基于正交试验法下对喷灌均匀性影响因子的综合分析

唐玉婷，杨盛翔，杨进平，郭依剑，袁寿其*

(1． 江苏大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212013； 2. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

喷灌在节水灌溉中占据着相当重要的地位,同时，应用水肥一体化技术能达到节水节肥和提高农业生产效率的目标[1-2].但是，目前评价水肥一体化技术效益的指标不足，主要集中在水均匀性层面，缺少对肥液的均匀性评价，以及其与喷头高度、喷头车行走速度、施肥浓度等因素的相关性及综合性研究.

喷灌均匀度是衡量喷洒区域内水量分布均匀程度的指标，是评价喷灌系统性能的重要参数[3].TANG等[4]研究发现施肥浓度对灌水均匀性的影响较小，但对施肥均匀性影响显著.PEI等[5]发现在灌溉初始阶段，滴灌灌水器流量差异率及灌水均匀性存在5%的波动.ZHU等[6]对喷头安装高度、安装间距、喷嘴直径、运行速度进行正交试验，提出了对喷灌均匀性的影响因子排序.张文平等[7]建立了考虑肥液浓度变化的土壤水力特性参数估算式，为水肥管理提供了依据.

施肥浓度对肥液均匀系数的影响较小，而对肥液分布均匀系数以及施肥量分布均匀系数影响很大[8-10].赵常[11]进行了卷盘式喷灌机喷头肥液浓度一致性试验，通过计算，肥液浓度的变异系数为1.8%，反映混肥效果较好.喷灌机灌水质量与喷头安装高度有关[12-13].万景红等[14]通过研究发现行止速度比喷灌分布均匀性影响小，但是对喷灌强度具有显著性影响.

轻小型平移式喷灌机组由于施肥浓度、喷灌高度和行走速度影响肥液灌溉均匀性程度不同，存在一组最佳施肥灌溉性能水平组合.

因此，文中对轻小型平移式喷灌机组的喷灌性能，利用正交试验方法进行试验；之后利用极差分析以及SPSS进行方差分析的方法，得到施肥浓度、喷灌高度和行走速度对轻小型平移式喷灌机组喷灌性能CU和DU的影响因子，以及最优灌溉技术下的水平组合.

1 试验材料与方法

1.1 试验设备

水肥一体化水力性能影响试验于江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心圆形喷灌实验大厅实验室进行，环境温度为15～20 ℃，湿度为70%～80%,每组试验平均风速均小于1.5 m/s，蒸发损失可忽略不计.试验以江苏大学自行研制的轻小型平移式喷灌机组为研究对象，试验系统主要由平移式喷灌机组喷头车、比例施肥泵、卷盘驱动机等组成.试验系统如图1所示，喷头车结构如图2所示.

图1 轻小型平移式喷灌机组系统Fig.1 System of light and small translational sprinkler irrigation unit

图2 喷头车结构Fig.2 Structural drawing of sprinkler truck

试验所用肥料为氯化钾，配制肥料用水为生活自来水.测量仪器包括电磁流量计、雨量筒(口径为20 cm)和电导率仪等.选用低压折射型喷头(Nelson D3000喷头)，蓝色喷盘(36流道)、喷嘴为46#型喷嘴，喷头工作压力设为0.25 MPa，组合喷头间距为3 m，共3个喷头.动力设备采用水涡轮驱动，速比为40.采用法国多寿公司(DOSATRON)生产的比例施肥泵注肥，型号为D8R，施肥比例为0.2%～2.0%，施肥泵进出口压力均设置为0.22 MPa.肥液浓度采用量程为0～9 999 μS/cm、精密等级为±2%的电导率仪测量.喷头处精密压力表精度等级为0.4级.电磁流量计精度为0.5级.收集肥液的雨量筒沿以喷头为中心同一水平面上径线布置，试验中设置雨量筒间距为0.4 m.比例施肥泵进出口处安装有耐震压力表，避免比例施肥泵正常工作时震动带来的读数不稳定情况.

1.2 试验设计

文中主要研究施肥浓度、喷头安装高度以及喷头车行走速度对轻小型平移式喷灌机组水肥一体化的肥液浓度均匀度(CU1)、肥液浓度分布均匀度(DU1)以及肥液质量均匀度(CU2)及肥液质量分布均匀度(DU2)的影响.选取施肥质量浓度FC、喷头安装高度h、喷头车行走速度v3个参数为试验因素，选用L9(33)三因素三水平设计正交试验，见表1.

表1 喷灌作业参数因素水平表Tab.1 Level table of sprinkler irrigation parameters

本试验采用调整比例施肥泵吸肥比例的方法调节比例施肥泵施肥浓度.肥液桶中配置的肥液质量浓度为50 g/L,计算比例施肥泵混肥浓度为

Cout=Ck，

(1)

式中：Cout为比例施肥泵混肥质量浓度；C为母液质量浓度；k为比例施肥泵吸肥比例.

由涂琴等[8]研究施肥浓度对喷灌施肥均匀性的影响规律，得到在吸肥比例为1.2%的情况下，母液质量浓度在35 g/L时，肥液和肥液量均匀性最高.此项研究为文中试验设置施肥参数提供了理论依据.试验设置施肥质量浓度3个水平分别为0.4，0.6，0.8 g/L，分别对应的吸肥比例为0.8%，1.2%，1.6%.在给定压力下，通过改变灌水流量从而改变喷灌机的行走速度.结合经验，轻小型平移式喷灌机行走速度常设置在10～60 m/h，故试验设置喷灌机行走速度的3个水平分别为15，30，40 m/h.田坤[15]研究得到轻小型平移式喷灌机组在喷头组合间距为3 m，安装高度为1 m的试验条件下，组合均匀性系数较高，且运行稳定、波动小，这为试验喷头安装高度水平的设置提供了依据.试验设置喷头安装高度分别为1.1，1.2，1.3 m 3个水平.将以上3个影响因素设计成正交试验，共9种工况，每种工况下做3次重复试验，减小试验数据误差.

为了避免机器运行不稳定造成的系统误差，试验前清水喷洒5 min.每次试验结束后继续清水喷灌5 min，清洗管道，以免残余肥液对后面试验数据造成影响.试验数据记录各个测点处的肥液质量、肥液电导率.

M=Qt=nqt，

(2)

式中：M为喷洒水总量，m3；Q为喷灌机总出水流量，m3/h；t为喷灌机工作运行时间，h；n为喷头个数；q为单喷头流量，m3/h.

轻小型平移式喷灌机喷洒面积为

S=SLvt，

(3)

式中：S为喷灌面积，m2；SL为喷灌机喷幅，m；v为喷灌机行走速度，m/h.

轻小型平移式喷灌机组平均灌水量为

(4)

式中：I为喷灌机平均灌水量，mm.

1.3 喷灌施肥均匀性评价指标

考虑到肥液浓度较低时的肥液密度近似于水的密度，使用电子秤称量结果比读取肥液高度的方式更加精确，试验选用评价肥液质量灌溉均匀度.

采用Christiansen计算法[16]计算肥液浓度均匀度(CU1)和肥液质量均匀度(CU2)，计算公式为

(5)

肥液浓度分布均匀度(DU1)和肥液质量分布均匀度(DU2)计算式为

(6)

2 结果及讨论

2.1 试验结果及数据处理

肥液电导率与浓度的线性关系经验公式[8]为

y=1 651x+447.6，

(7)

式中：y为电导率EC值；x为雨量筒中肥液质量浓度值.

通过计算得到正交试验结果见表2.

表2 正交试验结果Tab.2 Results of orthogonal test

2.2 径向肥液分布情况

2.2.1 径向肥液质量分布

在喷头工作压力为0.25 MPa，比例施肥泵进出口压力为0.22 MPa时进行正交试验，共9次.每次试验工况下Nelson D3000喷头径向肥液质量m分布如图3所示，图中a为测点位置.

图3 径向肥液质量分布的影响Fig.3 Effect of radial direction on mass distribution of fertilizer solution

由图3可知，在第6组和第8组的试验工况下，径向各测点处的肥液质量分布波动较大.径向肥液质量分布整体上呈下降趋势，而在中心区域，由于水量的叠加导致肥液质量增加，在1～2 m测点处出现峰值.

造成各个测点处肥液质量有差距的主要原因是Nelson D3000喷头(锯齿状喷盘)组合喷洒时喷头射流的影响剧烈，水量分布集中点的位置因射流轨迹的变化而产生偏移[17].第1、第6和第8组合试验工况下，速度均为15 m/s，径向肥液质量分布呈现较大波动，分别为73.105%，71.024%和74.515%，造成这一现象的主要原因是通过调节小流量实现较低的运行速度，在相同的喷头压力作用下，水滴粒径较小，主要集中在中间处.

2.2.2 径向肥液浓度分布

基于正交试验由电导率与肥液浓度之间的拟合关系式(7)，作出不同试验工况下径向肥液质量浓度ρ分布，如图4所示.

图4 径向肥液浓度分布的影响Fig.4 Influence of radial fertilizer concentration distribution

TANG等[4]研究表明滴灌施肥均匀性随着施肥浓度增加而降低，由于肥液黏度的影响，会加剧肥液质量浓度在输送管道中的流动损失.由图4分析，在不同试验工况下，径向肥液浓度小范围波动，均值稳定在各组试验的施肥浓度.施肥质量浓度为0.8 g/L时，径向肥液质量浓度分布曲线波动最大，最高值达到0.91 g/L，最小值达到0.72 g/L.施肥质量浓度为0.6 g/L时，曲线趋于平稳，径向肥液分布均匀性达到最佳.

2.3 正交试验分析

采用极差分析方法进行分析，可以较为直观地比较出试验的主次因素，并通过简单对比找出最优水平组合.对于指标CU1，DU1,CU2和DU2，最优水平组合分别为A1B2C1，A1B2C3，A1B2C2，A1B2C2，此即为按照单指标分析的结果得到了4个较好的组合.这样，3个指标分析出的“好条件”有些差异，需进行综合平衡.A1和B2对4个指标都是好条件，比较一致；C2对指标CU2及DU2是好条件，只对CU1和DU1稍差，考虑到C并非CU1及DU1的最主要因素，故选择C2.综合考虑4个指标，A1B2C2为试验理论最佳水平组合.

但这种因素对试验是否显著需要依靠方差分析方法进行分析.基于SPSS数据处理系统计算各个参数对4个指标的显著性系数，见表3和表4.

表3 各参数与肥液浓度均匀性、肥液浓度分布均匀度影响的显著性系数

对表3中3个参数与CU1的显著性分析，喷灌高度影响因子的显著性为0.029，小于0.05，对CU1的影响具有统计学意义；施肥浓度和行走速度对CU1的影响不具有统计学意义.分析3个参数与DU1影响的显著性，得到喷灌高度对DU1影响在置信度为0.05情况下具有统计学意义，但影响较小.在进行水肥一体化喷灌作业时，可以通过调整合适的喷灌高度以改善肥液浓度低值区的情况.

表4 各参数与肥液质量均匀性、肥液质量分布均匀度影响的显著性系数

由表4可知，喷灌高度和行走速度对CU2的影响具有统计学意义，P值分别达到了0.042和0.020.施肥浓度对CU2的影响不具有统计学意义.喷头安装高度对肥液质量分布均匀度的影响与张以升等[18]研究关于不同安装高度时的单喷头水量分布结果相同，喷头安装高度决定了水珠在空中的扩散情况，从而影响雨量筒实际接收水量的分布情况.在试验设置的工况参数范围内，施肥浓度、喷灌高度和行走速度对DU2的影响可以忽略不计.

3 结 论

设计正交试验，分析施肥浓度、喷灌高度和喷头车行走速度对喷灌施肥均匀度影响的主次顺序及评价出最优水平组合，选取肥液浓度均匀度CU1、肥液浓度分布均匀度DU1、肥液质量均匀度CU2和肥液质量分布均匀度DU24个评价指标.得到以下主要结论.

1) 影响肥液浓度均匀度CU1以及肥液浓度分布均匀度DU1的最主要影响因素均为喷灌高度，显著性分别为0.029和0.043.

2) 影响肥液质量均匀度CU2的主要影响因素是喷灌高度和行走速度，施肥浓度对指标肥液质量均匀度CU2的影响不具有统计学意义.

3) 对于4个指标最优施肥技术水平组合为A1B2C2，即施肥质量浓度为0.4 g/L、喷灌高度为1.2 m、行走速度为30 m/h.