轻小型喷灌机组评价指标及评价方法现状

包振琪，朱宝文，徐雨竹，汤 攀

(1.江苏省兴化市水务局，江苏 泰州 225700；2.江苏大学流体机械及工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

我国人均水资源占有量远低于世界平均水平，农业用水量在全国总供水量所占比例较大，为了满足我国13.5亿人口的粮食需求，节水灌溉是促进农业发展和粮食增产的主要途径之一[1]。喷灌技术作为高效的节水灌溉技术之一，为解决全世界的粮食问题及农业水资源的节约起到了关键性的作用，在我国应用越来越广泛。轻小型喷灌机组由于具有轻巧灵活、便于移动、喷灌面积可大可小、适用于水源小而分散的丘陵山区及小型地块、一次性投资少、操作简单、保管维护方便、节省劳动力、保持水土、提高产量和适用性强等优点而得到广泛应用。

1 轻小型喷灌机组形式

根据配套喷头形式及数量的不同，轻小型移动式喷灌机组主要有四类：手持喷枪式(或无喷枪)轻小型喷灌机、单喷头轻小型喷灌机组、多喷头轻小型喷灌机组和软管固定(半固定)多喷轻小型喷灌机组。

(1)手持喷枪式(或无喷枪)轻小型喷灌机。该机组形式由动力机泵、进出水管路组成，喷洒器为手持喷枪或者直接手持末端管道进行浇灌，它不要求雾化指标，因此系统压力较低。并能在干地后浇灌，移动方便，适于经济条件较落后地区应急抗旱时使用，但喷灌均匀性较差[2]。

(2)单喷头轻小型喷灌机组。一般选用40PY或50PY喷头。其特点为：系统压力高，喷头射程远，单喷头控制面积大，喷洒均匀性稍差，相对能耗较高，亩投资最省；操作简单，移动方便；因为是扇形喷洒，能保持在干地往后移动喷头支架。但该机组形式喷头喷洒反冲力及水滴打击强度均较大，对土壤入渗能力有一定要求，可以用于牧草灌溉[2]。该机型上世纪末应用较多，目前逐年减少。

(3)多喷头轻小型喷灌机组。该类型机组配套15PY、20PY、ZY-1、ZY-2系列喷头。它可以根据灌溉作物及地块面积的大小，选择不同工作压力、相应数量的喷头，因此机组的流量、扬程及功率等参数选择范围较大，机组用途拓展具有较大空间，喷灌均匀性比前面两种机型更高，能耗降低。

目前多喷头轻小型喷灌机组约占轻小型喷灌机组1/3的市场份额。苏南地区灌溉时，该机组形式一个喷灌周期内一般需要移动支管7～10次，每次移动时需将每节管道及喷头的连接全部拆开，移动几十米的距离后再重新连接。因此存在由于喷灌后地面泥泞所导致的搬移困难、劳动强度较大的缺点。

(4)软管固定(半固定)多喷轻小型喷灌机组。软管多喷轻小型喷灌机组是管道式喷灌的一种类型。系统中所有管道是固定的，但是干管、支管均铺设在地面，并且全部采用可拆卸的快速接头连接，灌溉季节结束后可以收存入库。管道一般采用涂塑软管，每条支管入口处设置了轮灌阀门，可实现分区轮灌作业。其配套动力一般为11～22 kW柴油机，喷灌面积可达16.67～20.00 hm2。该机型实际上是传统的“一字型”或“丰字型”灌溉布置形式向大型网状布置形式的一种拓展。它结合了固定式和移动式喷灌系统的优点，喷灌均匀，劳动强度较低，同时投资减少，操作简单方便，具有较好的应用前景。

2 轻小型喷灌机组评价指标

2.1 机组能耗

机组能耗是轻小型喷灌机组性能评价的重要指标。目前，对于大型灌区降低喷灌能耗的主要措施为根据各用户地理分布情况及用水需求对泵站各水泵的运行状况进行优化调节，美国、西班牙等国研究较多[3]。西班牙学者Rodriguez[3]等和Moreno[4]等对灌区管网的系统能耗分析表明，通过管道优化配置及合理运行可以使灌溉系统能耗降低10.2%，甚至27%。他们将灌溉单位面积的能耗费(ECSr)与提升单位体积水量的能耗费(ECVT)分别应用于灌区输水系统的能耗评价中。类似地，Chen D[5]等将能耗-效益比这一综合指标应用于溉节能改造工程的可行性评价中。但如运用于喷灌机组的优化中，根据作物灌溉及喷头选择的需要，水泵运行工况调节范围有限，且通过适当的管道配置达到一定的喷灌质量是系统设计的首要目的[6,7]。总体上，从喷灌系统考虑，比较详细地分析影响机组能耗的主要因素方面的研究甚少。

国内学者对灌溉机组能耗评价多采用试验测试的方式得到机组的功率，依据所测数据对备选灌溉方式的能耗进行分析对比。牛连和[8]等对两种配备潜水电泵和农用机井的喷灌系统的机组效率及耗电量进行测试，得出：在试验中同一地块，喷灌单方水的耗电量比畦灌高近1倍，当喷灌灌溉节水量达50%，喷灌与畦灌的能耗才能持平。也有部分学者对喷灌工程能源消耗、喷灌节能临界扬程等问题进行探讨，但研究对象的系统配置方式有限，改变相关参数对能耗降低的效果不够明显[9]。而且喷灌机组能耗评价指标不一，不利于不同喷灌机组形式机组节能效果的对比，为系统的进一步优化及节能降耗带来一定的困难。在我国能源问题日益紧张的局势下，采用合理的能耗评价指标，并研究喷灌机组的能耗影响因素，对优化机组配置、降低系统能耗、喷灌工程综合评价实施都有非常重要的理论和现实意义。

2.2 机组喷灌均匀性

喷灌均匀性反映喷灌质量的高低，是喷灌系统的重要考核指标。综观国内外喷灌均匀性影响因素方面的研究，可以大致分为喷头参数、管道布置方式、运行管理因素、自然环境因素和作物冠层的影响。通常所说的喷灌均匀性即指组合喷灌均匀性。其中喷头选择、管道布置、运行管理因素都与机组的配置方式有关，因而喷灌均匀性大小在喷灌机组优化配置中不容忽视。

DeBoer[10]发现大型喷灌机上低压喷头的喷洒均匀性对喷头间距较敏感，喷头间距加大时，均匀性变差。日本学者Fukui[11]得出当沿管道发现组合喷头的射流交叠区在单喷头射程的50%～70%之间时，喷头组合方式采用矩形比采用三角形的均匀性高，且工作压力变大时，获得最高均匀性所需的喷头间距需加大。巴西学者Soares[12]研究了地形坡度对喷灌均匀性的影响，随着坡度最大，均匀性下降，在任何坡度及喷头仰角情况下采用三角形的布置方式相对均能有助均匀性的提高。可见，管道布置方式及布置间距对喷灌均匀性都有影响。

目前大多数轻小型喷灌机组使用时各喷头未安装调压阀，此时由于室外条件地形坡度的存在及机组配置参数变化时管道沿程压力坡降的影响，组合喷洒各喷头的工作压力不完全一致，而计算中常假定组合喷洒各喷头工作压力相同，因此得到的组合喷洒均匀性会有一定误差，工作压力越低时误差越大。喷头工作压力及相邻喷头工作压力差的变化都会对喷洒均匀性产生影响，主要表现在：①改变单喷头喷洒图形。当压力过低时，水量集中在射程末端，使单喷头整个喷洒面水量呈环形分布[13]。Meteos[14]提出喷灌系统全局喷洒非均匀性7%～13.3%是由喷头间工作压力差异所致。Burt[15,16]也将喷头工作压力差列为影响人工拆移管道式喷灌系统均匀性的主要因素之一，因此提出喷头压力极差需控制在20%以内。②改变雨滴直径大小，影响抗风性能及漂移损失[17]。

风的影响也是田间喷灌时影响喷灌质量的重要因素。Hanson[18]对不同风速下大型喷灌机上配置的旋转挡板式喷头与滴灌带式喷洒器的进行喷洒均匀性试验，结果表明，当风速达到4.5 m/s时，旋转式喷头的均匀性下降，而滴灌带式喷洒器均匀性提高。Dukes[19]也做过类似研究，研究风速高达6.2 m/s。而Fukui提出当风速低于1 m/s时，风速引起的漂移损失对均匀性的影响可以忽略。Mateos[14]建议对于固定式喷灌系统，风速大于1.8～2 m/s时，风速的影响不能忽略。

从上面的研究结果可以看到，喷头工作压力差及室外环境因素对喷灌均匀性影响的系统研究较少，且从大型喷灌机及固定式喷灌系统的均匀性室外试验的结果来看，不同系统中，风向风速对喷灌均匀性的影响效果不完全一致；由于受喷头性能影响，达到合理均匀性所能允许的室外风速差异较大。因此，采用理论计算与田间试验验证的方法，研究室外试验条件下机组配置参数、管道布置情况及运行条件、环境因素等因素及其交互作用对喷灌系统洒均匀性的影响十分必要。

2.3 机组综合指标

能耗及均匀性是考察轻小型喷灌机组性能的主要指标。但对于喷灌系统而言，经济性及社会指标也是影响系统选择的因素之一。轻小型喷灌机组也是如此，目前这方面的研究较为欠缺。Grusse[20]等在灌溉系统的田间评价中将评价指标分为技术指标、经济指标、环境指标和农艺指标。Mateos[21]采用了包括均匀性和灌水效率在内的6个性能指标对滴灌、喷灌和渠灌3种灌水方式进行评价，对于具体的灌水方法这些评价指标会有一定的变化。Bekele[22]将这些指标用于小型灌溉系统的田间评价中。Ali[23]则给出了部分灌溉技术指标的影响因素及计算公式。李久生[24]指出，为了获得高于90%的喷灌均匀系数，系统能耗及投资将大幅增加。因此，喷灌系统各评价指标之间也是相互关联。经济和环境指标方面，Martinez[25]等分析了固定式喷灌系统中次级管网布置、间距、工作压力、平均喷灌强度和喷洒水利用系数等设计因素及运行参数对灌溉总费用的影响。Morankar[4]等则采用工作日法来衡量灌溉系统安装、运行中的用工量。

从上面分析可以看出，以往喷灌系统的评价研究中对灌溉均匀性、灌水效率等技术指标关注较多，综合评价方面的研究多集中于灌区层面[26-28]。考虑技术指标，以及经济、环境、社会等方面指标的轻小型喷灌机组综合评价研究很少。以用工量为例，它是轻小型喷灌机组区别与固定式喷灌系统的主要特点之一，固定式喷灌系统用工量度量中采用的工作日法难以满足其劳动力计量的需要。因此，急需适用于轻小型移动式喷灌机组的一套综合评价理论与方法。

喷灌机组系统成本、能耗、喷灌均匀性、用工量等评价指标的研究中，国内外学者一般是单独进行分析。满足一定喷灌均匀性时系统能耗、成本等其他因素的变化系统研究很少[29,30]。这些反映喷灌机组运行的综合性能状态称为系统的组态。目前这方面的研究较为欠缺，因此需要进行系统的研究，从而为机组的多目标优化配置提供参考。

3 轻小型喷灌机组综合评价方法

多年来，国内外学者提出的灌溉系统评价指标甚多，但很大一部分研究是在灌溉项目建成后进行，灌溉系统设计初期不同方案的评价、对比方面研究较少。水资源管理领域中常用的多指标综合评价方法(Multi-criteria Analysis，MCA)在灌溉系统、尤其是喷灌系统中应用较少。多指标综合评价方法主要包括层次分析法[31]、主成分分析法[32,33]和灰色关联法[34]等方法。通过这些方法能有效地从大量信息中得出多项选择中的最优方案。其中灰色关联法的应用日益广泛。

灰色关联理论的创立始于邓聚龙教授于1982年发表的论文《灰色系统控制》，此后灰色系统理论不断完善[35,36]。灰色关联法(Grey Relational Analysis，GRA)是系统决策方法之一，它是根据比较数列与参考数列所构成的曲线间的几何相似度，来判别数据系列之间的联系[37]。与传统的回归分析、方差分析等系统分析方法相比，灰色关联法对样本大小、概率分布规律等方面要求较低[37]。它可以对不完全的信息进行处理，各因素指标也不需要相互独立，因而应用较广[38]。灰色关联法在农业领域的应用中，多集中于灌溉管理决策及集雨灌溉规划方案优选，但在喷灌系统性能评价中应用甚少[39]。将灰色关联法应用于轻小型喷灌机组的多因素多目标评价中可以为喷灌机组的比选，及机组各项性能分析提供有效的工具。

4 结 语

(1)加强轻小型喷灌机组形式的设计和管道水力计算等方面的研究。

(2)采用合理的能耗评价指标，对优化机组配置、降低系统能耗和喷灌工程综合评价实施都有非常重要的理论和现实意义。

(3)研究室外试验条件下机组配置参数、管道布置情况及运行条件、环境因素等因素及其交互作用对喷灌系统洒均匀性的影响十分必要。

(4)研究出适用于轻小型移动式喷灌机组的一套综合评价理论与方法。

(5)将灰色关联法应用于轻小型喷灌机组的多因素多目标评价中可以为喷灌机组的比选和机组各项性能分析提供有效的工具。

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