輕小型噴灌機組評價指標及評價方法現狀

包振琪，朱寶文，徐雨竹，湯 攀

(1.江蘇省興化市水務局，江蘇 泰州 225700；2.江蘇大學流體機械及工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

我國人均水資源占有量遠低于世界平均水平，農業用水量在全國總供水量所占比例較大，為了滿足我國13.5億人口的糧食需求，節水灌溉是促進農業發展和糧食增產的主要途徑之一[1]。噴灌技術作為高效的節水灌溉技術之一，為解決全世界的糧食問題及農業水資源的節約起到了關鍵性的作用，在我國應用越來越廣泛。輕小型噴灌機組由于具有輕巧靈活、便于移動、噴灌面積可大可小、適用于水源小而分散的丘陵山區及小型地塊、一次性投資少、操作簡單、保管維護方便、節省勞動力、保持水土、提高產量和適用性強等優點而得到廣泛應用。

1 輕小型噴灌機組形式

根據配套噴頭形式及數量的不同，輕小型移動式噴灌機組主要有四類：手持噴槍式(或無噴槍)輕小型噴灌機、單噴頭輕小型噴灌機組、多噴頭輕小型噴灌機組和軟管固定(半固定)多噴輕小型噴灌機組。

(1)手持噴槍式(或無噴槍)輕小型噴灌機。該機組形式由動力機泵、進出水管路組成，噴灑器為手持噴槍或者直接手持末端管道進行澆灌，它不要求霧化指標，因此系統壓力較低。并能在干地后澆灌，移動方便，適于經濟條件較落后地區應急抗旱時使用，但噴灌均勻性較差[2]。

(2)單噴頭輕小型噴灌機組。一般選用40PY或50PY噴頭。其特點為：系統壓力高，噴頭射程遠，單噴頭控制面積大，噴灑均勻性稍差，相對能耗較高，畝投資最省；操作簡單，移動方便；因為是扇形噴灑，能保持在干地往后移動噴頭支架。但該機組形式噴頭噴灑反沖力及水滴打擊強度均較大，對土壤入滲能力有一定要求，可以用于牧草灌溉[2]。該機型上世紀末應用較多，目前逐年減少。

(3)多噴頭輕小型噴灌機組。該類型機組配套15PY、20PY、ZY-1、ZY-2系列噴頭。它可以根據灌溉作物及地塊面積的大小，選擇不同工作壓力、相應數量的噴頭，因此機組的流量、揚程及功率等參數選擇范圍較大，機組用途拓展具有較大空間，噴灌均勻性比前面兩種機型更高，能耗降低。

目前多噴頭輕小型噴灌機組約占輕小型噴灌機組1/3的市場份額。蘇南地區灌溉時，該機組形式一個噴灌周期內一般需要移動支管7～10次，每次移動時需將每節管道及噴頭的連接全部拆開，移動幾十米的距離后再重新連接。因此存在由于噴灌后地面泥濘所導致的搬移困難、勞動強度較大的缺點。

(4)軟管固定(半固定)多噴輕小型噴灌機組。軟管多噴輕小型噴灌機組是管道式噴灌的一種類型。系統中所有管道是固定的，但是干管、支管均鋪設在地面，并且全部采用可拆卸的快速接頭連接，灌溉季節結束后可以收存入庫。管道一般采用涂塑軟管，每條支管入口處設置了輪灌閥門，可實現分區輪灌作業。其配套動力一般為11～22 kW柴油機，噴灌面積可達16.67～20.00 hm2。該機型實際上是傳統的“一字型”或“豐字型”灌溉布置形式向大型網狀布置形式的一種拓展。它結合了固定式和移動式噴灌系統的優點，噴灌均勻，勞動強度較低，同時投資減少，操作簡單方便，具有較好的應用前景。

2 輕小型噴灌機組評價指標

2.1 機組能耗

機組能耗是輕小型噴灌機組性能評價的重要指標。目前，對于大型灌區降低噴灌能耗的主要措施為根據各用戶地理分布情況及用水需求對泵站各水泵的運行狀況進行優化調節，美國、西班牙等國研究較多[3]。西班牙學者Rodriguez[3]等和Moreno[4]等對灌區管網的系統能耗分析表明，通過管道優化配置及合理運行可以使灌溉系統能耗降低10.2%，甚至27%。他們將灌溉單位面積的能耗費(ECSr)與提升單位體積水量的能耗費(ECVT)分別應用于灌區輸水系統的能耗評價中。類似地，Chen D[5]等將能耗-效益比這一綜合指標應用于溉節能改造工程的可行性評價中。但如運用于噴灌機組的優化中，根據作物灌溉及噴頭選擇的需要，水泵運行工況調節范圍有限，且通過適當的管道配置達到一定的噴灌質量是系統設計的首要目的[6,7]。總體上，從噴灌系統考慮，比較詳細地分析影響機組能耗的主要因素方面的研究甚少。

國內學者對灌溉機組能耗評價多采用試驗測試的方式得到機組的功率，依據所測數據對備選灌溉方式的能耗進行分析對比。牛連和[8]等對兩種配備潛水電泵和農用機井的噴灌系統的機組效率及耗電量進行測試，得出：在試驗中同一地塊，噴灌單方水的耗電量比畦灌高近1倍，當噴灌灌溉節水量達50%，噴灌與畦灌的能耗才能持平。也有部分學者對噴灌工程能源消耗、噴灌節能臨界揚程等問題進行探討，但研究對象的系統配置方式有限，改變相關參數對能耗降低的效果不夠明顯[9]。而且噴灌機組能耗評價指標不一，不利于不同噴灌機組形式機組節能效果的對比，為系統的進一步優化及節能降耗帶來一定的困難。在我國能源問題日益緊張的局勢下，采用合理的能耗評價指標，并研究噴灌機組的能耗影響因素，對優化機組配置、降低系統能耗、噴灌工程綜合評價實施都有非常重要的理論和現實意義。

2.2 機組噴灌均勻性

噴灌均勻性反映噴灌質量的高低，是噴灌系統的重要考核指標。綜觀國內外噴灌均勻性影響因素方面的研究，可以大致分為噴頭參數、管道布置方式、運行管理因素、自然環境因素和作物冠層的影響。通常所說的噴灌均勻性即指組合噴灌均勻性。其中噴頭選擇、管道布置、運行管理因素都與機組的配置方式有關，因而噴灌均勻性大小在噴灌機組優化配置中不容忽視。

DeBoer[10]發現大型噴灌機上低壓噴頭的噴灑均勻性對噴頭間距較敏感，噴頭間距加大時，均勻性變差。日本學者Fukui[11]得出當沿管道發現組合噴頭的射流交疊區在單噴頭射程的50%～70%之間時，噴頭組合方式采用矩形比采用三角形的均勻性高，且工作壓力變大時，獲得最高均勻性所需的噴頭間距需加大。巴西學者Soares[12]研究了地形坡度對噴灌均勻性的影響，隨著坡度最大，均勻性下降，在任何坡度及噴頭仰角情況下采用三角形的布置方式相對均能有助均勻性的提高。可見，管道布置方式及布置間距對噴灌均勻性都有影響。

目前大多數輕小型噴灌機組使用時各噴頭未安裝調壓閥，此時由于室外條件地形坡度的存在及機組配置參數變化時管道沿程壓力坡降的影響，組合噴灑各噴頭的工作壓力不完全一致，而計算中常假定組合噴灑各噴頭工作壓力相同，因此得到的組合噴灑均勻性會有一定誤差，工作壓力越低時誤差越大。噴頭工作壓力及相鄰噴頭工作壓力差的變化都會對噴灑均勻性產生影響，主要表現在：①改變單噴頭噴灑圖形。當壓力過低時，水量集中在射程末端，使單噴頭整個噴灑面水量呈環形分布[13]。Meteos[14]提出噴灌系統全局噴灑非均勻性7%～13.3%是由噴頭間工作壓力差異所致。Burt[15,16]也將噴頭工作壓力差列為影響人工拆移管道式噴灌系統均勻性的主要因素之一，因此提出噴頭壓力極差需控制在20%以內。②改變雨滴直徑大小，影響抗風性能及漂移損失[17]。

風的影響也是田間噴灌時影響噴灌質量的重要因素。Hanson[18]對不同風速下大型噴灌機上配置的旋轉擋板式噴頭與滴灌帶式噴灑器的進行噴灑均勻性試驗，結果表明，當風速達到4.5 m/s時，旋轉式噴頭的均勻性下降，而滴灌帶式噴灑器均勻性提高。Dukes[19]也做過類似研究，研究風速高達6.2 m/s。而Fukui提出當風速低于1 m/s時，風速引起的漂移損失對均勻性的影響可以忽略。Mateos[14]建議對于固定式噴灌系統，風速大于1.8～2 m/s時，風速的影響不能忽略。

從上面的研究結果可以看到，噴頭工作壓力差及室外環境因素對噴灌均勻性影響的系統研究較少，且從大型噴灌機及固定式噴灌系統的均勻性室外試驗的結果來看，不同系統中，風向風速對噴灌均勻性的影響效果不完全一致；由于受噴頭性能影響，達到合理均勻性所能允許的室外風速差異較大。因此，采用理論計算與田間試驗驗證的方法，研究室外試驗條件下機組配置參數、管道布置情況及運行條件、環境因素等因素及其交互作用對噴灌系統灑均勻性的影響十分必要。

2.3 機組綜合指標

能耗及均勻性是考察輕小型噴灌機組性能的主要指標。但對于噴灌系統而言，經濟性及社會指標也是影響系統選擇的因素之一。輕小型噴灌機組也是如此，目前這方面的研究較為欠缺。Grusse[20]等在灌溉系統的田間評價中將評價指標分為技術指標、經濟指標、環境指標和農藝指標。Mateos[21]采用了包括均勻性和灌水效率在內的6個性能指標對滴灌、噴灌和渠灌3種灌水方式進行評價，對于具體的灌水方法這些評價指標會有一定的變化。Bekele[22]將這些指標用于小型灌溉系統的田間評價中。Ali[23]則給出了部分灌溉技術指標的影響因素及計算公式。李久生[24]指出，為了獲得高于90%的噴灌均勻系數，系統能耗及投資將大幅增加。因此，噴灌系統各評價指標之間也是相互關聯。經濟和環境指標方面，Martinez[25]等分析了固定式噴灌系統中次級管網布置、間距、工作壓力、平均噴灌強度和噴灑水利用系數等設計因素及運行參數對灌溉總費用的影響。Morankar[4]等則采用工作日法來衡量灌溉系統安裝、運行中的用工量。

從上面分析可以看出，以往噴灌系統的評價研究中對灌溉均勻性、灌水效率等技術指標關注較多，綜合評價方面的研究多集中于灌區層面[26-28]。考慮技術指標，以及經濟、環境、社會等方面指標的輕小型噴灌機組綜合評價研究很少。以用工量為例，它是輕小型噴灌機組區別與固定式噴灌系統的主要特點之一，固定式噴灌系統用工量度量中采用的工作日法難以滿足其勞動力計量的需要。因此，急需適用于輕小型移動式噴灌機組的一套綜合評價理論與方法。

噴灌機組系統成本、能耗、噴灌均勻性、用工量等評價指標的研究中，國內外學者一般是單獨進行分析。滿足一定噴灌均勻性時系統能耗、成本等其他因素的變化系統研究很少[29,30]。這些反映噴灌機組運行的綜合性能狀態稱為系統的組態。目前這方面的研究較為欠缺，因此需要進行系統的研究，從而為機組的多目標優化配置提供參考。

3 輕小型噴灌機組綜合評價方法

多年來，國內外學者提出的灌溉系統評價指標甚多，但很大一部分研究是在灌溉項目建成后進行，灌溉系統設計初期不同方案的評價、對比方面研究較少。水資源管理領域中常用的多指標綜合評價方法(Multi-criteria Analysis，MCA)在灌溉系統、尤其是噴灌系統中應用較少。多指標綜合評價方法主要包括層次分析法[31]、主成分分析法[32,33]和灰色關聯法[34]等方法。通過這些方法能有效地從大量信息中得出多項選擇中的最優方案。其中灰色關聯法的應用日益廣泛。

灰色關聯理論的創立始于鄧聚龍教授于1982年發表的論文《灰色系統控制》，此后灰色系統理論不斷完善[35,36]。灰色關聯法(Grey Relational Analysis，GRA)是系統決策方法之一，它是根據比較數列與參考數列所構成的曲線間的幾何相似度，來判別數據系列之間的聯系[37]。與傳統的回歸分析、方差分析等系統分析方法相比，灰色關聯法對樣本大小、概率分布規律等方面要求較低[37]。它可以對不完全的信息進行處理，各因素指標也不需要相互獨立，因而應用較廣[38]。灰色關聯法在農業領域的應用中，多集中于灌溉管理決策及集雨灌溉規劃方案優選，但在噴灌系統性能評價中應用甚少[39]。將灰色關聯法應用于輕小型噴灌機組的多因素多目標評價中可以為噴灌機組的比選，及機組各項性能分析提供有效的工具。

4 結 語

(1)加強輕小型噴灌機組形式的設計和管道水力計算等方面的研究。

(2)采用合理的能耗評價指標，對優化機組配置、降低系統能耗和噴灌工程綜合評價實施都有非常重要的理論和現實意義。

(3)研究室外試驗條件下機組配置參數、管道布置情況及運行條件、環境因素等因素及其交互作用對噴灌系統灑均勻性的影響十分必要。

(4)研究出適用于輕小型移動式噴灌機組的一套綜合評價理論與方法。

(5)將灰色關聯法應用于輕小型噴灌機組的多因素多目標評價中可以為噴灌機組的比選和機組各項性能分析提供有效的工具。

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