噴頭安裝高度對圓形噴灌機灌水質量的影響

趙偉霞，張 萌，李久生，栗巖峰

（中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

0 引 言

組合噴灌均勻度是衡量噴灌機灌水質量和噴頭性能的重要指標[1-5]，是進行噴頭配置優化組合選型時的重要評價指標[6-7]，也是利用噴灌機進行灌溉管理后充分體現其節水、增產等社會經濟效益的關鍵因素[8-11]。目前，國內外多個科研機構和噴頭、噴灌機生產廠家雖已相繼開發出多款圓形噴灌機輔助設計和決策支持系統[12-14]，以及圓形噴灌機噴頭配置方法和軟件[15-16]，但噴頭數據庫的建立多基于固定的噴頭安裝高度[17-18]，即噴灌機灌水均勻度是在特定噴頭安裝高度時的灌水均勻性。

為了減少噴灌蒸發漂移損失，提高噴灌水利用效率，噴頭生產廠家根據噴頭類型，對噴頭安裝高度的要求一般為大于等于（例如，Nelson R3000、D3000）或等于（例如，Nelson S3000、N3000）作物高度。因此，為了滿足作物高度隨作物生長變化的需求，理論上需要適時調整噴頭安裝高度。Ortiz等[19]對2種噴頭安裝高度的甜菜試驗研究結果表明，圓形噴灌機噴頭安裝高度對灌水均勻性、作物產量和水分生產效率均有影響。Abd El-Wahed等[20]對噴頭安裝高度升高后的谷物生長影響研究表明，噴頭安裝高度升高后的籽粒產量、株高和水分利用效率均得到了明顯提高。但在圓形噴灌機應用時，因為噴灌機中缺失噴頭安裝高度調節裝置，所以噴頭安裝高度一般是由噴灌機生產廠家按照用戶需求，根據灌溉的作物高度和機組長度方向的地塊平整度確定[21]，或保持噴頭配置時的安裝高度不變。由此帶來的問題主要體現在 2個方面：一是噴頭安裝高度的隨意調整對噴灌均勻性的影響有待進一步驗證；二是當作物高度大于噴頭安裝高度時，與噴頭連接的PE下垂管和噴頭因為作物冠層的遮擋，噴灌均勻性受到質疑。

為了解決上述問題，謝崇寶等[22]發明了重力自垂型伸縮式大型噴灌機噴水裝置，通過在配重管內套裝伸縮管的方式實現噴頭安裝高度的調節。為了開發利用配重管的輸水功能，趙偉霞等[23]利用噴灌機現有的PE下垂管+噴頭+配重的結構形式，通過將配重鋼管內置和改變配重鋼管在下垂管中插入深度的方法，發明了噴頭安裝高度調節裝置，保證作物生育期內噴頭時刻保持在作物冠層上方，并提出通過增加不同安裝高度時的噴頭水量分布特性數據庫，結合灌溉作物高度變化范圍進行噴頭配置和噴灌均勻性校核的方法。

本文擬通過噴頭安裝高度調節裝置的應用，以國內噴灌機中普遍使用的Nelson D3000低壓折射式非旋轉噴頭為研究對象，研究噴頭安裝高度的改變對圓形噴灌機灌水均勻度和灌水深度的影響，評價作物生長過程中進行灌溉管理時，直接調節噴頭安裝高度的可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 圓形噴灌機水量分布特性測試系統

試驗于 2017年在國家節水灌溉工程技術研究中心（北京）試驗研究基地進行（116°15′E、39°39′N、海拔31.3 m）。試驗用圓形噴灌機（華泰保爾，DYP-49）由一跨加懸臂組成，選用Nelson D3000低壓折射式非旋轉噴頭，噴頭間距2.92 m，共17個，出廠時噴頭距地面高度設定為1.5 m。為保證噴灌均勻度，每1個噴頭上方均配置壓力調節器（美國尼爾森，0.103 MPa）。噴頭安裝高度通過調節配重鋼管在PE下垂管中的插入深度實現。

1.2 試驗設計及田間布置

2017年5—6月在裸地共進行45組試驗，試驗因素為噴灌機噴頭配置、噴頭安裝高度與噴灌機行走速度百分數。噴灌機噴頭配置設置 3個水平，其對應的噴灌機出流量分別代表3跨圓形噴灌機第1跨、第2跨、第3跨所有噴頭的流量總和，分別為8.8、16.7、24.2 m3/h（記為Q1、Q2、Q3）。為研究不同噴頭配置時試驗用圓形噴灌機水力性能穩定性，噴灌機行走速度百分數設置為20%、40%、60%、80%和 100%共5個水平，采用全組合試驗設計，共15組試驗。在驗證噴灌機水力性能穩定性后，為研究不同噴灌機噴頭配置情況下噴頭安裝高度變化對噴灌機灌水質量的影響，根據噴灌作物高度變化范圍以及噴灌機桁架高度，噴頭安裝高度設置為距地面0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m共5個水平（記為 H1、H2、H3、H4、H5），噴灌機行走速度百分數設置60%和100%共2個水平，采用全組合試驗設計，共30組試驗。

每組試驗過程中，噴灌機主輸水管進口壓力為0.15 MPa，平均風速小于2 m/s。測試內容包括灌水深度和沿噴灌機桁架方向的水量分布均勻性，水量分布均勻性的測定按照國家標準[24]執行。試驗用雨量筒內徑為215 mm，高度為230 mm，均勻無缺陷。間距為2 m的2排雨量筒沿徑向2條射線交錯布置，其末端間距等于7 m，2排雨量筒錯開的距離為1 m。當雨量筒不在噴灑范圍內時立即測量并記錄灌水深度，以降低蒸發對灌水深度的影響[24]。

1.3 均勻度和灌水深度計算方法

圓形噴灌機灌水均勻系數采用修正赫爾曼-海因（Heermann-Hein）公式[24]計算：

式中CUHH為赫爾曼-海因均勻系數，%；n為用于數據分析的雨量筒個數；i為雨量筒標識變量，通常從距中心支軸最近的雨量筒（i=1）開始，到距中心支軸最遠的雨量筒（i = n）結束；Vi為第i 個雨量筒內收集的水的深度，mm；Si為第i個雨量筒距中心支軸的距離，m；Vw為所收集水的深度的加權平均值，mm，灌水深度測量值為2排雨量筒的算術平均值：

根據圓形噴灌機設計原理[25]，理論灌水深度hk與噴灌機行走速度百分數k之間的關系方程為：

式中hk為噴灌機百分率計時器設定值為k時的灌水深度，mm；h為k =100%時的灌水深度，mm。

通過分析不同噴灌機行走速度時灌水深度測量值與理論值的關系方程可知，在3種噴灌機出流量（Q1、Q2、Q3）情況下，灌水深度實測值和理論值之間均存在極顯著的線性關系（R2=0.996 8、0.996 1、0.996 4），線性方程擬合系數分別為1.000 3、1.066 3、1.075 4，均與1非常接近，表明試驗用圓形噴灌機出水性能穩定，廠家所用的噴頭配置軟件性能可靠，不同噴頭配置時均可以通過調節噴灌機行走速度準確控制灌水深度。

2 結果與分析

2.1 噴頭安裝高度對灌水深度的影響

標準噴頭安裝高度下，噴灌機行走速度百分數為100%時，噴灌機出流量Q1、Q2、Q3對應的灌水深度測量值分別為1.62、3.23和4.66 mm，灌水深度隨噴灌機出流量的增加而增大。與標準安裝高度1.5 m的灌水深度相比，不同噴頭安裝高度的灌水深度測量值相對誤差如表1所示。

表1 不同噴頭安裝高度灌水深度相對誤差Table 1 Relative error of irrigation depth with different installation height of sprinkler /%

由表1可知，噴灌機行走速度百分數為100%時，噴頭安裝高度變化對灌水深度測量值的影響與噴灌機出流量有關。對噴灌機出流量Q1和Q2處理，當噴頭安裝高度為0.5～2.0 m時，噴灌水深測量值大于標準高度的測量值；當噴頭安裝高度為2.6 m時，噴灌水深測量值小于標準高度的測量值。對噴灌機出流量Q3處理，噴頭安裝高度的調增或調減均減小了噴灌水深測量值。噴灌機行走速度百分數為60%時，除與單個噴頭的水量分布有關外，受噴灌機走—停狀態的影響，每組試驗時雨量筒開始接收水量的時間不完全相同，但因為這種影響無法測量[26]，因此灌水深度相對誤差受噴頭安裝高度的影響規律與噴灌機行走速度百分數為 100%時不完全相同。對噴灌機出流量Q1處理，噴頭安裝高度的調整減小了噴灌水深測量值。對噴灌機出流量 Q2處理，當噴頭安裝高度為 0.5～2.0 m時，噴灌水深測量值大于標準高度的測量值；當噴頭安裝高度為2.6 m時，噴灌水深測量值則小于標準高度的測量值。對噴灌機出流量Q3處理，當噴頭安裝高度為1.0～2.0 m時，噴灌水深測量值大于標準高度的測量值；當安裝高度為0.5和2.6 m時，噴灌水深測量值則小于標準高度的測量值。說明噴頭安裝高度偏離標準高度時，噴灌機行走速度和噴灌機出流量均會影響灌水深度實測值。另外，由噴頭安裝高度為2.6 m時的灌水深度測量值在不同噴灌機行走速度和噴灌機出流量時均小于標準高度的結果可知，噴頭安裝高度過高會因為增加噴灑水滴在空中飛行時間導致的蒸發漂移損失量過大而降低噴灌水利用效率。這與Abo-Ghobar[27]關于對不同噴頭安裝高度，噴灌蒸發漂移損失量隨噴頭安裝高度的增加而增大結果基本保持一致。由相對誤差絕對值的平均值可知，噴頭安裝高度改變引起的灌水深度測量誤差隨噴頭安裝高度偏離標準高度的增加而增大，隨噴灌機行走速度的減小而增大，但不同噴頭安裝高度時灌水深度相對誤差絕對值的平均值均小于10%。

2.2 噴頭安裝高度對徑向水量分布的影響

以噴灌機出流量Q3為例，圖1給出了不同噴頭安裝高度下灌水深度沿徑向的分布。因為試驗用圓形噴灌機性能穩定可靠，其他噴灌機出流量時的水量分布與Q3相似，噴灌機出流量并未對水量分布產生影響。從圖中可以看出，2排雨量筒水量分布變化規律相同，在距中心支軸 10～45 m范圍內，灌水深度呈鋸齒形波動，與安裝R3000旋轉式噴頭的圓形噴灌機水量分布特性相同[28]。因缺少相鄰噴頭水量的疊加貢獻，放置在噴灌機首部和末端的雨量筒收集到的水量主要來自首部和末端的 1個噴頭，在靠近中心支軸0～10 m范圍內和雨量筒距中心支軸的距離超過45 m后，灌水深度明顯減小。

圖1 不同噴頭安裝高度灌水深度沿徑向分布Fig. 1 Distributions of water depth along radial direction with different installation heights of sprinkler

不同噴頭安裝高度時，灌水深度沿徑向的分布規律發生了明顯變化，表現為灌水深度沿徑向雖然均呈鋸齒形波動，但在噴灌機不同行走速度和噴頭安裝高度時，灌水深度的離散程度不同。利用變異系數分別計算圖 1中灌水深度的離散程度，結果如表2所示。

當噴灌機行走速度為100%時，2排雨量筒承接水量的灌水深度變異系數平均值隨噴頭安裝高度的增加而發生變化，在標準噴頭安裝高度1.5 m時最小（0.27），在安裝高度為0.5 m時最大（0.48），且2.6 m安裝高度時的灌水深度變異系數（0.28）與標準高度時相差較小。噴灌機行走速度為60%時，最大變異系數（0.51）仍在噴頭安裝高度為0.5 m時獲得，但與標準高度1.5 m時的變異系數（0.34）相比，噴頭安裝高度增加后的變異系數均有所減小，2.0 m和 2.6 m時分別為0.26和0.30。說明噴頭安裝高度改變后，水量分布的疊加效果隨之產生了變化，且噴灌機行走速度對不同噴頭安裝高度時灌水深度沿徑向的離散程度變化規律有一定影響。這也是噴頭安裝高度調節后的灌水深度與標準高度時的灌水深度產生偏差，且在噴頭安裝高度為0.5 m時偏差最大的原因之一。上述研究結果與張以升等[29]關于不同安裝高度時的單噴頭水量分布結果相同，其原因是隨著噴頭安裝高度的增加，雨滴在空氣中的運動時間延長，且當較大液滴碎裂產生較小粒徑的雨滴時，改變了原有的飛行軌跡，使較為集中的水量得以充分擴散。相反地，隨著噴頭安裝高度的降低，雨滴在空氣中的運動時間較短，水量擴散不充分，尤其是噴頭安裝高度為H1（0.5 m）時，試驗用雨量筒高度（230 mm）減少了噴灑水滴的實際飛行時間，增加了實際噴灑水量與承接水量之間的偏差。

表2 不同噴頭安裝高度的灌水深度變異系數Table 2 Variation coefficients of irrigation depth for different installation heights of sprinkler

2.3 噴頭安裝高度對均勻系數的影響

為研究雨量筒排數、噴灌機行走速度和噴灌機出流量對灌水均勻系數的影響，表 3給出了標準安裝高度情況下，不同噴灌機行走速度下由 2排雨量筒數據計算的均勻系數均值及均勻系數差值的絕對值。

表3 不同噴灌機出流量時的灌水均勻系數Table 3 Irrigation uniformity coefficients for different outflow rates

結果表明，噴灌機行走速度百分數為20%～100%時，由2排雨量筒測得的CUHH的差值絕對值在6.9%以內，說明雨量筒排數對圓形噴灌機灌水均勻系數的評估結果影響較小。在3種噴灌機出流量情況下，受試驗過程中氣象條件差異的影響，不同噴灌機行走速度時的灌水均勻系數雖然略有差異，但差異程度均未達到顯著水平。由不同噴灌機出流量情況下的灌水均勻系數平均值可知，噴灌機出流量為8.8、16.7、24.2 m3/h時，灌水均勻系數平均值分別為82.8%、82.5%和84.0%，差異較小，表明噴灌機出流量對噴灌均勻性影響較小。

表 4為不同噴頭安裝高度下的均勻系數及其與標準安裝高度下的均勻系數相對誤差（（均勻系數-噴頭安裝高度1.5 m時均勻系數）/噴頭安裝高度1.5 m時均勻系數），噴灌機3種出流量情況下，噴頭安裝高度為H1（0.5 m）時的均勻系數均最小，分別為74.2%、68.8%和65.2%，與其他安裝高度時的均勻系數產生了顯著差異；在Q1處理，噴頭安裝高度為H2（1.0 m）時的均勻系數也顯著小于其他安裝高度較高的處理；H3（1.5 m）、H4（2.0 m）、H5（2.6 m）處理的均勻系數無顯著差異。這說明升高噴頭高度雖然有利于水量的擴散，但是超過噴頭標準高度后，噴頭安裝高度的增加對灌水均勻系數的影響不大，而噴頭安裝高度過低，則一定會減小灌水均勻系數。這與李永沖[30]在噴頭安裝高度為1.6 m，2種雨量筒放置高度時，放置高度0.24 m（噴頭安裝高度1.36 m）的灌水均勻系數大于放置高度1.1 m（噴頭安裝高度0.5 m）的灌水均勻系數結果保持一致，但其同時發現對于 R3000噴頭，2種放置高度的噴灌均勻性基本相同。由表中的相對誤差值可知，相對于標準安裝高度時的灌水深度，噴頭安裝高度H1對灌水均勻系數的降低程度隨噴灌機出流量的增加而增大，最大可以降低23.9%。

表4 不同噴頭安裝高度的灌水均勻系數及相對誤差Table 4 Irrigation uniformity coefficient and its relative error with different installation heights of sprinkler

3 結 論

為了解決作物生育期內噴頭距離地面的安裝高度低于作物高度可能導致的灌水不均勻問題，本文基于噴頭安裝高度位于作物冠層上方的原則，應用噴頭安裝高度調節裝置，測試了D3000噴頭在不同安裝高度的水量分布特性，評估了噴頭安裝高度改變對灌水深度和灌水均勻系數的影響。主要結論如下：

1）與標準高度時的噴灌水深相比，噴頭安裝高度改變時的灌水深度測量值偏離標準高度測量值的程度，隨噴頭安裝高度偏離標準高度的增加而增大，隨噴灌機行走速度的減小而增大，但不同噴頭安裝高度時的相對誤差絕對值的平均值均在10%以內。噴頭安裝高度為0.5 m時，灌水深度較標準高度時誤差最大。

2）噴頭安裝高度調節后，水量分布的疊加效果改變，灌水深度沿徑向的分布規律發生了明顯變化，雖然灌水深度沿徑向均呈鋸齒形波動，但灌水深度的離散程度不同，安裝高度0.5 m時灌水深度的變異系數最大。

3）噴頭安裝高度為0.5 m時，灌水均勻系數顯著降低，最大可降低23.9%。當噴頭安裝高度在1.5～2.6 m變化時，圓形噴灌機灌水均勻系數無顯著差異。綜合考慮噴灌機灌水深度控制精度和灌水均勻性，說明可直接根據作物高度變化適時升高D3000噴頭的安裝高度。作物生育期內噴頭安裝高度實時改變和不改變 2種情況下，灌水均勻度、噴灌水利用效率和作物的響應特征還有待進一步研究。

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