深层渗漏，从而导致土壤养分流失.过度提高喷灌均匀度会加大系统投资和运行成本［1］.

影响喷洒水量分布的因素众多，主要包括:流量系数［2］、工作压力、喷头的转动均匀性［3］、风速、风向、喷头转速［4］、喷头仰角［5］、喷嘴直径［6］等.国内外学者对这些因素进行了深入研究.SMITH［7］通过对大喷枪喷洒研究，建立了大喷枪水量分布模型并进行数学模型校正.MATEOS等［8］研究工程因素对水量分布的影响，发现粗糙的地形能明显降低喷灌均匀性，并且发现当风速超过1.8～2.0 m/s时，风速是重要的影响因素之一.李久生等［9］对喷灌水量分布均匀性评价指标进行了试验研究，并且通过利用多喷头组合喷洒试验研究了分布均匀系数与喷灌均匀系数之间的关系.李小平［10］利用改进的异形喷嘴装置进行水量分布试验，改善了变量喷头喷洒均匀度.刘俊萍等［11］设计出了一种新型副喷嘴结构，改进了摇臂式喷头组合喷洒均匀性.目前关于喷灌水量分布的研究大都考虑风、坡地、压力等影响因素，针对低压喷头，没有研究喷头工作压力对喷灌水量分布均匀性的影响.而压力是喷灌水量分布的主要影响因素之一［12］，明确压力与水量分布模型之间关系对建立复杂工况下低压喷头水量分布模型有重要意义.

文中利用低压喷头在无风条件下径向试验数据，使用Matlab软件对组合喷灌均匀系数和分布均匀系数进行分析，从而建立低压喷头工作压力与喷头水量分布模型的关系.

1　材料与方法

1.1　喷头试验设备

试验在江苏大学国家水泵及系统工程研究中心室内喷灌试验厅进行.该试验厅(直径为44 m，高18 m)为室内喷灌大厅，场地无风，很好地满足试验数据测量要求，如图1所示.试验选用由江苏大学研制，上海华维节水灌溉有限公司生产的低压喷头，如图2所示.工作压力范围为150～300 kPa，最大射程为15.2 m，流量范围为0.65～1.94 m3/h，喷嘴直径为4.4 cm.喷头安装在垂直固定的竖管上，距地面高度为1.8 m.喷头压力由精度等级为0.4的精密压力表读出，试验选取的压力为150，200，250和300 kPa.雨量分布测量采用射线法，将直径为2.0 m、高度为0.6 m的试验用雨量筒按照径向布置，相邻雨量筒间隔为1 m.喷头每工作1 h进行1次试验数据测量.

图1　喷灌大厅

Fig.1　Sprinkler irrigation hall

图2　喷头

Fig.2　Sprinklers

1.2　喷灌均匀系数和分布均匀系数计算方法

喷灌均匀系数Cu是喷灌系统设计的重要参数，克里斯琴森最早提出用Cu定量描述喷灌水量分布均匀性，并在世界各国得到广泛应用.克里斯琴森均匀系数描述的是各测点的水深与平均水深偏差的绝对值之和与总水深的比值，其计算公式为

式中:xi为第i个测点的水深，mm;珋x为喷洒面积上各测点平均灌水深度，mm; N为测点数.

克里斯琴森喷灌均匀系数可以较好地表征整个田间水量分布与平均值偏差的情况，另一方面当绝大多数测点水深与平均值接近，个别测点水深与平均值偏差较大甚至为0时，难以反映这种情况.为了克服Cu描述水量分布均匀性时的这类缺点，文献［13］提出了分布均匀系数Du的概念.Du更注重灌水在田间分布的均匀度，因而细分起来与喷洒水量不尽相同.其计算公式为

式中:

　　为大小排列的灌水深度低值的N/4个测点水深的平均值，mm.

与均匀系数相比，分布系数强调了灌水深度较小的一部分，有利于保证作物获得必要的最小灌水量.

当Cu大于70%时，喷灌水量分布服从正态分布［13］，这2种均匀系数的关系可近似表示为

或

李久生等［9］对这2种均匀系数的关系也进行了试验研究，给出回归方程为

式中:R为相关系数; n为样本数; Cu的变化范围为44%～98%.

1.3　组合水量分布计算模型

利用单喷头水量分布数据求组合均匀度的一般计算方法:先通过单喷头水量分布试验数据及喷头布置形式和组合间距，确定对某一指定区域有贡献的喷头在典型区域内的水量分布，然后在该区域内对有贡献的喷头水量进行叠加，得到典型区域的水量分布，代入喷灌均匀系数均匀度计算公式，即可求出对应于该组合方式及间距下的喷灌组合均匀度［14］.

利用Matlab语言处理喷头水量分布数据，通过插值叠加求出各网格点总降水深，求出不同组合间距系数下喷头组合均匀系数［15］.这里所指的插值方法有多种，包括:距离插值法、平面插值法和两次插值法，其中两次插值法［9］包括:线性插值法、立方插值法和三次样条插值法.文中采取即三次样条插值法.计算喷灌区域内任意一点P的降水深，分2步进行.如图3所示.

图3　两次插值法示意图

Fig.3 Two-step interpolation method

首先通过径向插值分别计算出各辐射线上与网格点P距喷头相同远处Ai的降水深Di(i =1，2，…，6)，再利用同一圆周上的数据采用与径向插值方法相同的插值方法计算出所求网格点P的降水深DP.可得到s(x)的公式，即

2　结果与分析

2.1　单喷头水量分布

图4　低压喷头在不同压力下的喷灌强度

Fig.4　Low-pressure sprinkler irrigation intensity at different pressures

低压喷头的径向水量分布特征:在0～5 m范围内，当压力为300 kPa时，喷灌强度增加幅度最小，为150%;当压力为150 kPa时，喷灌强度增加幅度最大，为325%，两者相差175%.在5～8 m范围内喷灌强度变化较小，当压力为150，300 kPa时，喷灌强度随喷头距离增大而增大;当压力为200，250 kPa时，喷灌强度随喷头距离增大而减小.变化幅度最大的是当压力为150 kPa时.在8～12 m范围内喷灌强度逐渐减小，下降幅度最大是压力为300 kPa时.图5为不同距离时喷灌强度随压力p变化曲线.从图中可以看出，在距喷头相同距离下，喷灌强度随压力增大先逐渐增大，到某一压力下达到最大值后基本保持不变.距离喷头近处和远处的喷灌强度较小，其他各处的喷灌强度变化较小.在200～300 kPa时喷灌强度变化不明显，说明该喷头在这一压力范围下工作较好.

图5　不同距离时喷灌强度随压力变化曲线

Fig.5　Irrigation intensity versus pressure curve at different distances

2.2　组合喷灌均匀系数和分布均匀系数

采用矩形组合方式，间距为1.1倍射程，计算了组合喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du.

图6　不同压力下组合喷头三维水量分布图

Fig.6 3D water distribution at different pressures in combined sprinkler irrigation

从图6中可以看出，随着压力的增大，坡面中心喷灌强度越来越大，并且喷灌强度变化逐渐变大.

图7　组合喷灌均匀系数Cu随压力变化曲线图

Fig.7　Sprinkler uniformity coefficient(Cu)versus pressure curve

图8　组合分布均匀系数Du随压力变化曲线图

Fig.8　Sprinkler combination distribution uniformity(Du)versus pressure curve

综上所述，不同压力对组合喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du均有影响.对于低压喷头而言，在100～200 kPa范围下，组合喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数均随着压力的增大而增大.在200～300 kPa范围下，Cu与Du均变化不大.组合喷灌均匀系数在75%左右，组合分布均匀系数在45%左右.

分别对11次试验数据进行回归分析，得到回归方程为

从式(8)可知，当克里斯琴森均匀系数Cu= 75%时，式(8)计算出的Du值约为53%，比式(5)计算结果低7%，相差不大;比式(6)计算结果低13%，相差较大.文献［9，13］都采用中压喷头，试验使用低压喷头，工作压力为175～350 kPa，故产生一定误差.

3　结论

1)对于低压喷头，在0～5 m范围内，当压力为300 kPa时，喷灌强度增加幅度最小;当压力为150 kPa时，喷灌强度增加幅度最大.在5～8 m范围内喷灌强度变化较小，当压力为150和300 kPa时，喷灌强度随喷头距离增大而增大;当压力为200和250 kPa时，喷灌强度随喷头距离增大而减小.在8～12 m范围内喷灌强度逐渐减小，下降幅度最大是压力为300 kPa时.

2)对于低压喷头，喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du都用于评价喷头的水力性能的重要指标，在低压范围内，压力对喷灌组合均匀系数和组合分布均匀系数的影响较明显;在中压下，压力对喷灌组合均匀系数和组合分布均匀系数影响不大.

参考文献(References)

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(责任编辑　谈国鹏)

Experimental study on effects of pressure on water distribution model of low-pressure sprinkler

BAO Ya，LIU Junping，LIU Xingfa，TIAN Kun，ZHANG Qian

(National Research Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)

Abstract:In order to study effects of pressure on water distribution model of low-pressure sprinkler，a series of hydraulic performance experiments are carried out.The effects of pressure on the water distribution model are explored by calculating sprinkler irrigation combination uniformity coefficient(Cu)and combination distribution uniformity(Du)under the combined rectangular conditions at different pressures.The results show that sprinkler intensity increases steadily with the increasing pressure until it reaches a certain high constant value.The change in sprinkler irrigation intensity is dependent on the distance from the sprinkler.Cuand Duare important indicators for evaluating the sprinkler hydraulic performance in a low-pressure range.The effects of pressure on Cuand Duare obvious.In the range of 100－200 kPa，Cuand Duincrease with the increasing pressure.In the range of 200－300 kPa，Cuand Duchange a little.Finally，a relationship between Cuand Duis put forward.This study provides a basis for establishing a water distribution model for multiple factors.

Key words:sprinkler; irrigation combination uniformity coefficient; sprinkler irrigation intensity; combination distribution uniformity; pressure

作者简介:鲍亚(1991—)，男，安徽巢湖人，硕士研究生([1**********]@163.com)，主要从事流体机械及排灌机械研究.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51309117);国家863计划项目(2011AA100506);中国博士后科学基金特别资助项目(2014T70484);江苏高校优势学科建设工程资助项目

收稿日期:2015－08－26;网络出版时间:2016－01－19

doi:10.3969/j.issn.1674－8530.15.0188

中图分类号:S277.9

文献标志码:A

文章编号:1674－8530(2016)01－0081－05