第二节　微灌灌水器

一、灌水器水力学

（一）水力学分析

有压灌溉水由输配水管道进入灌水器，经过灌水器流道，然后从灌水器出口以不同的出流状态进入大气，落到植物附近地面湿润土壤，对于地下滴灌和渗灌则水流由灌水器出流直接湿润土壤。在这一过程中产生的能量损失包括沿程摩擦损失和局部损失，可以示成：

如果将流速表示成流量，则式（7-5）变为：

式（7-6）可以作如下分析：

（1）流道长度越大，直径越小，流经灌水器水流的能量损失越大，且直径变化对能量损失的影响远大于长度变化的影响。当灌水器流道长度较大，沿程摩擦能量损失占总能量损失主要比例时，属长流道型灌水器；当流道长度很短，局部阻力能量损失占总能量损失主要部分时，属孔口型灌水器。

（2）灌水器进口处的压力（水头）称为灌水器工作压力（水头），一部分消耗于灌水器摩阻能量损失，一部分转化成流速水头。在灌水器工作压力一定的条件下，为了获得小的流量，灌水器必须有较长的流道和较小直径。然而，小直径流道将很容易被水流挟带的泥沙和其他污物堵塞。实验表明，当灌水器流道直径小于1.0mm时，很容易被堵塞，而微灌技术要求灌水器应具有小的流量和强的抗堵能力，这就使“小流量与大流道”之间成为一对矛盾。实践上，为了获得小的流量，并保持较大的流道直径，不得不采用加工难度较大的迷宫型流道和（或）较长的流道，以协调小流量与大流道之间的矛盾。

（二）流量与工作压力的关系

灌水器流量与工作压力的关系可通过测试确定。因为测试很难将流道沿程能量损失和局部能量损失分开，故将流量与工作压力的关系按式（7-7）计算。

流态指数x是灌水器水力性能一个非常重要的参数，它表征水流状态。可以对x值作粗略划分，当x＜0.5时，水流处于紊流状态，灌水器具有补偿性能；x＞0.5时，水流处于层流和过渡状态。x值越小，灌水器流量随工作压力的变化越小，出流越稳定。灌水器流态指数x值对灌水器流量与工作压力关系曲线见图7-8。

在使用上，一般根据灌水器的x值大小将灌水器划分成非压力补偿灌水器和压力补偿灌水器两类，但当x≤0.3时，才被认定为是压力补偿灌水器。

（三）灌水器流道结构及其对水力性能的影响流道是灌水器的核心。流道结构是否先进合理决定着灌水器水力性能的优劣。所谓灌水器结构设计，实质上就是流道设计。为了适应不同条件的需要，国内外微灌灌水器采用了各式各样结构的流道，可归纳成光滑型流道、迷宫型流道和压力补偿型流道三种类型。

1.光滑型流道

光滑型流道类似于一条细长管，我国引进滴灌技术初期使用一种1.2PE塑料管插接于毛管管壁内，称为“微管滴头”的灌水器，就是一种典型的光滑型流道滴头，继而研制出一种“螺纹滴头”，也是光滑型流道滴头。两种光滑流道滴头结构外形见图7-9。

光滑型流道有下列特点：

（1）通过流道水流的摩阻能量损失主要产生于沿程摩擦损失。

（2）流道长度较大，或断面较大，或两者兼有。

（3）流速受进口压力和温度变化的影响较为敏感，出流量不稳定。

（4）抗堵能力弱。

这类滴头制造工艺简单，价格低，在滴灌技术发展初期曾经发挥过一定作用，目前已基本被后述两种流道滴头取代。

2.迷宫型流道

迷宫型流道是一种折线流道，水在流动过程中急转弯改变流线方向，水流质点相互碰撞，形成旋涡，为紊流状态，提高了灌水器流量的稳定性。典型迷宫流道有锯齿形和梯形两种形式。两种典型迷宫流道的基本结构见图7-10，实际滴头迷宫型流道的结构多种多样。

迷宫型流道是光滑型流道的改进，它较好克服了微灌追求“小流量与大流道”之间的矛盾，具有下列特点：

（1）水流的摩阻能量损失主要产生于流线拐弯水流质点相互撞击能量损失。

（2）流道长度较小，或过水断面较大，或两者兼有。

（3）流速对进口压力和温度变化的影响较不敏感，流量比较稳定。

（4）较强的抗堵能力。

有实验发现，有的迷宫流道在拐角处出现局部沉积沙粒现象，需引起滴头制造者注意，加以避免。

3.压力补偿型流道

一种可以改变流道过水断面尺寸的流道。这类流道的结构是在迷宫型流道的进口或上面安装一块弹性膜片，当灌水器工作压力变化时，弹性膜片随压力大小变形，逼使流道过水断面尺寸作相应变化，使流量基本保持恒定，即压力增大时，流道过水断面缩小，反之亦然。一种压力补偿流道结构见图7-11。

压力补偿型流道的最主要特点是出流量基本不受工作压力变化的影响，使用的工作压力范围大。

流道结构对灌水器水力性能的影响见图7-12和图7-13，可以看出压力补偿结构流道的灌水器在工作压力范围内流量稳定，而非压力补结构流道灌水器流量对压力变化敏感。

4.自清洗流道

一种具有自我清洗功能的压力补偿流道，在正常工作时具有保持流量稳定的压力补偿功能，当流道内泥沙和其他污物积累到影响正常出流时，弹性膜片自动变形，增大出口，瞬时排出泥沙和污物。这种流道具有很强的抗堵功能，自清洗流道结构原理见图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，灌水器的流量与流道（或孔口）直径反比大于4次方，如果相同型号灌水器的流道（或孔口）直径有少许偏差，就会使各个灌水器流量有明显差异，造成对田间灌水均匀度明显影响。

因为微灌灌水器一般是塑料制品，其流道（或孔口）直径（宽度）一般只有0.8～1.5mm，要直接测量其误差是有困难的。实用上利用额定工作压力条件下，灌水器流量偏差系数作为评价灌水器制造精度的指标。

灌水器制造偏差系数计算公式为：

Cv是表征灌水器制造精度的重要技术指标，国际上一般认为Cv≤0.07为合格产品，Cv≤0.03为优质产品，Cv在0.12以上的为废品。现代工业为滴头提供精良制造技术，国际上一些高水平制造商生产的滴头已达到相当高的制造精度，其偏差系数见表7-6。

我国对滴头制造精度标准作了明确规定；A类Cv≤0.05；B类Cv≤0.10　。

三、滴头与滴灌管（带）

（一）基本类型

可以从不同的角度对滴头进行分类，我们认为按安装方式划分是滴头分类的基本方法，以下按安装方式将滴头划分成五种基本类型。

1.管上式滴头

图7-15是一种插装于毛管上管的滴头，称为管上式滴头。这这类滴头结构特点是流道十分短，工作压力主要消耗于进出水口局部损失，属于孔口型滴头。这类滴头有非压力补偿和压力补偿两种结构。图7-15是一种管上式滴头的结构外形，图7-16是它的结构图，主要由滴头底座和顶盖两部分组成。在顶盖进口装一小片圆形弹性膜片（一般为硅胶片）就成为具有压力补功能的滴头。

弹性膜片的作用是将滴头流道分隔成上下两小区，弹性膜片下侧流道区过水断面比上侧流道进口过水断面大得多，水流由毛管进入滴头流经下侧流道区，然后进到上侧流道，最后从滴头出水口流出。当滴头工作压力增大时，因为弹性片下侧流速比上侧流速小得多，压力大于上侧，逼使弹性膜片变形，凸向顶盖流道进口，减小其过水断面，使流量保持稳定；反之，当滴头工作压力减小时，弹性膜片变形减小，顶盖流道进口过水断面增大，保持流量基本不变。滴头流道过水断面尺寸和弹性膜片的厚度及其弹性是影响滴头流量的补偿性能的主要因素。因此，选择高质量弹性膜片非常重要。

这类滴头在田间使用灵活，可以根据需要，将滴头安装在植物附近供水最有效的位置。对于宽间距的高大植物，如乔木等使用这类滴头具有明显优势，尤其是适合地形复杂的滴灌系统使用，但人工安装费工费时，且易脱落，在有条件的地方可在制造厂按要求间距在毛管上先装好滴头，运到田间安装，以提高工效。

2.箭形滴头

一种制成箭状的滴头，简称为滴箭。图7-18是几种滴箭的结构形式，上部是刻有流道的滴头，下部制成尖端菱形的插棒，使用时上部插进PE塑料微管与供水管连接，下部插进土壤，以小流量直接湿润土壤。这类滴头结构简单，使用灵活，价格低，非常适用于宽行距植物尤其是盆栽植物。图7-18和图7-19是一种滴箭形状及组装图，图7-20是滴箭用于盆栽花卉的情形。

3.管间式滴头

图7-21是一种管间式滴头，滴头两端与毛管连接。这类滴头流道较长，属于长流道型滴头。它既有滴水功能，又有通水功能。这类滴头可根据田间植物株行距实地安装，使用灵活，适用于宽间距植物，但搬动时容易脱开。

4.内镶式滴头与滴灌管（带）

按一定间距将滴头镶嵌在毛管内，与毛管结合成整体。毛管壁较厚，不通水无内压时呈管状的，称为滴灌管；毛管壁较薄，不通水无内压时呈扁平状的，称为滴灌带。这类滴头因流道结构不同，也有非补偿型和补偿型之分。这类灌水器克服管间式滴灌管搬动时易脱落的缺点，并提高了田间安装效率。按滴头的结构形式和镶嵌方法，可将内镶式滴头及其相应滴灌管（带）划分成以下三类。（1）片状滴头与贴片式滴灌管（带）。两种片状滴头及贴片式滴灌管的结构形状见图7-22。（2）管状滴头及滴灌管。一种绕外壁迷宫型流道的圆管形滴头，按一定间距镶嵌于毛管内。两种灌水器的两种结构形式见图7-23。

（3）条形薄片内贴滴头与滴灌带。一种贴于薄壁毛管内壁的长条形塑料薄片，两侧以一定间距制出细小进、出水口，与中间流道连通，组成滴灌带。因为这种滴灌带外壁沿滴头印有两条蓝线，故称之为滴灌“兰带”。滴灌带的结构形式见图7-24。

5.压边滴头及滴灌带

一种制造时以一定间距在毛管一侧压出迷宫形长流道滴头的滴灌带。这种滴头与滴灌带一次成型，制造工艺比较简单，价格低廉，是目前大田作物广泛使用的“一次性”滴灌带，称为单翼型滴灌带。图7-25是这种滴灌带的结构形状和滴灌带外形。

（二）主要技术指标和性能参数

根据《农业灌溉设备　滴头技术规范和试验方法》（GB/T　17187—1997）和《微灌灌水器—滴头》（SL/T　67.1—94）的规定，滴头主要技术指标见表7-7　。

根据实际使用的需要，制造商向用户提供的滴头技术性能参数应包括，额定工作压力（kPa或m）、额定流量（m3/h）、流态指数x、流量系数k（或流量与压力关系公式）和制造偏差系数Cv，以及适用工作压力范围。对于滴灌管（带）还需包括滴灌管（带）直径（mm）、正常使用压力和最大承压能力。但是，目前许多制造商尚未能提供使用所需的全部技术参数，这无疑会影响用户对灌水器的正确使用。表7-8为部分滴灌灌水器技术参数供使用参考。

四、小管出流器

小管出流器是小管出流灌溉系统的关键部件。它是利用稳流器与小管组合，将来自输配水管网的压力水流变成细流状，实施小管出流灌溉的灌水器。小管出流灌溉系统基本组成见图7-26，小管出流器工作的情形见图7-27。

（一）小管出流器的组成

小管出流器由稳流器和4PE小管两部分组成，见图7-28。

（二）稳流器

1.结构

稳流器是一种小型的压力补偿器，其作用是保持在一定压力范围内小管出流器流量基本恒定。稳流器的基本结构与压力补偿型滴头相似，常用几种稳流器外形见图7-29。

2.主要技术指标和参数

稳流器的主要技术指标和参数与压力补偿滴头相同，参见本节“三”之“（二）”。

（三）小管出流器流量与压力关系

小管出流器流量与工作压力的关系与其他微灌灌水器一样，可用式（7-7）表示。但是，因为小管出流器是由PE塑料小管两部分组成，其水力学特性是小管和稳流器水力学的综合。

1.小管流量与压力关系

小管作为小管出流器的组成部分，经试验比较，认为一般情况采用4PE塑料小管最合适。根据实验，4PE塑料小管流量与压力关系可用式（7-11）表示：

2.小管出流器流量与工作压力的关系

目前，国内厂商提出的稳流器流量与工作压力关系资料都是在大气出流条件下获得的。然而，稳流器与小管组成的小管出流器工作时，压力灌溉水由毛管通过稳流器进入小管为有压出流。因此，小管出流器流量与工作水头的关系不能直接采用厂商提交的稳流器流量与压力关系式，必须加以修正。

当确定小管长度时，就可按式（7-11）计算小管水头损失hf。由灌水器流量与水头关系式（7-7）得小管出流器流量与水头关系式：

当流量小于30L/h，小管长度小0.5m时，小管产生的水头损失很小，可忽略，则可根据稳流器流量系数和流态指数按式（7-7）直接计算小管出流器流量。

五、微喷头

（一）常用微喷头类型

1.折射式

折射式微喷头主要由喷嘴、折射锥、支架三部分组成。压力水流经由喷嘴射出，冲击折射锥，被击成水膜，向四周喷洒，形成水滴状湿润土壤。折射式微喷头的基本结构型式见图7-30。这类微喷头具有结构简单、没有运动部件、工作可靠、价格低的优点，但射程较小。

2.射流旋转式

射流旋转式微喷头主要由旋转折射臂、喷嘴和支架组成。压力水流经喷体，由喷嘴成束射出，冲击折射臂，水流逼使折射臂旋转的同时，受到折射臂的反作用力，以一定的仰角向外喷洒。图7-31是这类微喷头的几种结构形式。其具有湿润半径较大、喷洒强度较低的优点，但运动部件要求制造精度高、易磨损，影响使用寿命。

为了适应不同场合使用的需要，微喷头除非压力补偿功能［见图7-30和图7-31（a）、（b）］和具有压力补偿功能［见图7-31（c）］之分外，有的还具有防滴漏功能，以适用于温室悬吊使用。常用微喷头结构外状、安装方式和应用情形见图7-32～图7-36。

（二）主要技术指标和参数

根据《农业灌溉设备　非旋转式喷头技术要求和试验方法》（GB/T　18687—2002）及《旋转式喷头试验方法》（GB　6570.3）的规定，确定的微喷头主要技术指标如表7-9。

制造商向用户提供的微喷头技术参数一般应包括额定工作压力（kPa或m）、额定流量（m3/h）、额定工作压力下的射程、流量与压力关系公式（或流态指数x和流量系数k）、制造偏差系数Cv。几种微喷头技术性能参数见表7-10。