小麦不同生育期微喷带水量分布均匀性_徐茹

2021 年 8 月 Aug．2021

第 39 卷 第 8 期

Vol．39 No．8

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)

徐茹

徐茹，王文娥，胡笑涛．小麦不同生育期微喷带水量分布均匀性［J］．排灌机械工程学报，2021，39 (8) : 859－864．

XU Ｒu，WANG Wen'e，HU Xiaotao．Water distribution uniformity of micro spray belt in different growth stages of wheat［J］．Jour- nal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME) ，2021，39 (8) : 859－864．(in Chinese)

Water distribution uniformity of micro spray belt in different growth stages of wheat

XU Ｒu， WANG Wen'e* ，HU Xiaotao

( Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas，Ministry of Education，Northwest A ＆ F Univer- sity，Yangling， Shaanxi 712100， China)

Abstract : In the experiment， the common mechanical perforated Ф32 micro spray belt was taken as the research object．By adjusting the working pressure of the micro spray belt，the change rule of water distribution uniformity coefficient in different growth periods of spring wheat under two kinds of length micro spray belts (20 m and 40 m) was studied．Through the analysis of water distribution uniformity

coefficient under the shelter of different height spring wheat，the water distribution uniformity of the mi- cro spray belt in the field experiment was explored．The results show that crop shelter can reduce the uniformity of water distribution in the micro spray belt，change the spatial distribution characteristics of water，and different crop heights intercept different amounts of water．By changing the working pres- sure，the spray angle can be changed，so as to reduce the influence of crop shelter on the water distri- bution of the micro spray belt．Under the experimental setting conditions， the best working pressure range under two laying lengths is 40－45 kPa．In order to ensure better irrigation uniformity， the limit laying length of the applied pressure strip and the micro spray strip should be set reasonably．

收稿日期 : 2020－02－11 ; 修回日期 : 2020－04－11 ; 网络出版时间 : 2021－07－02

网络出版地址 : https : / / kns．cnki．net / kcms / detail /32．1814．TH．20210702．0946．022．html

基金项目 : 国家公益性行业(农业) 科研专项经费资助项目(201503125) ; “十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0400203) 第一作者简介 : 徐茹( 1994—)，女，河北邢台人，硕士研究生(838863471@ qq．com)，主要从事水利工程研究．

通信作者简介 : 王文娥( 1975—)，女，河南孟州人，教授，博士生导师( wangwene@ nwsuaf．edu．cn)，主要从事节水灌溉技术研究．

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Key words : micro spray belt ; different growth stages of wheat ; water distribution ; uniformity coefficient ;

working pressure

灌水均匀度和灌溉效率是衡量喷灌系统的 2 个 主要参数，灌溉效率表示渗入作物根区的水量与总 灌水量的比值［1］．在田间作物生长到一定高度，喷灌

的水分一部分会先到达作物冠层，再流入土壤中或 留在叶片上产生蒸发．在实际生产运用中，喷灌水分 应分为 4 个部分 : 冠层截留水、水分在湿润冠层的蒸

发水量、穿过冠层直接落入土壤的穿透水量和沿着

茎秆流入土壤中的茎流水量［2］．雨量筒法测定的水 量分布均匀系数是表示穿透水量在灌溉范围内均 匀性的参数，在作物不同生育期，作物叶片面积与 高度不同时，叶片截留水与茎流水量会有不同，对 穿透水量分布均匀性会产生不同的影响．

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

Fig．1 Structure and spraying track of micro spray belt

表 1 微喷带结构参数表

Tab．1 structure parameters of micro spray belt

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

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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

Fig．2 Schematic diagram of test arrangement

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

hi －h

i = 1 × 100% =

hi

qi －q

i = 1 × 100%， ( 1)

qi

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．

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

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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)．

图 4 不同铺设长度垂直位置点水量变化 Fig．4 Variation of water quantity at vertical position

of different laying lengths

图 5 不同铺设长度水量分布均匀系数变化 Fig．5 Variation of uniformity coefficient of water dis-

tribution in different laying lengths

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 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

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小麦之间的间隙传递到远离微喷带的位置点．

图 6 不同高度小麦垂直位置点水量变化 Fig．6 Variation of water content at vertical position of

wheat at different heights

图 7 不同小麦高度水量均匀系数变化 Fig．7 Variation of water uniformity coefficient at dif-

ferent wheat heights

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

Fig．8 Variation of wheat height at different positions

perpendicular to the direction of micro spray belt under two laying lengths

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

Fig．9 Wheat height variation at different positions

perpendicular to the direction of micro spray

belt under two laying methods

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，

864 排灌机械工程学报 第 39 卷

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．

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(责任编辑 徐云峰)