M18系列飛機不同施藥濃度下的霧滴沉積分布

初 鑫,胡 軍,余昭南,劉昶希,沙 龍,于海洋

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一,全國有65%的人口以水稻為主糧[1]。我國施藥方式主要以手工和小型電機噴藥為主,不僅耗費勞動力,且時常會造成施藥人員中毒。近年來,隨著高效航空技術的引進,逐漸成為糧食產區的主要核心力量[2-4]。

目前,航空噴施作業中主要采用有人機和無人機兩種方式進行田間施藥。小型無人機具有操作簡單、無需專門的起落機場及省水省藥等特點,但由于續航能力差,加藥頻繁,電離層、對流層會對GPS產生影響,且RTK技術由于價格昂貴、兼容性差等問題沒有被廣泛使用。針對北方大地塊,大型的有人機尤為重要,一般載藥量達到了2.5～3t,在噴藥效率上,一架飛機抵100個人[5-7]。

該文所用的M-18系列飛機以其載重量大、突擊能力強,在航化施藥中發揮了重要作用。該系列的農用飛機配備有世界上較為先進的航空噴灑設備,可以根據作業要求,在距離植物表面3～5m的高度進行飛行作業,實現大面積作物區的高效環保作業。這不僅是我國糧食安全、生態安全的重要保障,對我國農業的可持續發展也具有重大的意義[8-14]。

祁力鈞等通過圖像采集系統采集霧滴圖像并進行分析,獲取了霧滴粒徑及覆蓋率等參數[15]。徐廣春等通過Deposit Scan軟件分析霧滴覆蓋率和沉積密度,分析了霧滴分布對灰飛虱防治的影響[16]。本文通過對試驗后的水敏紙進行霧滴的粒徑及沉積密度檢測分析,旨在對提高農藥利用率、減少污染提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

噴霧作業采用M18系列飛機,任務載質量2.5～3t,噴灑寬幅45m,噴灑高度3～7m,作業速度50m/s,且采用霧化噴頭,技術參數如表1所示。

表1 飛機及噴霧器技術參數

1.2 試劑和材料

水敏紙(長9.8cm,寬3.4cm)、橡膠手套、回形針、標簽紙、LaserJet M1136MFP黑白激光多動能一體機及數據分析與處理采用專門的霧滴圖像分析軟件。

水敏紙是一種黃色的試紙,根據它遇到水之后會產生藍綠色斑點這一特性,經常用在航空噴霧霧滴檢測[17-20]。水敏紙在噴灑前后顏色變化情況如圖1和圖2所示。

圖1 水敏紙(使用前)

圖2 水敏紙(使用后)

由于水敏紙對水分反應比較敏感,當遇到水滴或者在潮濕的環境下會立即反應,即出現顏色變化的現象。所以,為了減少環境對試驗誤差的影響,通常避開降雨天氣或者比較潮濕的環境進行試驗[21]。進行無人機航空植保作業時,霧滴在植株葉片上的沉積分布情況是檢測航空噴霧效果的一個重要的指標,通過觀察試驗后的水敏紙,可以便捷、快速地分析霧滴在靶標作物的上沉積分布情況。

1.3 試驗條件

試驗于2017年7月在黑龍江省佳木斯農用航空機場進行,地面氣象條件如表2所示。

表2 地面氣象條件

1.4 試驗設計

噴霧試驗區域劃定:設置樣點1、樣點2和樣點3共3個沉積量和沉積規律研究區,在噴幅范圍內每間隔5m選定1株水稻作為試驗植株,順風方向的噴灑幅寬邊界漂移的起始處記為0m,逆風方向噴灑幅寬邊界記為-45m。

在上述每個采樣點布置水敏紙,收集藥液的沉積量數據;布置鋁箔片,收集植株間的沉積量,研究其沉積規律。在飛機航線方向上,間隔35m選取1行水稻,共選取3行,按照同樣的方法布置水敏紙,如圖3所示。工作時,水稻與飛機的起始位置要保持一定的距離,以確保霧滴采樣時機具的作業工況穩定;布樣結束后,駕駛飛機,并迅速將作業參數調整至表1所示的試驗參數。

圖3 噴藥試驗方案圖

霧滴的粒徑大小直接影響到檢測誤差:對于霧滴粒徑小于50μm的霧滴,檢測誤差達到34%;霧滴粒徑大于1 000μm的霧滴,檢測誤差僅有1.2%。

對采集到的霧滴樣本進行分析處理,噴霧試驗結束之后,立即將每棵植株上同一高度上的水敏紙進行收集,迅速放入密封袋進行保存,并且做好標記;然后,收集到的水敏紙使用LaserJet M1136 MFP黑白激光多動能一體機依次對其進行掃描,為保證霧滴沉積的顯像清晰,掃描圖像分辨率設為600Pi且背景為白色A4紙;用Deposit Scan霧滴沉積處理軟件對水敏紙進行處理,得到水敏紙上的霧滴沉積密。

2 結果與分析

2.1 不同濃度下的霧滴粒徑

表3為噴藥幅寬內的液體直徑數值。液體直徑分別為DV.1、DV.5、DV.9μm,即占總的液體體積10%、50%和90%的液體直徑。噴藥幅寬內霧滴粒徑的統計如圖4～圖6所示。

表3 3個采樣區的液體直徑數值

圖4 采樣區1中不同濃度下霧滴粒徑直方圖

sampling area 1

圖5 采樣區2中3種液體直徑統計直方圖

圖6 采樣區3中3種液體直徑統計直方圖

2.2 液體沉降點和沉積量密度統計分析

表4為染色劑噴施幅寬內的液體沉降點和沉積量密度列表。表4中從左至右代表1、2、3個采樣區。霧滴沉積密度為單位面積霧滴沉積的個數。本研究中霧滴收集材料為水敏紙,計算公式為

式中D—霧滴沉積密度(個/cm2);

n—霧滴沉積數量(個);

A—水敏紙張面積(cm2)。

理論上霧滴的沉積密度達到5以上的區域稱為有效噴幅。幅寬內液體沉降點和沉積量密度的統計如圖7和圖8所示。

表4 噴施幅寬內液體數量值列表

圖7 液體沉降點密度統計分析直方圖

圖8 液體沉降密度量統計

2.3 試驗數據分析

根據上述試驗,比較分析霧滴沉積分布:①3個采樣區中DV.9、DV.5、DV.1μm有相同的規律性,即DV.9μm有最高值,DV.5μm次之,DV.1μm最小。因為機翼風場影響,在-35m和-10m處DV.9、DV.5、DV.1μm的值有變動。對于DV.9、DV.5、DV.1μm,各采樣區下表現為-35m處為低點,-20m處為高點,-5m處又為低點的一個先高后低的波浪型特征。根據回歸分析,所得數據利用多項式擬合,多項式為y=-0.596 4x5+17.899x4-196.16x3+930.83x2-1 689.2x+941.87。其中,R2=0.988 7,擬合效果較好,證明有很強的相關性。DV.9μm比DV.5μm的霧滴粒徑高52%,DV.5μm比DV.1μm的霧滴粒徑高70%。②3個采樣區中藥液沉積點數主要分布在-25～0m范圍內,小于DV.1μm的藥液統計值最高,介于DV.1～DV.5μm之間的統計值次之,DV.9μm的統計值最少。不同采樣區的規律性不是很明顯。采樣區2相比其他二者,呈現波浪型特征變動,即增高后降低。根據回歸分析,得出試驗數據利用多項式擬合方式,擬合效果較好,多項式為y=-0.185 1x5+5.868 1x4-68.622x3+341.52x2-555.23x+290.07。其中,R2=0.896 5,證明有較強的相關性。DV.1μm比DV.5μm的霧滴粒徑高245%,DV.5μm比DV.9μm的霧滴粒徑高90%。③在噴藥幅寬內,3個采樣區的沉積點密度總體表現為-30～-15m最高,-5～0m次之,-45～-35m最低。采樣區1較低,采樣區2和3沉積點密度高,在-20m沉積量密度與沉積點密度較高,且DV.5μm相比與DV.1μm和DV.9μm高,有利于霧滴沉積。

3 結論

1)3個采樣區中DV.9、DV.5、DV.1μm有相同的規律性,即DV.9μm有最高值,DV.5μm次之,DV.1μm最小。由于機翼風場的影響,得到的值會有差異。DV.9μm比DV.5μm的霧滴粒徑高52%,DV.5μm比DV.1μm的霧滴粒徑高70%。

2)藥液沉積的范圍為-40～50m,且隨著漂移距離的增加,藥液沉積量逐漸減少。在3個樣點中,沉積量明顯不同,樣點1、2、3分別在-25、-20、-25m處沉積量最大,主要受到風向、風速及飛機機翼風場等因素的影響。

3)3個樣區的沉積點數主要分布在-25m和至0m范圍內,小于DV.1μm的藥液統計值最高,介于DV.1～DV.5μm之間的統計值次之,DV.9μm的統計值最少。DV.5μm的沉積密度較高,在該濃度下有利于霧滴的沉積。