噴灌系統(tǒng)灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

賀 瑋

(新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，在提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)大幅改善了廣大人民的生活條件。與此同時(shí)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活及生態(tài)用水結(jié)構(gòu)也發(fā)生了根本性變化，在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)的農(nóng)業(yè)用水不斷被擠占，為了應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)用水的日益緊張以及糧食安全的挑戰(zhàn)，推廣節(jié)水灌溉已成為緩解當(dāng)前農(nóng)業(yè)用水供需矛盾、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要[1,2]，加之農(nóng)村人口結(jié)構(gòu)的改變迫使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向機(jī)械化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用實(shí)踐證明，噴灌是一種具有節(jié)水、增產(chǎn)、自動(dòng)化程度較高的先進(jìn)灌溉技術(shù)[3,4]，半固定式噴灌以其節(jié)水、省工、灌水均勻度高、成本低、移動(dòng)方便、輪灌速度快等優(yōu)勢(shì)在半干旱地區(qū)以及季節(jié)性干旱的濕潤(rùn)地區(qū)已得到廣泛應(yīng)用，但采用噴灌進(jìn)行灌溉時(shí)，容易受到外界環(huán)境條件(風(fēng))的影響，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，不僅影響灌水均勻度而且容易造成噴灑損失，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)漏噴現(xiàn)象[5-8]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)噴灌系統(tǒng)效率的主要影響因素和均勻度做了大量研究[9-12]，但對(duì)于大尺寸噴頭噴灌均勻度研究還相對(duì)較少，筆者通過(guò)田間試驗(yàn)及理論分析的方法研究了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)大尺寸噴頭噴灌均勻度的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為半固定式大尺寸噴頭的噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高水平管理提供理論支持和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年3-11月在豫西試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬季風(fēng)氣候區(qū)，光熱資源豐富，平均年日照時(shí)數(shù)2 156 h，無(wú)霜期206 d，多年平均氣溫14.49 ℃；多年平均降水量為525.16 mm。試驗(yàn)田土壤為壤土，0～200 cm土層平均土壤干體積密度為1.47 g/cm3，田間持水率31.53%(體積含水率)，地下水埋深大于20 m。

為了降低作物冠層截留對(duì)灌水均勻度的影響，試驗(yàn)安排在冬小麥植株較小的越冬前、返青期以及夏玉米拔節(jié)前進(jìn)行。試驗(yàn)選用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)金屬搖臂噴頭(40 PY),噴灑半徑23～31 m，工作壓力350～500 kPa，噴水量為14～16 m3/h。試驗(yàn)期間半固定噴灌系統(tǒng)布置3條支管，支管長(zhǎng)度為100 m，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)按照矩形布置形式安裝噴頭。試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)采集僅選中間支管(邊上兩條支管作為保護(hù)區(qū))有效射程內(nèi)的區(qū)域。田間試驗(yàn)為2因素3水平試驗(yàn)，其中工作壓力設(shè)置3個(gè)水平，分別為350、425和500 kPa，風(fēng)速選3個(gè)水平，分別為0～1、1～3和≥3 m/s(見(jiàn)表1)，2因素完全組合共9個(gè)處理。試驗(yàn)前參照灌溉農(nóng)業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)[13]布設(shè)噴頭，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)以噴灌桿為中心向四周每隔1 m均勻布設(shè)一個(gè)雨量桶，用來(lái)監(jiān)測(cè)噴灌均勻度。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)期間，所有噴頭的安裝高度均為距地面1.6 m處，支管前端安裝精度0.4級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力表和精度0.001 m3的水表，利用水表記錄灌水量，利用壓力表記錄工作壓力，利用壓力表前端的閥門(mén)調(diào)節(jié)工作壓力。試驗(yàn)用水由變頻泵抽取淺層地下水。利用氣象站記錄試驗(yàn)期間的實(shí)時(shí)氣象資料，觀測(cè)指標(biāo)主要包括風(fēng)速、空氣濕度以及太陽(yáng)輻射等氣象因子。

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

(1)噴灌均勻度。每次試驗(yàn)前，將所有雨量桶清洗干凈并按試驗(yàn)要求擺放，噴水結(jié)束后立刻用量桶測(cè)量不同位置處雨量桶的集水量，為了減小試驗(yàn)誤差，每次噴水結(jié)束后30 min內(nèi)完成所有雨量桶集水量的觀測(cè)。

(2)噴水時(shí)間。在試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)好噴水壓力后，用秒表計(jì)時(shí)，每次噴水時(shí)間為60 min。

(3)氣象資料。利用試驗(yàn)站的距試驗(yàn)區(qū)約100 m的自動(dòng)氣象站記錄試驗(yàn)期間氣溫、輻射、風(fēng)速、空氣濕度等實(shí)時(shí)氣象指標(biāo)；并利用PM公式計(jì)算潛在蒸發(fā)量ET0。

(4)均勻度計(jì)算。利用Christiansen最早提出的均勻系數(shù)Cu來(lái)定量描述噴灌灌水量分布均勻性[14]，計(jì)算公式如下：

(1)

1.3 數(shù)據(jù)分析

用EXCEL 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工作壓力對(duì)噴灌均勻度的影響

無(wú)風(fēng)條件下，試驗(yàn)結(jié)果(圖1)表明，雨量桶集水量隨著距噴頭距離的增加而降低，在距離噴頭0～13 m的范圍內(nèi)各雨量桶內(nèi)的集水量變化不大，工作壓力為500、425和350 kPa條件下，各雨量桶內(nèi)集水量的均值分別為10.10、10.36和9.65 mm，變異系數(shù)分別為14.91%、12.70%和11.56%。但在13～30 m范圍內(nèi)雨量桶內(nèi)的集水量隨著與噴頭距離的增加快速下降，而且隨著工作壓力的降低而減小，工作壓力為500、425和350 kPa條件下，各雨量桶內(nèi)集水量的均值分別為4.20、3.66和3.31 mm，變異系數(shù)分別為62.03%、61.85%和66.31%。

圖1 不同工作壓力對(duì)噴灌均勻度的影響

為進(jìn)一步分析不同工作壓力條件下的單噴頭灌水均勻度，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用公式(1)計(jì)算了不同范圍內(nèi)的噴灌均勻度系數(shù)(見(jiàn)表2)，從表2可以看到，工作壓力為500、425和350 kPa條件下，距離噴頭0～10 m范圍內(nèi)噴灌均勻度系數(shù)均在90%以上；距離噴頭0～15 m范圍內(nèi)的噴灌均勻度系數(shù)均在85%以上；距離噴頭0～30 m范圍內(nèi)噴灌均勻度系數(shù)分別為51.62%、43.09%和40.31%；距離噴頭0～25和0～30 m范圍內(nèi)噴灌均勻度系數(shù)分別低于70%和52%。說(shuō)明單噴頭條件下，噴灌灌水均勻度隨著噴頭控制面積的擴(kuò)大呈降低趨勢(shì)；為了保證灌水均勻度，單噴頭的控制面積以半徑15～20 m為宜。從表2還可以看到，在一定工作壓力范圍(350～500 kPa)內(nèi)，單噴頭的噴灌均勻度系數(shù)隨著工作壓力的增加呈提高趨勢(shì)，但在0～15 m范圍內(nèi)，趨勢(shì)不明顯。

表2 不同工作壓力下單噴頭噴灌均勻度系數(shù) %

2.2 不同噴頭間距組合對(duì)噴灌均勻度的影響

以無(wú)風(fēng)條件下觀測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，分析噴頭矩形布設(shè)條件下不同間距(噴頭間距分別選20、25、30、33、35、37、39、42、45和50 m)對(duì)噴灌均勻度的影響。分析結(jié)果(圖2)表明，工作壓力為425 kPa條件下，當(dāng)噴頭間距大于37 m時(shí)，雨量桶集水量隨離噴頭距離的增加呈下降趨勢(shì)[見(jiàn)圖2(a)]；當(dāng)噴頭間距不超過(guò)37 m時(shí)，雨量桶集水量隨離噴頭距離的增加下降趨勢(shì)不明顯，特別是當(dāng)噴頭間距小于30 m時(shí)，甚至有增加趨勢(shì)[見(jiàn)圖2(b)]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，噴頭間雨量桶的集水量平均值隨著噴頭間距的縮小呈增加趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均呈遞減趨勢(shì)(見(jiàn)表3)。此外，噴頭間距為50 m×50 m、45 m×45 m、和42 m×42 m組合時(shí)，噴頭間雨量桶集水量的變異系數(shù)明顯高于其他間距組合，當(dāng)噴頭間距不大于39 m時(shí)，噴頭間雨量桶集水量的變異系數(shù)介于2.28%～17.92%(見(jiàn)表3)，進(jìn)一步說(shuō)明，噴頭間距大于39 m時(shí)不利于噴灑均勻度的提高。

圖2 不同噴頭間距對(duì)噴灌均勻度的影響

項(xiàng) 目噴頭間距組合/(m×m)50×5045×4542×4239×3937×3735×3533×3330×3025×2520×20均值/mm7.228.058.809.129.7410.1011.0112.0914.6417.11標(biāo)準(zhǔn)差4.033.252.691.631.280.880.690.771.560.39變異系數(shù)/%55.8940.3130.5217.9213.118.676.266.3810.672.28

以工作壓力為425 kPa，無(wú)風(fēng)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用公式(1)分別計(jì)算了不同噴頭間距組合條件下的噴灌灌水均勻度系數(shù)。計(jì)算結(jié)果(圖3)表明，噴頭間距大于30 m時(shí)，噴灌灌水均勻度隨著噴頭間距的增加呈降低趨勢(shì)，當(dāng)噴頭間距大于39 m時(shí)，下降趨勢(shì)更趨明顯。從圖3還可以看到，噴頭間距不大于35 m時(shí)，灌水均勻度可以達(dá)到90%以上；當(dāng)噴頭間距不大于39 m時(shí)，灌水均勻度可以達(dá)到80%以上；當(dāng)噴頭間距大于40 m時(shí)，灌水均勻度在75%以下。這說(shuō)明，噴頭間距控制在39 m以內(nèi)比較適宜。

圖3 不同噴頭間距組合對(duì)噴灌均勻度系數(shù)的影響

2.3 不同風(fēng)速對(duì)灌水均勻度的影響

為探索不同風(fēng)速對(duì)噴灌灌水均勻度的影響，在大田條件下觀測(cè)了不同噴頭間距對(duì)灌水均勻度影響的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)期間自動(dòng)氣象站觀測(cè)的實(shí)時(shí)風(fēng)速，篩選出試驗(yàn)期間風(fēng)速在0～1、1～3和3～5 m/s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，并利用公式(1)計(jì)算不同風(fēng)速條件下，不同噴頭間距組合的灌水均勻度(見(jiàn)表4)。從表4可以看到，當(dāng)噴頭間距小于50 m時(shí)，所有組合的噴灌灌水均勻度系數(shù)均隨著風(fēng)速的增加呈下降趨勢(shì)，噴頭間距為50 m時(shí)，風(fēng)速對(duì)噴灌灌水均勻度系數(shù)無(wú)明顯影響。從表4還可以看到，當(dāng)工作壓力為425 kPa時(shí)，風(fēng)速在0～1 m/s范圍內(nèi)，噴頭間距為20～39 m，噴灌灌水均勻度可以達(dá)到80%以上；風(fēng)速在1～3 m/s范圍內(nèi)，噴頭間距為20～30 m，噴灌灌水均勻度可達(dá)到75%以上；風(fēng)速超過(guò)3 m/s，即使噴頭間距不大于20 m，灌水均勻度也難以達(dá)到75%以上。

表4 不同風(fēng)速對(duì)灌水均勻度的影響 %

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)單噴頭條件下，噴灌灌水均勻度隨著噴頭控制面積的擴(kuò)大呈降低趨勢(shì)。在推薦工作壓力范圍(350～500 kPa)內(nèi)，單噴頭的噴灌均勻度系數(shù)隨著工作壓力的增加呈提高趨勢(shì)，但在0～15 m范圍內(nèi)，趨勢(shì)不明顯。為了保證較高的灌水均勻度，單噴頭的控制面積以半徑15～20 m為宜。

(2)無(wú)風(fēng)條件下，工作壓力為425 kPa時(shí)，噴頭間距不大于35 m時(shí)，灌水均勻度可以達(dá)到90%以上；當(dāng)噴頭間距不大于39 m時(shí)，灌水均勻度可以達(dá)到80%以上；當(dāng)噴頭間距大于40 m時(shí)，灌水均勻度在75%以下。這說(shuō)明，噴頭間距控制在35～39 m比較適宜。

(3)系統(tǒng)工作壓力為425 kPa時(shí)，風(fēng)速在0～1 m/s范圍內(nèi)，噴頭間距為20～39 m，噴灌灌水均勻度可以達(dá)到80%以上；風(fēng)速在1～3 m/s范圍內(nèi)，噴頭間距為20～30 m，噴灌灌水均勻度可達(dá)到75%以上；風(fēng)速超過(guò)3 m/s，即使噴頭間距不大于20 m，灌水均勻度也難以達(dá)到75%以上。說(shuō)明，風(fēng)速在0～1和1～3 m/s范圍時(shí)，噴頭適宜間距分別為39和30 m，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)3 m/s時(shí)，風(fēng)速是影響噴灌均勻度系數(shù)的主要因子。

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