平移式噴灌機組行走速率對噴灌均勻性影響

萬景紅，朱興業(yè)，田 坤，鮑 亞

(江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

中國水資源短缺，有效利用率低，在能源日益緊張的情況下，推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇[1-3]，噴灌是目前是世界上廣泛采用的一項節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)約用水，節(jié)省勞力和適應(yīng)性強等優(yōu)點[4]。其中，噴灌均勻度和噴灌強度是評價噴灌質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準。韓文霆[5]運用插值法研究了雨量筒取樣間距對噴灌均勻度計算結(jié)果的影響規(guī)律；李小平[6]研究了噴灌系統(tǒng)水量分布均勻度問題，提出了“先徑向插值，后弧向差值”的方法并編制了計算機程序。勞東青等人[7]開發(fā)出噴頭水量分布仿真及組合優(yōu)化軟件系統(tǒng)，可快速得出基于給定噴頭組合方式下的噴灌均勻度。此類研究多是對噴灌均勻度進行了分析， 而很少提到行走速度方面的相關(guān)問題。范永申[8]等對噴灌和軟管兩用機組水量分布特性進行了試驗研究，計算了噴灌強度和均勻系數(shù)，得到了行走速率是影響水量分布均勻性的主要因素；曹華[9]等以輕小型噴灌機組為研究對象，研究了運行速率和灌水定額直接的關(guān)系，并對機組的局部水頭損失和沿程水頭損失進行了分析；張以升[10]通過理論分析研究了工作壓力和行走速度的關(guān)系并對噴灌均勻度對土壤含水率均勻度的影響進行了分析，但是并沒有對噴灌機的行走速率的合理取值以及噴灌機的運行速度與噴灌強度的關(guān)系給予實驗分析。

本文以新型輕小型平移式噴灌機組為研究對象，采用Nelson D3000 藍色折射式噴頭(26號噴嘴)，在指定的工作壓力下，通過改變噴灌機組的運行速率，得到運行速率對噴灑均勻性和噴灌強度的影響規(guī)律。分析噴灌機組運行速率的合理取值范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗以江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程研究中心自行研制的輕小型移動式噴灌機組為研究對象，噴灌機組主要由兩個部分組成，灑水車和間歇式控制系統(tǒng)。該灑水車可以根據(jù)試驗要求改變噴頭安裝間距以及安裝高度，可以滿足試驗要求。輕小型噴灌機組如圖1所示。

圖1 輕小型噴灌機組Fig.1 Lightweight lateral move irrigation system

1.2 試驗方法

試驗在江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程研究中心無風(fēng)室內(nèi)噴灌試驗室進行，平移式噴灌機組采用的噴頭是Nelson D3000 折射式噴頭，藍色噴盤(36流道)，圓形噴嘴，噴嘴直徑為5.14 mm(26號噴嘴)。除了上面所述的儀器還包括雨量筒、溫度計、米尺、秒表、量筒等設(shè)備。

試驗采用的噴頭個數(shù)為3個，噴頭安裝間距3 m，噴頭測試高度為1 m，試驗工作壓力為0.07 MPa。在噴灌機組行走方向上距噴頭4 m處開始布置雨量筒(單噴頭的噴灑半徑約為3.7 m)，雨量筒高30 cm，直徑20.5 cm，在行走方向上間距為0.5 m布置一個測量點，共2列。每間隔2.5 m加密布置一排測試點，共3排，每排雨量筒的布置間隔為0.4 m。機組試驗布置圖如圖2所示。

圖2 機組試驗布置示意圖Fig.2 Set test disposal schematic diagram

設(shè)置15%, 30%, 45%, 60%, 75%,90% 共6個機組的行、止速率比(行、止速率比指機組行走、停止的時間各占單位時間的比例)。以60 s為一周期，運行距離為15 m，15%行、止速率比時，機組行走9 s，然后定點噴灑51 s，如此循環(huán)下去，直至走完整個噴灑距離。完成噴灑后，用量筒測得各雨量筒中收集到的雨滴的體積，每一個行、止速率比都進行3組試驗，分別在3天的不同時間進行。

1.3 噴灌均勻系數(shù)和噴灌強度計算

平移式噴灌機組水量根據(jù)GB/T19797-2005《中心支軸式和平移式噴灌機水量分布均勻度的測定》和JB/T 6280-2013《圓形(中心支軸式)和平移式噴灌機》[11,12]測量分布均勻系數(shù)和噴灌強度。采用克里斯琴森(Christiansen)公式計算噴灌均勻系數(shù)[13]。克里斯琴森公式為：

(1)

(2)

噴灌機噴灌強度計算公式為：

(3)

式中：ρi為平均噴灌強度，mm/h;pi代表點噴灌水深，mm/h；n代表相同面積的點數(shù).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同行、止速率比對噴灌均勻系數(shù)的影響

在0.07 MPa的工作壓力下，利用excel表格分析行、止速率比與噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 行、止速率比與噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between velocity and irrigation uniformity

從圖3可以看出，噴灌均勻系數(shù)隨著行、止速率比成正增長趨勢，當(dāng)行、止速率比為45%時，3組試驗的噴灌均勻系數(shù)在85%左右，達到最大值，隨后噴灌均勻系數(shù)和行、止速率比成負增長趨勢。在15%的行、止速率比下，噴灌均勻性系數(shù)的最大值為84%，最小值為76%， 90%的行、止速率比下，噴灌均勻性系數(shù)的最大值為84%，最小值74%，3次試驗得出的均勻性系數(shù)值有較大差距，說明組內(nèi)噴灌均勻度變化幅度較大。從圖3中可以看出噴灌均勻度在同一種處理中的3次重復(fù)中相差較大，原因可能是因為壓力不穩(wěn)定，或者機組再啟動的瞬間噴頭搖晃，噴灑狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致的。

對行、止速率比和水量分布均勻系數(shù)進行方差分析，檢驗結(jié)果如表1所示，F(xiàn)值為1.49，進行F檢驗的P值為0.26，在置信度0.05的情況下，各水平的目標(biāo)變量均值沒有明顯差異，即各行、止速率比對噴灌均勻系數(shù)沒有顯著影響。噴灌均勻系數(shù)差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 方差分析表Tab.1 Analysis of variance

2.2 不同行、止速率比對噴灌強度的影響

圖4為行、止速率比和噴灌強度關(guān)系，由圖4可知，隨著行、止速率比的增大，噴灌強度呈波動狀態(tài)，75%和90%運行速率比時噴灌強度趨于一致。30%行、止速率比時，最大噴灌強度為24 mm/h，最小噴灌強度為18 mm/h，噴灌強度變化幅度較大。15%行、止速率比時，三次試驗的噴灌強度值相對其他行、止速率比較小，其中最大值為19，最小值為16，組內(nèi)變化幅度不大。

圖4 行、止速率比與噴灌強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between velocity and irrigation efficiency

對行、止速率比和噴灌強度進行方差分析，如表2所示，F(xiàn)值為3.79，進行F值檢驗的P值為0.0273，噴灌強度差異在0.05置信度下具有統(tǒng)計學(xué)意義。說明行、止速率比對噴灌均勻性具有顯著的影響.誤差的平方和反應(yīng)了組內(nèi)差異，本方差分析中的偏差平方和為31.47. 即組內(nèi)差異較大。

表2 方差分析表Tab.2 Analysis of variance

為進一步判斷各行、止速率比的差異顯著性，運用多重比較方法進行分析，差異顯著性分析結(jié)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%。若平均差異列中的數(shù)據(jù)帶有“*”，或者顯著性(代表差異顯著性水平)一列中的值<0.05，則兩個水平具有顯著性差異。從表3可以看出，15%的行、止速率比和其余各行、止速率比的顯著性<0.05，且平均差異一欄的數(shù)值后帶有“*”，具有顯著性差異，即15%行、止速率比下的噴灌強度與其他行、止速率比下的噴灌強度有顯著性差異。其他行、止速率比間沒有顯著性差異，不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表3 差異顯著性分析Tab.3 Analysis of difference significance

3 試驗結(jié)論

(1)行、止速率比對噴灌均勻度沒有顯著性影響，在45%行、止速率比的情況下，噴灌均勻性系數(shù)最高，達到87%，完全符合平移式噴灌機噴灌均勻性設(shè)定要求。

(2)行、止速率比對噴灌強度具有顯著影響，15%行、止速率比下的噴灌強度和其余行、止速率比下的噴灌強度有明顯差異，隨著行、止速率比的增大，噴灌強度呈波動趨勢，在45%之后波動幅度較小，噴灌強度趨于一致。

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[12] JB/T 6280-2013，圓形( 中心支軸式) 和平移式噴灌機[S].

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