第二節　微灌灌水器

一、灌水器水力學

（一）水力學分析

有壓灌溉水由輸配水管道進入灌水器，經過灌水器流道，然后從灌水器出口以不同的出流狀態進入大氣，落到植物附近地面濕潤土壤，對于地下滴灌和滲灌則水流由灌水器出流直接濕潤土壤。在這一過程中產生的能量損失包括沿程摩擦損失和局部損失，可以示成：

如果將流速表示成流量，則式（7-5）變為：

式（7-6）可以作如下分析：

（1）流道長度越大，直徑越小，流經灌水器水流的能量損失越大，且直徑變化對能量損失的影響遠大于長度變化的影響。當灌水器流道長度較大，沿程摩擦能量損失占總能量損失主要比例時，屬長流道型灌水器；當流道長度很短，局部阻力能量損失占總能量損失主要部分時，屬孔口型灌水器。

（2）灌水器進口處的壓力（水頭）稱為灌水器工作壓力（水頭），一部分消耗于灌水器摩阻能量損失，一部分轉化成流速水頭。在灌水器工作壓力一定的條件下，為了獲得小的流量，灌水器必須有較長的流道和較小直徑。然而，小直徑流道將很容易被水流挾帶的泥沙和其他污物堵塞。實驗表明，當灌水器流道直徑小于1.0mm時，很容易被堵塞，而微灌技術要求灌水器應具有小的流量和強的抗堵能力，這就使“小流量與大流道”之間成為一對矛盾。實踐上，為了獲得小的流量，并保持較大的流道直徑，不得不采用加工難度較大的迷宮型流道和（或）較長的流道，以協調小流量與大流道之間的矛盾。

（二）流量與工作壓力的關系

灌水器流量與工作壓力的關系可通過測試確定。因為測試很難將流道沿程能量損失和局部能量損失分開，故將流量與工作壓力的關系按式（7-7）計算。

流態指數x是灌水器水力性能一個非常重要的參數，它表征水流狀態。可以對x值作粗略劃分，當x＜0.5時，水流處于紊流狀態，灌水器具有補償性能；x＞0.5時，水流處于層流和過渡狀態。x值越小，灌水器流量隨工作壓力的變化越小，出流越穩定。灌水器流態指數x值對灌水器流量與工作壓力關系曲線見圖7-8。

在使用上，一般根據灌水器的x值大小將灌水器劃分成非壓力補償灌水器和壓力補償灌水器兩類，但當x≤0.3時，才被認定為是壓力補償灌水器。

（三）灌水器流道結構及其對水力性能的影響流道是灌水器的核心。流道結構是否先進合理決定著灌水器水力性能的優劣。所謂灌水器結構設計，實質上就是流道設計。為了適應不同條件的需要，國內外微灌灌水器采用了各式各樣結構的流道，可歸納成光滑型流道、迷宮型流道和壓力補償型流道三種類型。

1.光滑型流道

光滑型流道類似于一條細長管，我國引進滴灌技術初期使用一種1.2PE塑料管插接于毛管管壁內，稱為“微管滴頭”的灌水器，就是一種典型的光滑型流道滴頭，繼而研制出一種“螺紋滴頭”，也是光滑型流道滴頭。兩種光滑流道滴頭結構外形見圖7-9。

光滑型流道有下列特點：

（1）通過流道水流的摩阻能量損失主要產生于沿程摩擦損失。

（2）流道長度較大，或斷面較大，或兩者兼有。

（3）流速受進口壓力和溫度變化的影響較為敏感，出流量不穩定。

（4）抗堵能力弱。

這類滴頭制造工藝簡單，價格低，在滴灌技術發展初期曾經發揮過一定作用，目前已基本被后述兩種流道滴頭取代。

2.迷宮型流道

迷宮型流道是一種折線流道，水在流動過程中急轉彎改變流線方向，水流質點相互碰撞，形成旋渦，為紊流狀態，提高了灌水器流量的穩定性。典型迷宮流道有鋸齒形和梯形兩種形式。兩種典型迷宮流道的基本結構見圖7-10，實際滴頭迷宮型流道的結構多種多樣。

迷宮型流道是光滑型流道的改進，它較好克服了微灌追求“小流量與大流道”之間的矛盾，具有下列特點：

（1）水流的摩阻能量損失主要產生于流線拐彎水流質點相互撞擊能量損失。

（2）流道長度較小，或過水斷面較大，或兩者兼有。

（3）流速對進口壓力和溫度變化的影響較不敏感，流量比較穩定。

（4）較強的抗堵能力。

有實驗發現，有的迷宮流道在拐角處出現局部沉積沙粒現象，需引起滴頭制造者注意，加以避免。

3.壓力補償型流道

一種可以改變流道過水斷面尺寸的流道。這類流道的結構是在迷宮型流道的進口或上面安裝一塊彈性膜片，當灌水器工作壓力變化時，彈性膜片隨壓力大小變形，逼使流道過水斷面尺寸作相應變化，使流量基本保持恒定，即壓力增大時，流道過水斷面縮小，反之亦然。一種壓力補償流道結構見圖7-11。

壓力補償型流道的最主要特點是出流量基本不受工作壓力變化的影響，使用的工作壓力范圍大。

流道結構對灌水器水力性能的影響見圖7-12和圖7-13，可以看出壓力補償結構流道的灌水器在工作壓力范圍內流量穩定，而非壓力補結構流道灌水器流量對壓力變化敏感。

4.自清洗流道

一種具有自我清洗功能的壓力補償流道，在正常工作時具有保持流量穩定的壓力補償功能，當流道內泥沙和其他污物積累到影響正常出流時，彈性膜片自動變形，增大出口，瞬時排出泥沙和污物。這種流道具有很強的抗堵功能，自清洗流道結構原理見圖7-14。

二、灌水器制造精度

微灌灌水器流道（或孔口）的制造精度非常重要，公式（7-6）可知，灌水器的流量與流道（或孔口）直徑反比大于4次方，如果相同型號灌水器的流道（或孔口）直徑有少許偏差，就會使各個灌水器流量有明顯差異，造成對田間灌水均勻度明顯影響。

因為微灌灌水器一般是塑料制品，其流道（或孔口）直徑（寬度）一般只有0.8～1.5mm，要直接測量其誤差是有困難的。實用上利用額定工作壓力條件下，灌水器流量偏差系數作為評價灌水器制造精度的指標。

灌水器制造偏差系數計算公式為：

Cv是表征灌水器制造精度的重要技術指標，國際上一般認為Cv≤0.07為合格產品，Cv≤0.03為優質產品，Cv在0.12以上的為廢品。現代工業為滴頭提供精良制造技術，國際上一些高水平制造商生產的滴頭已達到相當高的制造精度，其偏差系數見表7-6。

我國對滴頭制造精度標準作了明確規定；A類Cv≤0.05；B類Cv≤0.10　。

三、滴頭與滴灌管（帶）

（一）基本類型

可以從不同的角度對滴頭進行分類，我們認為按安裝方式劃分是滴頭分類的基本方法，以下按安裝方式將滴頭劃分成五種基本類型。

1.管上式滴頭

圖7-15是一種插裝于毛管上管的滴頭，稱為管上式滴頭。這這類滴頭結構特點是流道十分短，工作壓力主要消耗于進出水口局部損失，屬于孔口型滴頭。這類滴頭有非壓力補償和壓力補償兩種結構。圖7-15是一種管上式滴頭的結構外形，圖7-16是它的結構圖，主要由滴頭底座和頂蓋兩部分組成。在頂蓋進口裝一小片圓形彈性膜片（一般為硅膠片）就成為具有壓力補功能的滴頭。

彈性膜片的作用是將滴頭流道分隔成上下兩小區，彈性膜片下側流道區過水斷面比上側流道進口過水斷面大得多，水流由毛管進入滴頭流經下側流道區，然后進到上側流道，最后從滴頭出水口流出。當滴頭工作壓力增大時，因為彈性片下側流速比上側流速小得多，壓力大于上側，逼使彈性膜片變形，凸向頂蓋流道進口，減小其過水斷面，使流量保持穩定；反之，當滴頭工作壓力減小時，彈性膜片變形減小，頂蓋流道進口過水斷面增大，保持流量基本不變。滴頭流道過水斷面尺寸和彈性膜片的厚度及其彈性是影響滴頭流量的補償性能的主要因素。因此，選擇高質量彈性膜片非常重要。

這類滴頭在田間使用靈活，可以根據需要，將滴頭安裝在植物附近供水最有效的位置。對于寬間距的高大植物，如喬木等使用這類滴頭具有明顯優勢，尤其是適合地形復雜的滴灌系統使用，但人工安裝費工費時，且易脫落，在有條件的地方可在制造廠按要求間距在毛管上先裝好滴頭，運到田間安裝，以提高工效。

2.箭形滴頭

一種制成箭狀的滴頭，簡稱為滴箭。圖7-18是幾種滴箭的結構形式，上部是刻有流道的滴頭，下部制成尖端菱形的插棒，使用時上部插進PE塑料微管與供水管連接，下部插進土壤，以小流量直接濕潤土壤。這類滴頭結構簡單，使用靈活，價格低，非常適用于寬行距植物尤其是盆栽植物。圖7-18和圖7-19是一種滴箭形狀及組裝圖，圖7-20是滴箭用于盆栽花卉的情形。

3.管間式滴頭

圖7-21是一種管間式滴頭，滴頭兩端與毛管連接。這類滴頭流道較長，屬于長流道型滴頭。它既有滴水功能，又有通水功能。這類滴頭可根據田間植物株行距實地安裝，使用靈活，適用于寬間距植物，但搬動時容易脫開。

4.內鑲式滴頭與滴灌管（帶）

按一定間距將滴頭鑲嵌在毛管內，與毛管結合成整體。毛管壁較厚，不通水無內壓時呈管狀的，稱為滴灌管；毛管壁較薄，不通水無內壓時呈扁平狀的，稱為滴灌帶。這類滴頭因流道結構不同，也有非補償型和補償型之分。這類灌水器克服管間式滴灌管搬動時易脫落的缺點，并提高了田間安裝效率。按滴頭的結構形式和鑲嵌方法，可將內鑲式滴頭及其相應滴灌管（帶）劃分成以下三類。（1）片狀滴頭與貼片式滴灌管（帶）。兩種片狀滴頭及貼片式滴灌管的結構形狀見圖7-22。（2）管狀滴頭及滴灌管。一種繞外壁迷宮型流道的圓管形滴頭，按一定間距鑲嵌于毛管內。兩種灌水器的兩種結構形式見圖7-23。

（3）條形薄片內貼滴頭與滴灌帶。一種貼于薄壁毛管內壁的長條形塑料薄片，兩側以一定間距制出細小進、出水口，與中間流道連通，組成滴灌帶。因為這種滴灌帶外壁沿滴頭印有兩條藍線，故稱之為滴灌“蘭帶”。滴灌帶的結構形式見圖7-24。

5.壓邊滴頭及滴灌帶

一種制造時以一定間距在毛管一側壓出迷宮形長流道滴頭的滴灌帶。這種滴頭與滴灌帶一次成型，制造工藝比較簡單，價格低廉，是目前大田作物廣泛使用的“一次性”滴灌帶，稱為單翼型滴灌帶。圖7-25是這種滴灌帶的結構形狀和滴灌帶外形。

（二）主要技術指標和性能參數

根據《農業灌溉設備　滴頭技術規范和試驗方法》（GB/T　17187—1997）和《微灌灌水器—滴頭》（SL/T　67.1—94）的規定，滴頭主要技術指標見表7-7　。

根據實際使用的需要，制造商向用戶提供的滴頭技術性能參數應包括，額定工作壓力（kPa或m）、額定流量（m3/h）、流態指數x、流量系數k（或流量與壓力關系公式）和制造偏差系數Cv，以及適用工作壓力范圍。對于滴灌管（帶）還需包括滴灌管（帶）直徑（mm）、正常使用壓力和最大承壓能力。但是，目前許多制造商尚未能提供使用所需的全部技術參數，這無疑會影響用戶對灌水器的正確使用。表7-8為部分滴灌灌水器技術參數供使用參考。

四、小管出流器

小管出流器是小管出流灌溉系統的關鍵部件。它是利用穩流器與小管組合，將來自輸配水管網的壓力水流變成細流狀，實施小管出流灌溉的灌水器。小管出流灌溉系統基本組成見圖7-26，小管出流器工作的情形見圖7-27。

（一）小管出流器的組成

小管出流器由穩流器和4PE小管兩部分組成，見圖7-28。

（二）穩流器

1.結構

穩流器是一種小型的壓力補償器，其作用是保持在一定壓力范圍內小管出流器流量基本恒定。穩流器的基本結構與壓力補償型滴頭相似，常用幾種穩流器外形見圖7-29。

2.主要技術指標和參數

穩流器的主要技術指標和參數與壓力補償滴頭相同，參見本節“三”之“（二）”。

（三）小管出流器流量與壓力關系

小管出流器流量與工作壓力的關系與其他微灌灌水器一樣，可用式（7-7）表示。但是，因為小管出流器是由PE塑料小管兩部分組成，其水力學特性是小管和穩流器水力學的綜合。

1.小管流量與壓力關系

小管作為小管出流器的組成部分，經試驗比較，認為一般情況采用4PE塑料小管最合適。根據實驗，4PE塑料小管流量與壓力關系可用式（7-11）表示：

2.小管出流器流量與工作壓力的關系

目前，國內廠商提出的穩流器流量與工作壓力關系資料都是在大氣出流條件下獲得的。然而，穩流器與小管組成的小管出流器工作時，壓力灌溉水由毛管通過穩流器進入小管為有壓出流。因此，小管出流器流量與工作水頭的關系不能直接采用廠商提交的穩流器流量與壓力關系式，必須加以修正。

當確定小管長度時，就可按式（7-11）計算小管水頭損失hf。由灌水器流量與水頭關系式（7-7）得小管出流器流量與水頭關系式：

當流量小于30L/h，小管長度小0.5m時，小管產生的水頭損失很小，可忽略，則可根據穩流器流量系數和流態指數按式（7-7）直接計算小管出流器流量。

五、微噴頭

（一）常用微噴頭類型

1.折射式

折射式微噴頭主要由噴嘴、折射錐、支架三部分組成。壓力水流經由噴嘴射出，沖擊折射錐，被擊成水膜，向四周噴灑，形成水滴狀濕潤土壤。折射式微噴頭的基本結構型式見圖7-30。這類微噴頭具有結構簡單、沒有運動部件、工作可靠、價格低的優點，但射程較小。

2.射流旋轉式

射流旋轉式微噴頭主要由旋轉折射臂、噴嘴和支架組成。壓力水流經噴體，由噴嘴成束射出，沖擊折射臂，水流逼使折射臂旋轉的同時，受到折射臂的反作用力，以一定的仰角向外噴灑。圖7-31是這類微噴頭的幾種結構形式。其具有濕潤半徑較大、噴灑強度較低的優點，但運動部件要求制造精度高、易磨損，影響使用壽命。

為了適應不同場合使用的需要，微噴頭除非壓力補償功能［見圖7-30和圖7-31（a）、（b）］和具有壓力補償功能［見圖7-31（c）］之分外，有的還具有防滴漏功能，以適用于溫室懸吊使用。常用微噴頭結構外狀、安裝方式和應用情形見圖7-32～圖7-36。

（二）主要技術指標和參數

根據《農業灌溉設備　非旋轉式噴頭技術要求和試驗方法》（GB/T　18687—2002）及《旋轉式噴頭試驗方法》（GB　6570.3）的規定，確定的微噴頭主要技術指標如表7-9。

制造商向用戶提供的微噴頭技術參數一般應包括額定工作壓力（kPa或m）、額定流量（m3/h）、額定工作壓力下的射程、流量與壓力關系公式（或流態指數x和流量系數k）、制造偏差系數Cv。幾種微噴頭技術性能參數見表7-10。