基于梯形面积模型的农药喷洒有效覆盖面积计算方法

陈海军　赖敏清　赵伟杰　李浩　莫皓颖　户江民

摘要    由于现代化农业具备集成化、规模化、机械化发展特点，导致农药施放方式发生根本性变革。为了提高农药利用率、杀伤率，减少环境污染，本文根据药剂施放方式、喷洒直径、喷洒高度、时间、地表状况、气象条件等参数建立喷雾梯形动态扩散模型，该模型能够动态、实时地估算药剂有效覆盖纵深及区域，同时能根据单位面积害虫量估算出害虫死亡数量。

关键词    农药喷洒;动态扩散模型;面积估算;致死量估算

中图分类号    S43        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）24-0092-02                                                                                     開放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Due to the characteristics of integration，scale and mechanization of modern agriculture，fundamental changes have taken place in the way of pesticides application.In order to improve the utilization rate and the kill rate of pesticides，and reduce the environmental pollution，this paper established a spray trapezoidal dynamic diffusion model based on the parameters of drug application，spray diameter，spray height，time，surface condition and meteorological conditions etc.The model can estimate the effective coverage depth and area of the agent in a dynamic and real-time manner，and estimate the number of pest deaths based on the amount of pests per unit area.

Key words    pesticide spraying;dynamic diffusion model;area estimation;lethal dose estimation

农业生产关乎人类生存延续，农业为人们生活提供最基础的物质保障。农作物病虫害防治是农业生产最基础的农事活动[1]，现代农业对病虫害防治的最主要手段为施放化学药剂，以此阻断虫害。全球范围内每年约300万t化学药剂被施放用于农作物病虫害防治[2-3]，据metcalf仿真估测，由于药剂施放方式粗糙，传统农药施放仅有25%～50%能沉积在叶片上，仅不足喷洒总量的1%药剂能沉积在标靶虫害上，药剂总量的0.03%能够起到杀死虫害的作用[4]。

虽然我国目前已成为粮食生产大国，但农药使用尚处于世界落后水平。目前，我国药剂施放器具主要为手动背负器械，大部分采用喷雾喷洒，但抵达标靶的药剂较少，利用率低下[5]。现代农业的兴起，对传统农业产生了极大的影响。由于现代农业集成化、规模化种植，在广域环境下农药施放方式得到进一步发展，突出表现在利用可调摇臂喷头、可控角旋转喷头、农业植保机等方式对农作物进行施药除害[6]。喷洒出的药雾受喷洒高度、喷洒位置、气象条件[7-8]等影响较大，喷洒高度越高，喷洒覆盖面积越广;风速越大，扩散面积越宽，覆盖范围越广;温度越高，蒸发越快，药剂浓度越低，杀伤力越小[9-10]。本文在充分考虑喷洒高度、气象条件等因素的条件下，建立了梯形场面积扩散模型对覆盖面积进行估算，在此基础上针对药剂种类、浓度等因素估算虫害死亡量。

1    喷洒效果影响因素分析

本文将喷洒方式分为地面高压喷洒以及农业植保机喷洒2种，其中地面高压喷洒为地面点源方式，农业植保机喷洒为空中线源喷洒方式。

1.1    农药喷洒覆盖直径（d）

地面高压喷雾喷洒农药时，其覆盖区域形成直径为d的圆形，若同时具备多个喷洒龙头，则覆盖面积近似拟合为一个圆形区域;若为植保机喷洒，则药剂在空中形成一条长度l的药剂线。

1.2    喷洒高度（H）

喷洒高度是指喷雾距离植株的平均高度。高度<50 m不需要修正;高度>50 m则需要对风速进行修正。农业植保机喷洒时的飞行高度可以看作50～100 m。

1.3    气象条件

大气垂直稳定度是等温或逆温以及风速对喷雾扩散影响巨大。等温及中等风速时乃是施放农药的有利条件，药剂飘移距离大，药剂下风扩散距离远;若存在对流天气或风速>9 m/s，则不宜施放药剂;一般风速则较为适宜农药施放。温度对药剂飘移影响甚微，但温度升高会加剧药物蒸发，使药剂浓度下降。本文主要考虑风速和降水对喷雾扩散的影响。降水影响药剂浓度，考虑到降水因素的影响，可以根据降水情况用降水修正系数（w）进行修正。中等以下降水无须修正，中等以上降水需修正，且修正系数一般取w=0.2。风速影响到药剂扩散距离和药剂浓度。本文风速是指垂直于地面2 m处的风速。由于不同高度风速不同，为此引入风速校正因子（q）。50 m以下低空风速无需校正，50 m以上高空则需要结合风速校正因子进行校正。

2    建立梯形擴散模型

根据上述影响因素分析可知，喷雾在空气中因风速等原因会形成扩散，扩散方向与下风方向一致。由于受横风影响，长距离扩散将形成梯形场面积，基于此，建立如下面积扩散模型。从图1可以看出，地面高压喷雾喷洒出的药雾会随下风方向飘移，同时会向两边扩散最终形成梯形药剂覆盖面积，其中下风方向覆盖距离即下风方向漂移里程，下风覆盖最大宽度即横向扩散形成的最大里程。从图2可以看出，空中线源喷洒时，由于受横风及下风影响，同样会形成梯形扩散覆盖面积。

3    有效覆盖面积及虫害致死量计算

3.1    地面多点源有效覆盖面积计算

3.1.1    t时刻点源下风药剂覆盖纵深L（t）计算。由于覆盖纵深是时间t的函数，且纵深与风速、地形、喷洒半径成正比，其计算公式如下：

其中，S（t）表示有效覆盖面积，l表示线源的长度，α表示线源与风向的垂直方向的夹角，L（t）表示药剂覆盖纵深。

3.3    药剂覆盖区域内虫害死亡数量计算

药剂有效覆盖区内虫害死亡数量计算公式如下：

P（t）=ρ×S（t）×d×ρ×T（6）

其中，P（t）表示t时刻虫害死亡数量，ρ表示单位面积虫害密度，S（t）表示t时刻的药剂覆盖面积，d表示杀伤率，T表示综合校正因子。

4    结语

本文根据农药喷洒方式将其划分为地面点源、空中线源2种，并根据各自的扩散特点分别建立梯形场扩散模型，最终根据各自扩散模型分别给出了计算药剂有效覆盖面积以及药剂覆盖区内虫害致死量计算办法。本文对农业虫害药剂使用具有一定的指导意义，突出表现在能够大幅提高药剂使用效率、减少药剂用量、减少对环境污染方面。

5    参考文献

[1] 王昊凡.智能农药喷洒系统[J].中国新技术新产品，2017（2）：16-17.

[2] LARSEN S B，ALEKSANDER GIWERCMAN，MARCELLO SPAN？魹，et al.A longitudinal study of semen quality in pesticide spraying danish farmers[J].Reproductive Toxicology，1998，12（6）：581-589.

[3] LAW S E.Electrostatic pesticide spraying：concepts and practice[J].IEEE Transactions on Indu-stry Applications，1983，19（2）：160-168.

[4] TSAI M Y，KAI ELGETHUN，JAYA RAMAPRASAD，et al.The Washin-gton aerial spray drift study：modeling pesticide spray drift deposition from an aerial application[J].Atmospheric Environment，2005，39（33）：6194-6203.

[5] 朱祖武.无人机农药喷洒与人工作业的比较试验[J].农机化研究，2018，40（5）：264-268.

[6] 张忠喜.无人机农药喷洒系统喷雾特性及影响因素探究[J].石河子科技，2018，238（2）：12-14.

[7] WANG C L，HE X K，WANG X N，et al.Testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance for unmanned aerial vehicle[J].Tran-sactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2016，32（11）：54-61.

[8] 郭静，伍俊，陈广义.基于多无人机的智能农药喷洒控制系统[J].科技展望，2017，27（23）：103.

[9] XU L，RAN C，WANG W，et al.Development on small pesticide spraying machine with real-time mixing and remote-control spraying[J].Transact-ions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（10）：13-19.

[10] CILGI T， JEPSON P C.The use of tracers to estimate the exposure of beneficial insects to direct pesticide spraying in cereals[J].Annals of Ap-plied Biology，2010，121（2）：239-247.