基于梯形面積模型的農(nóng)藥噴灑有效覆蓋面積計算方法

陳海軍　賴敏清　趙偉杰　李浩　莫皓穎　戶江民

摘要? ? 由于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)具備集成化、規(guī)模化、機械化發(fā)展特點，導致農(nóng)藥施放方式發(fā)生根本性變革。為了提高農(nóng)藥利用率、殺傷率，減少環(huán)境污染，本文根據(jù)藥劑施放方式、噴灑直徑、噴灑高度、時間、地表狀況、氣象條件等參數(shù)建立噴霧梯形動態(tài)擴散模型，該模型能夠動態(tài)、實時地估算藥劑有效覆蓋縱深及區(qū)域，同時能根據(jù)單位面積害蟲量估算出害蟲死亡數(shù)量。

關鍵詞? ? 農(nóng)藥噴灑;動態(tài)擴散模型;面積估算;致死量估算

中圖分類號? ? S43? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）24-0092-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? Due to the characteristics of integration，scale and mechanization of modern agriculture，fundamental changes have taken place in the way of pesticides application.In order to improve the utilization rate and the kill rate of pesticides，and reduce the environmental pollution，this paper established a spray trapezoidal dynamic diffusion model based on the parameters of drug application，spray diameter，spray height，time，surface condition and meteorological conditions etc.The model can estimate the effective coverage depth and area of the agent in a dynamic and real-time manner，and estimate the number of pest deaths based on the amount of pests per unit area.

Key words? ? pesticide spraying;dynamic diffusion model;area estimation;lethal dose estimation

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關乎人類生存延續(xù)，農(nóng)業(yè)為人們生活提供最基礎的物質(zhì)保障。農(nóng)作物病蟲害防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基礎的農(nóng)事活動[1]，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對病蟲害防治的最主要手段為施放化學藥劑，以此阻斷蟲害。全球范圍內(nèi)每年約300萬t化學藥劑被施放用于農(nóng)作物病蟲害防治[2-3]，據(jù)metcalf仿真估測，由于藥劑施放方式粗糙，傳統(tǒng)農(nóng)藥施放僅有25%～50%能沉積在葉片上，僅不足噴灑總量的1%藥劑能沉積在標靶蟲害上，藥劑總量的0.03%能夠起到殺死蟲害的作用[4]。

雖然我國目前已成為糧食生產(chǎn)大國，但農(nóng)藥使用尚處于世界落后水平。目前，我國藥劑施放器具主要為手動背負器械，大部分采用噴霧噴灑，但抵達標靶的藥劑較少，利用率低下[5]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的興起，對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了極大的影響。由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集成化、規(guī)?；N植，在廣域環(huán)境下農(nóng)藥施放方式得到進一步發(fā)展，突出表現(xiàn)在利用可調(diào)搖臂噴頭、可控角旋轉(zhuǎn)噴頭、農(nóng)業(yè)植保機等方式對農(nóng)作物進行施藥除害[6]。噴灑出的藥霧受噴灑高度、噴灑位置、氣象條件[7-8]等影響較大，噴灑高度越高，噴灑覆蓋面積越廣;風速越大，擴散面積越寬，覆蓋范圍越廣;溫度越高，蒸發(fā)越快，藥劑濃度越低，殺傷力越小[9-10]。本文在充分考慮噴灑高度、氣象條件等因素的條件下，建立了梯形場面積擴散模型對覆蓋面積進行估算，在此基礎上針對藥劑種類、濃度等因素估算蟲害死亡量。

1? ? 噴灑效果影響因素分析

本文將噴灑方式分為地面高壓噴灑以及農(nóng)業(yè)植保機噴灑2種，其中地面高壓噴灑為地面點源方式，農(nóng)業(yè)植保機噴灑為空中線源噴灑方式。

1.1? ? 農(nóng)藥噴灑覆蓋直徑（d）

地面高壓噴霧噴灑農(nóng)藥時，其覆蓋區(qū)域形成直徑為d的圓形，若同時具備多個噴灑龍頭，則覆蓋面積近似擬合為一個圓形區(qū)域;若為植保機噴灑，則藥劑在空中形成一條長度l的藥劑線。

1.2? ? 噴灑高度（H）

噴灑高度是指噴霧距離植株的平均高度。高度<50 m不需要修正;高度>50 m則需要對風速進行修正。農(nóng)業(yè)植保機噴灑時的飛行高度可以看作50～100 m。

1.3? ? 氣象條件

大氣垂直穩(wěn)定度是等溫或逆溫以及風速對噴霧擴散影響巨大。等溫及中等風速時乃是施放農(nóng)藥的有利條件，藥劑飄移距離大，藥劑下風擴散距離遠;若存在對流天氣或風速>9 m/s，則不宜施放藥劑;一般風速則較為適宜農(nóng)藥施放。溫度對藥劑飄移影響甚微，但溫度升高會加劇藥物蒸發(fā)，使藥劑濃度下降。本文主要考慮風速和降水對噴霧擴散的影響。降水影響藥劑濃度，考慮到降水因素的影響，可以根據(jù)降水情況用降水修正系數(shù)（w）進行修正。中等以下降水無須修正，中等以上降水需修正，且修正系數(shù)一般取w=0.2。風速影響到藥劑擴散距離和藥劑濃度。本文風速是指垂直于地面2 m處的風速。由于不同高度風速不同，為此引入風速校正因子（q）。50 m以下低空風速無需校正，50 m以上高空則需要結合風速校正因子進行校正。

2? ? 建立梯形擴散模型

根據(jù)上述影響因素分析可知，噴霧在空氣中因風速等原因會形成擴散，擴散方向與下風方向一致。由于受橫風影響，長距離擴散將形成梯形場面積，基于此，建立如下面積擴散模型。從圖1可以看出，地面高壓噴霧噴灑出的藥霧會隨下風方向飄移，同時會向兩邊擴散最終形成梯形藥劑覆蓋面積，其中下風方向覆蓋距離即下風方向漂移里程，下風覆蓋最大寬度即橫向擴散形成的最大里程。從圖2可以看出，空中線源噴灑時，由于受橫風及下風影響，同樣會形成梯形擴散覆蓋面積。

3? ? 有效覆蓋面積及蟲害致死量計算

3.1? ? 地面多點源有效覆蓋面積計算

3.1.1? ? t時刻點源下風藥劑覆蓋縱深L（t）計算。由于覆蓋縱深是時間t的函數(shù)，且縱深與風速、地形、噴灑半徑成正比，其計算公式如下：

其中，S（t）表示有效覆蓋面積，l表示線源的長度，α表示線源與風向的垂直方向的夾角，L（t）表示藥劑覆蓋縱深。

3.3? ? 藥劑覆蓋區(qū)域內(nèi)蟲害死亡數(shù)量計算

藥劑有效覆蓋區(qū)內(nèi)蟲害死亡數(shù)量計算公式如下：

P（t）=ρ×S（t）×d×ρ×T（6）

其中，P（t）表示t時刻蟲害死亡數(shù)量，ρ表示單位面積蟲害密度，S（t）表示t時刻的藥劑覆蓋面積，d表示殺傷率，T表示綜合校正因子。

4? ? 結語

本文根據(jù)農(nóng)藥噴灑方式將其劃分為地面點源、空中線源2種，并根據(jù)各自的擴散特點分別建立梯形場擴散模型，最終根據(jù)各自擴散模型分別給出了計算藥劑有效覆蓋面積以及藥劑覆蓋區(qū)內(nèi)蟲害致死量計算辦法。本文對農(nóng)業(yè)蟲害藥劑使用具有一定的指導意義，突出表現(xiàn)在能夠大幅提高藥劑使用效率、減少藥劑用量、減少對環(huán)境污染方面。

5? ? 參考文獻

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