平移式喷灌机组行走速率对喷灌均匀性影响

万景红，朱兴业，田 坤，鲍 亚

(江苏大学流体机械工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013)

中国水资源短缺，有效利用率低，在能源日益紧张的情况下，推广高效节水灌溉技术是现代农业发展的必然选择[1-3]，喷灌是目前是世界上广泛采用的一项节水灌溉技术，具有节约用水，节省劳力和适应性强等优点[4]。其中，喷灌均匀度和喷灌强度是评价喷灌质量好坏的重要标准。韩文霆[5]运用插值法研究了雨量筒取样间距对喷灌均匀度计算结果的影响规律；李小平[6]研究了喷灌系统水量分布均匀度问题，提出了“先径向插值，后弧向差值”的方法并编制了计算机程序。劳东青等人[7]开发出喷头水量分布仿真及组合优化软件系统，可快速得出基于给定喷头组合方式下的喷灌均匀度。此类研究多是对喷灌均匀度进行了分析， 而很少提到行走速度方面的相关问题。范永申[8]等对喷灌和软管两用机组水量分布特性进行了试验研究，计算了喷灌强度和均匀系数，得到了行走速率是影响水量分布均匀性的主要因素；曹华[9]等以轻小型喷灌机组为研究对象，研究了运行速率和灌水定额直接的关系，并对机组的局部水头损失和沿程水头损失进行了分析；张以升[10]通过理论分析研究了工作压力和行走速度的关系并对喷灌均匀度对土壤含水率均匀度的影响进行了分析，但是并没有对喷灌机的行走速率的合理取值以及喷灌机的运行速度与喷灌强度的关系给予实验分析。

本文以新型轻小型平移式喷灌机组为研究对象，采用Nelson D3000 蓝色折射式喷头(26号喷嘴)，在指定的工作压力下，通过改变喷灌机组的运行速率，得到运行速率对喷洒均匀性和喷灌强度的影响规律。分析喷灌机组运行速率的合理取值范围。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验以江苏大学国家水泵及系统工程研究中心自行研制的轻小型移动式喷灌机组为研究对象，喷灌机组主要由两个部分组成，洒水车和间歇式控制系统。该洒水车可以根据试验要求改变喷头安装间距以及安装高度，可以满足试验要求。轻小型喷灌机组如图1所示。

图1 轻小型喷灌机组Fig.1 Lightweight lateral move irrigation system

1.2 试验方法

试验在江苏大学国家水泵及系统工程研究中心无风室内喷灌试验室进行，平移式喷灌机组采用的喷头是Nelson D3000 折射式喷头，蓝色喷盘(36流道)，圆形喷嘴，喷嘴直径为5.14 mm(26号喷嘴)。除了上面所述的仪器还包括雨量筒、温度计、米尺、秒表、量筒等设备。

试验采用的喷头个数为3个，喷头安装间距3 m，喷头测试高度为1 m，试验工作压力为0.07 MPa。在喷灌机组行走方向上距喷头4 m处开始布置雨量筒(单喷头的喷洒半径约为3.7 m)，雨量筒高30 cm，直径20.5 cm，在行走方向上间距为0.5 m布置一个测量点，共2列。每间隔2.5 m加密布置一排测试点，共3排，每排雨量筒的布置间隔为0.4 m。机组试验布置图如图2所示。

图2 机组试验布置示意图Fig.2 Set test disposal schematic diagram

设置15%, 30%, 45%, 60%, 75%,90% 共6个机组的行、止速率比(行、止速率比指机组行走、停止的时间各占单位时间的比例)。以60 s为一周期，运行距离为15 m，15%行、止速率比时，机组行走9 s，然后定点喷洒51 s，如此循环下去，直至走完整个喷洒距离。完成喷洒后，用量筒测得各雨量筒中收集到的雨滴的体积，每一个行、止速率比都进行3组试验，分别在3天的不同时间进行。

1.3 喷灌均匀系数和喷灌强度计算

平移式喷灌机组水量根据GB/T19797-2005《中心支轴式和平移式喷灌机水量分布均匀度的测定》和JB/T 6280-2013《圆形(中心支轴式)和平移式喷灌机》[11,12]测量分布均匀系数和喷灌强度。采用克里斯琴森(Christiansen)公式计算喷灌均匀系数[13]。克里斯琴森公式为：

(1)

(2)

喷灌机喷灌强度计算公式为：

(3)

式中：ρi为平均喷灌强度，mm/h;pi代表点喷灌水深，mm/h；n代表相同面积的点数.

2 试验结果与分析

2.1 不同行、止速率比对喷灌均匀系数的影响

在0.07 MPa的工作压力下，利用excel表格分析行、止速率比与喷灌均匀系数的关系，如图3所示。

图3 行、止速率比与喷灌均匀系数的关系图Fig.3 Relationship between velocity and irrigation uniformity

从图3可以看出，喷灌均匀系数随着行、止速率比成正增长趋势，当行、止速率比为45%时，3组试验的喷灌均匀系数在85%左右，达到最大值，随后喷灌均匀系数和行、止速率比成负增长趋势。在15%的行、止速率比下，喷灌均匀性系数的最大值为84%，最小值为76%， 90%的行、止速率比下，喷灌均匀性系数的最大值为84%，最小值74%，3次试验得出的均匀性系数值有较大差距，说明组内喷灌均匀度变化幅度较大。从图3中可以看出喷灌均匀度在同一种处理中的3次重复中相差较大，原因可能是因为压力不稳定，或者机组再启动的瞬间喷头摇晃，喷洒状态不稳定导致的。

对行、止速率比和水量分布均匀系数进行方差分析，检验结果如表1所示，F值为1.49，进行F检验的P值为0.26，在置信度0.05的情况下，各水平的目标变量均值没有明显差异，即各行、止速率比对喷灌均匀系数没有显著影响。喷灌均匀系数差异不具有统计学意义。

表1 方差分析表Tab.1 Analysis of variance

2.2 不同行、止速率比对喷灌强度的影响

图4为行、止速率比和喷灌强度关系，由图4可知，随着行、止速率比的增大，喷灌强度呈波动状态，75%和90%运行速率比时喷灌强度趋于一致。30%行、止速率比时，最大喷灌强度为24 mm/h，最小喷灌强度为18 mm/h，喷灌强度变化幅度较大。15%行、止速率比时，三次试验的喷灌强度值相对其他行、止速率比较小，其中最大值为19，最小值为16，组内变化幅度不大。

图4 行、止速率比与喷灌强度的关系Fig.4 Relationship between velocity and irrigation efficiency

对行、止速率比和喷灌强度进行方差分析，如表2所示，F值为3.79，进行F值检验的P值为0.0273，喷灌强度差异在0.05置信度下具有统计学意义。说明行、止速率比对喷灌均匀性具有显著的影响.误差的平方和反应了组内差异，本方差分析中的偏差平方和为31.47. 即组内差异较大。

表2 方差分析表Tab.2 Analysis of variance

为进一步判断各行、止速率比的差异显著性，运用多重比较方法进行分析，差异显著性分析结果如表3所示：其中X1代表行、止速率比15%，X2代表行、止速率比30%，X3代表行、止速率比45%，X4代表行、止速率比60%，X5代表行、止速率比75%，X6代表行、止速率比90%。若平均差异列中的数据带有“*”，或者显著性(代表差异显著性水平)一列中的值<0.05，则两个水平具有显著性差异。从表3可以看出，15%的行、止速率比和其余各行、止速率比的显著性<0.05，且平均差异一栏的数值后带有“*”，具有显著性差异，即15%行、止速率比下的喷灌强度与其他行、止速率比下的喷灌强度有显著性差异。其他行、止速率比间没有显著性差异，不具有统计学意义。

表3 差异显著性分析Tab.3 Analysis of difference significance

3 试验结论

(1)行、止速率比对喷灌均匀度没有显著性影响，在45%行、止速率比的情况下，喷灌均匀性系数最高，达到87%，完全符合平移式喷灌机喷灌均匀性设定要求。

(2)行、止速率比对喷灌强度具有显著影响，15%行、止速率比下的喷灌强度和其余行、止速率比下的喷灌强度有明显差异，随着行、止速率比的增大，喷灌强度呈波动趋势，在45%之后波动幅度较小，喷灌强度趋于一致。

[1] 史少培，谢崇宝，高 虹，等． 喷灌技术发展历程及设备存在问题的探讨[J]．节水灌溉，2013,(11):78-81．

[2] 李宗礼，赵文举，孙 伟，等． 喷灌技术在北方缺水地区的应用前景[J]．农业工程学报，2012，28(6):1-6．

[3] 谭 诚，兰才有，蔡振华． 国内外节水灌溉发展趋势探讨[J]．农业机械，2008,(9):44-45．

[4] 李英能．对我国喷灌技术发展若干问题的探讨[J]．节水灌溉，2000，(1)：1-3．

[5] 韩文霆，崔利华，吴普特，等. 正三角形组合喷灌均匀度计算方法[J].农业机械学报，2013，44(4)：99-107.

[6] 李小平． 喷灌系统水量分布均匀度研究[D]． 武汉: 武汉大学水利水电学院， 2005.

[7] 劳东青，韩文霆， 喷头水量分布仿真及组合优化软件系统研究[J]. 排灌机械，2010,(1)：42-46.

[8] 范永申，黄修桥，仵 峰，等. 喷灌和软管灌溉两用机组水量分布特性与试验[J]. 农业机械学报，2009，44(11)：74-77.

[9] 曹 华，郭凤台，范永申，等. 轻小型喷灌机组的运行速率与压力水头损失[J]. 排灌机械工程学报，2016，34(2)：179-184.

[10] 张以升，朱德兰，张 林，等. 平移式喷灌机行走速度及喷灌均匀度试验研究[J]. 排灌机械工程学报. 2014，32(7)：625-630.

[11] GB/T 19797-2005，农业灌溉设备中心支轴式和平移式喷灌机水量分布均匀度的测定[S]．

[12] JB/T 6280-2013，圆形( 中心支轴式) 和平移式喷灌机[S].

[13] Christiansen J E. Irrigation by sprinkling [R]. California Agricultural experiment station bull. California University, Berkeley,1942.