基于卷盤式噴灌機的低壓雙噴槍噴灑水力特征研究

趙海青，吳普特，朱德蘭，張 凱，馮英俊，譚志翔

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

卷盤式噴灌機因其節水省工、機動靈活、適應我國耕地分布等特點，成為我國農業灌溉的主要裝備之一，也是近年來國內外高效節水灌溉研究的熱點，但機組能耗高導致運行費用居高不下是卷盤式噴灌機主要缺點之一[1-10]。Oakes和Rochester[10]的研究發現，將灌溉水均勻噴灑至田間的能耗約為卷盤機組總能耗的一半，故降低噴槍工作壓力是降低能耗的首要途徑。

許多研究學者針對卷盤式噴灌機能耗問題做了大量研究，嚴海軍[11]經過對100個種糧承包戶(曾使用過卷盤式噴灌機的承包戶)的調研和對國內外卷盤式噴灌機的對比研究得出，灌一畝地需耗電23度電，約13元電費，噴灌機運行電費比人工費還貴。程俊等[12]通過對JP75水渦輪各過流部件的能耗貢獻率的研究分析，優化水渦輪進口結構以及葉片以保證輸出效率。葛茂生[13]研究了卷盤式噴灌機組的能耗組成并構建出通用的能耗計算模型，他提出在不犧牲機組灌水質量的前提下適當降低噴頭的工作壓力是降低卷盤式噴灌機組整體能耗的有效途徑。但是，卷盤式噴灌機組一般配備的大流量噴槍所需工作壓力均較高，一般噴頭的工作壓力在0.30 ～0.50 MPa，使得噴灌機組能耗較大，增加噴灌費用。另因我國噴灌機技術方面的缺陷，卷盤式噴灌機軟管回收速度無法低于15 m/h運行，不能滿足小麥、玉米播種后和抽穗期450～600 m3/hm2的灌水需求[11]。目前市場上噴頭車主要以單噴頭配置為主，但因其壓力高、能耗大等問題，噴頭車的配置又出現了桁架式雙噴頭和多噴頭配置。張會娟[14]、粘克威[15]等分別通過對卷盤式噴灌機單噴頭車的受力分析，結合理論力學分析，設計出幾種聯動雙噴頭裝置，使噴頭噴射水反作用力的合力方向始終與輸水管方向一致。目前針對卷盤式噴灌機組能耗問題的研究主要集中于低壓噴頭開發與配置、水渦輪工作效率等系統參數上[9,12,16-18]，但噴頭工作壓力的降低在一定程度上會影響噴灑域，因此，有必要開展降低噴頭工作壓力但不影響噴灑幅度和噴灌質量的灌水技術。

本文在對低壓條件下單噴槍的水力性能進行測試的基礎上，提出低壓雙噴槍噴灑方式，達到降低能源消耗、增大噴灌機噴灑域、減少噴灌機噴灑次數、提高生產效率的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

選取市場上常用的大流量搖臂式噴頭“HY 50”噴槍，在西北農林科技大學旱區節水農業研究院操場進行單噴槍在不同工作壓力(0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa)下移動水量分布測定試驗，試驗裝置如圖1所示。噴槍安裝高度為1.65 m，調節噴灑域中心角180°，牽引噴頭車至操場東端盡頭，垂直于噴灌機行走方向呈射線狀布置三排雨量筒，距噴槍距離1 m處開始擺放雨量筒，雨量筒間隔為2 m。

圖1 移動水量分布測定試驗裝置圖Fig.1 Test device diagram for mobile water distribution

1.2 噴灌均勻度計算

根據的移動水量分布數據，模擬計算兩個“HY 50”噴槍以12 m間距組合時的疊加水量分布，進而采用Christiansen[19]公式計算低壓雙噴槍在不同組合間距下的組合噴灌均勻性系數：

(1)

式中：Cu為克里斯琴森均勻性系數；N為典型區域內測點數；hi為典型區域內各測點的噴灑水深，mm；h為典型區域內各測點的平均噴灑水深，mm。

2 結果與分析

2.1 水量分布曲線擬合

水量分布形式隨工作壓力不同呈現不規則變化，由于試驗過程中獲取的移動水量分布數據為多個離散測點，不具有連續性，不利于不同噴槍間距的水量分布模擬計算，因此對不同工作壓力下的單噴槍移動水量分布進行基于最小二乘法的多項式擬合，得到不同工況下連續的水量分布圖形，如圖2所示。表2給出了5種工作壓力下移動水量分布曲線基于最小二乘法的擬合參數，可以看出五種工作壓力下水量分布曲線擬合的相關系數均大于0.97，說明基于最小二乘法的擬合與實測點的數據符合程度較高，故在下文中據此模擬計算雙噴槍的水量分布及噴灌均勻度Cu。

2.2 壓力對雙噴槍水量分布的影響

工作壓力對噴槍的水力性能有直接影響，掌握不同壓力條件下噴槍的水力性能是研究低能耗灌溉設備的首要途徑。圖3所示為模擬計算得到的兩個噴槍以12 m噴槍間距組合時在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力時的水量分布形式，可以看出：噴灑幅寬、噴灌水深均隨工作壓力的增加而增加，同時，隨著工作壓力的增加，雙噴槍移動水量分布形式逐漸趨向 “三角形”，有利于組合噴灑。低壓雙噴槍在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力下的噴灑幅寬分別為30、44、52 和62 m；當噴槍工作壓力為0.05 MPa時，雙噴槍的水量分布形狀近似梯形，這是由于該壓力下噴槍射程較小，12 m雙噴槍重合范圍小，加之噴槍特有的射流粉碎結構，一部分水流經副噴嘴前端渦輪作用灑落在噴槍近處，剩余水流經噴嘴后被分散。各測點噴灌水深峰值和平均值也與壓力呈正相關，且噴灌水深峰值均出現在噴灌控制帶中部，例如，當工作壓力為0.10 MPa時，噴槍的噴灌水深峰值為30.66 mm，平均噴灌水深為14.4 mm，噴灑域中部1/4的噴灌水深相對較高，造成這種情況的原因是兩個雙噴槍在機行道附近水流交叉，導致該處水量增加。

圖2 移動水量分布擬合Fig.2 Fit curve of moving water distribution

工作壓力/MPa最小二乘法擬合a6a5a4a3a2a1a0擬合度R20.05019.753×10-4-4.056×10-20.2655-0.9332.28710.650.9730.1002.487×10-4-0.776×10-20.073-0.2780.26914.9060.9920.15-1.167×10-67.541×10-4-1.796×10-20.195-1.0372.12619.3960.9900.2013.630×10-6-10.125×10-42.888×10-2-0.3942.530-6.93127.0160.9880.259.347×10-6-7.763×10-42.461×10-2-0.3672.483-6.52429.5680.986

圖3 雙噴槍的水量分布效果圖Fig.3 Water distribution of double travelling rain guns

2.3 噴頭車移動間距對雙噴槍噴灌均勻度的影響

噴灌均勻度是衡量灌溉質量的重要指標，影響噴灌均勻度的主要因素有工作壓力、噴頭類型、組合形式，對于某種指定噴頭來說，當工作壓力一定時，噴頭組合形式即為影響其噴灌均勻度的重要因素。

圖4 不同移動間距下的噴灌均勻性系數Fig.4 uniformity coefficient under different combination spaces

圖4 所示為12 m低壓雙噴槍在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力時雙噴槍的組合噴灌均勻系數隨噴頭車移動間距的變化情況，可以看出：不同工作壓力下噴灌均勻系數均隨噴頭車移動間距的增大而減小， 0.10、0.15、0.20和0.25 MPa四種工作壓力下，當噴頭車移動間距分別增大至25、30、35和35 m時噴灌均勻度出現迅速下降趨勢，此時相應的均勻性系數分別為0.925、0.958、0.945和0.951，而當噴頭車移動間距為35、40、45和45 m時噴灌均勻度為0.723、0.722、0.745和0.743，位于一般情況下噴灌均勻度的臨界值(75%)。當噴頭車移動間距在10 m和30 m之間時，0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力下的組合噴灌均勻性系數相差不大，但為保證灌溉效率應使噴頭車移動間距取較大值，這是因為噴頭車移動間距越小，噴灌均勻性系數越大，但與此同時會導致卷盤式噴灌機灌溉面積減小，田間供水栓數量增加，機組運行次數和噴頭車牽引次數增加，從而降低生產效率。

2.4 低壓雙噴槍田間試驗

為驗證低壓雙噴槍組合的可行性，自行研制12 m組合間距的低壓雙噴槍，在西北農林科技大學曹新莊試驗農場進行雙噴槍移動水量分布試驗，試驗裝置如圖5所示，用JP 75-300型卷盤式噴灌機牽引雙噴槍邊回收邊噴灑，試驗設計同1.1。

圖5 雙噴槍移動水量分布田間實測圖Fig.5 Mobile water distribution test of double travelling rain guns in the field

分析12 m雙噴槍田間水量分布情況及噴灑幅寬，基于此計算雙噴槍噴頭車以35 m移動間距噴灑時的平均噴灌水深，表1給出了12 m低壓雙噴槍在0.25和0.15 MPa工作壓力下的噴灑幅寬和平均噴灌水深的試驗模擬對比結果，數據顯示：雙噴槍在0.25和0.15MPa壓力下的噴灑幅寬分別為58、54 m，對應的相對偏差分別為6.45%、3.85%，兩種壓力下的平均噴灌水深對應的相對偏差分別是11.62%、4.94%，總體來說，12 m雙噴槍的田間試驗結果與預期相符。

表2 雙噴槍移動水量分布實測值與計算值Tab.2 Test value and calculated value of moving water distribution with double travelling rain guns

3 結 論

基于低壓條件下HY50的移動水量分布，本研究將兩個噴槍以12 m間距疊加計算，研究壓力對雙噴槍移動水量分布的影響，計算12 m低壓雙噴槍組合在不同噴頭車移動間距下的噴灌均勻性系數，并對12 m低壓雙噴槍進行了實測值與計算值的對比，結果表明：

(1)隨著工作壓力的增加，雙噴槍噴灑幅寬、噴灌水深均隨之增加，同時，雙噴槍移動水量分布形式逐漸趨向 “三角形”，有利于組合噴灑。不同工作壓力下噴灌均勻系數均隨組合間距的增大而減小，

(2)對自行研制12 m組合間距的低壓雙噴槍進行田間驗證，對比分析了12 m低壓雙噴槍在0.15、0.25 MPa工作壓力下的噴灑幅寬和平均噴灌水深的試驗與模擬值，結果顯示，12 m雙噴槍的田間試驗結果與預期相符，最大偏差不大于11.62%。

(3)雙噴槍對于噴灌設備降壓不降噴灑域的研究具有一定的參考意義，后期可以通過優化兩個噴槍的組合間距和中間桁架結構以實現更好的灌溉效果與應用價值。