靜電噴霧霧滴飄移相關影響因素及煙用噴霧罩減飄試驗研究

孫軒 王生北 魏帥 王志江 謝永輝 張毅杰 張?zhí)祉?/p>

摘要：為了研究靜電噴霧霧滴飄移規(guī)律，減少噴桿靜電噴霧霧滴飄移潛力，以水敏紙霧滴飄移測試框架為采集方法，進行霧滴飄移田間試驗，定量分析了 2種煙株高度（0.2、0.4 m）與 3種噴霧速度（0.4、0.6、0.8 m/s）條件下，3種側風區(qū)間（0.1～0.4、0.5～0.8、0.9～1.2 m/s）對靜電噴霧霧滴飄移潛力與煙用噴霧罩減少霧滴飄移效果的影響。結果表明：側風風速 1.0 m/s、噴霧速度0.4 m/s條件下，煙株高度為0.2 m時與 0.4 m時相比，霧滴飄移潛力增幅最大為97%;煙株高度0.2 m時，側風風速與霧滴飄移潛力極顯著相關（P<0.01）;側風風速與霧滴飄移潛力的二次函數(shù)擬合決定系數(shù)大于 0.93;風速 0.6～1.0 m/s條件下，煙用噴霧罩減飄效果顯著，霧滴飄移潛力減少率為72%～88%;噴霧速度 0.4 m/s時，噴霧罩減飄效果最好。

關鍵詞：風;煙草;靜電噴霧;霧滴飄移;噴霧罩;水敏紙

中圖分類號：S491 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0193-07

霧滴飄移是指在噴霧作業(yè)過程中，農(nóng)藥霧滴或顆粒被氣流攜帶向非標靶區(qū)域運動的一種物理現(xiàn)象[1]，也是造成環(huán)境污染、農(nóng)藥流失及農(nóng)藥有效利用率低的重要原因之一[2]。隨著農(nóng)藥施用量的不斷增加以及人們對生態(tài)環(huán)境保護和食品安全等問題的日益關注，農(nóng)藥霧滴飄移已成為施藥過程中須要關注的主要問題之一[3]。

目前，非靜電噴霧霧滴飄移研究主要集中在風洞條件、室內(nèi)風場、田間試驗及建模仿真方面，探究了不同噴頭類型、噴霧壓力、噴霧高度、噴霧速度及不同風速風向等參數(shù)對霧滴飄移的影響[4-9]，并討論了不同減少霧滴飄移方法的具體效果[10-12]。霧滴飄移研究的目的是發(fā)現(xiàn)與提出較為突出的問題，建立霧滴飄移測量標準及評價指標，最終控制及減少飄移霧滴。茹煜等在恒風速下進行了水稻靜電噴霧田間試驗，證明了靜電噴霧會顯著增加霧滴沉積的效果，但靜電霧滴粒徑較小，容易產(chǎn)生霧滴飄移[13]。所以，不同試驗因素下，靜電噴霧對霧滴飄移的影響規(guī)律有待進一步研究[14]。卜佳振進行了靜電噴霧霧滴飄移田間試驗，認為靜電電壓越大，靜電霧滴飄移越少[15]。楊洲等進行了噴桿式靜電噴霧機無噴霧靶標的霧滴飄移室內(nèi)試驗，結果表明靜電電壓的增加會使靜電霧滴飄移中心距與飄失率增大，并提出靜電噴霧適合在無風或低風速（2 m/s）條件下作業(yè)的建議[16]。靜電噴霧影響因素研究除了明確低風速下風速與靜電霧滴飄移的規(guī)律，還須進一步研究靶標作物對靜電噴霧霧滴飄移的影響。王軍鋒等建立風幕式靜電噴桿噴霧試驗臺進行了室內(nèi)試驗，證明無風條件下，風幕能減少靜電霧滴的橫向飄移運動，但沒有進行不同側風風速條件下，風幕減少靜電噴霧霧滴飄移的研究[17]。噴霧罩已被證明能有效減少側風風速對霧滴飄移的影響，而且噴霧罩結構簡單、經(jīng)濟實用[18-22]?，F(xiàn)今，研究噴霧罩在不同側風風速下，減少噴桿式靜電噴霧機（器）霧滴飄移的田間試驗甚少。

本試驗首次嘗試將噴霧罩安裝在噴桿式靜電噴霧器上，以煙草為施藥靶標，選用水敏紙霧滴飄移測試框架采集樣品，進行了噴桿靜電噴霧霧滴飄移及煙用噴霧罩較少霧滴飄移的田間試驗。以期為研究靜電噴霧霧滴飄移影響因素、噴桿式噴霧機（器）田間霧滴飄移測試方法，提高靜電霧滴抗飄移能力提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗首先對比相同側風風速與噴霧速度下，不同煙株高度對靜電噴霧霧滴飄移的影響，研究靜電霧滴吸附性對靜電霧滴飄移的影響。然后在不同煙株高度與噴霧速度下，研究側風風速對噴桿靜電噴霧霧滴飄移的影響，確定側風風速對靜電噴霧的影響顯著性。最后對比得出不同煙株高度與噴霧速度下，側風風速與噴霧罩減少霧滴飄移潛力效果的關系，分析安裝噴霧罩減少靜電噴霧霧滴飄移的效果與相關影響規(guī)律。共進行了3種側風風速區(qū)間、2種煙株高度與3種噴霧速度條件下的全面試驗。試驗參數(shù)如表1所示。

試驗噴霧設備使用江蘇省太倉市金港植保器械科技有限公司生產(chǎn)的霧星 JWB-16A型噴桿式靜電噴霧器。靜電發(fā)生器電壓15～30 kV，噴霧器出水量約3 mL/s，噴霧靜電霧滴體積中值直徑不大于120 μm，在無風室內(nèi)環(huán)境中用水敏紙（water sensitive paper，簡稱WSP，尺寸3 cm×8 cm）測試了靜電噴霧器在噴霧高度為1、2 m時的有效噴幅，噴幅直徑均不超過0.8 m。

田間霧滴飄移測試試驗于 2019年 6月在昆明市富民縣煙草試驗基地進行。試驗在噴霧高度為0.3 m、噴嘴直徑為 0.04 cm、噴霧壓力為 0.36 MPa 條件下噴灑自來水。田間試驗布置如圖1所示，依據(jù)煙草種植區(qū)面積確定4 m×1 m的試驗區(qū)。試驗進行期間環(huán)境最大瞬時風速不超過2 m/s。每次試驗在距離煙草種植中心線0.4 m處，依風向布置3組水敏紙霧滴飄移測試框架，代表3次重復試驗的采樣結果。水敏紙飄移測試框架用于收集噴霧時飄失的霧滴，主體為3根長1.5 m、垂直插入地面、水平距離為0.1 m的桿子，在所有桿子上布置相同高度的水敏紙，水敏紙相對于地面的布置高度分別為0.15、0.30、0.45、0.6 m。

1.2 試驗方法

試驗開始后，在距地面1 m高度處設置風速儀，測量試驗進行期間瞬時風速與平均風速。每組試驗時間不超過10 s，試驗風速為試驗進行期間的平均風速，且試驗瞬時風速均處在對應風速區(qū)間 ±0.2 m/s 的范圍內(nèi)。噴霧器噴桿運動方向與地面長方形試驗區(qū)的長邊保持平行，并將噴桿限制在靶標中間位置。風向儀測量風向，側風風向垂直于噴霧桿行進方向，誤差不超過±15°。為了保證每次噴霧桿噴霧高度保持一致，試驗前在試驗區(qū)周邊設置了高度參照物;并且為了保證試驗噴霧速度的準確性，正式試驗前已進行了多次預試驗練習。試驗進行期間平均溫度32.5 ℃、平均相對濕度42%。每次噴霧結束后，待水敏紙干燥后（約 2 min）再收集，并裝入預先做好標記的防潮文件盒中，水敏紙會在試驗當天進行電子圖像掃描，對于水敏紙電子掃描文件，使用圖像處理軟件ImageJ進行處理，得到飄失霧滴的沉積量等數(shù)據(jù)，根據(jù)不同布置高度上的水敏紙霧滴沉積量，計算不同試驗條件下的霧滴飄移潛在指數(shù)。

1.3 計算方法

曾愛軍在霧滴飄移測試試驗中使用飄移潛在指數(shù)（drift potential index，簡稱DIX）作為評價指標，測量了霧滴的飄移沉積特性[23]。王瀟楠等進行了霧滴飄移田間試驗，將測得的霧滴飄移潛在指數(shù)作

為霧滴飄移潛力的評價指標;但因為無人機旋翼附近氣流脅迫霧滴運動，霧滴飄移潛在指數(shù)與側風風速無顯著相關關系[24]。Bai等使用霧滴飄移潛在指數(shù)與霧滴飄移潛在指數(shù)減少率（drift potential index reduction percentage，DIXRP）作為評價指標，比較了不同噴嘴減少霧滴飄移潛力的效果[25]。

1.3.1 霧滴飄移潛在指數(shù)的計算[26] 霧滴飄移潛在指數(shù)是一種霧滴飄移潛力的評價指標，DIX值越大，表示飄移損失的可能性越大。

式中：y是水平距離，z是垂直高度，hN是噴頭高度，T為霧滴體積總通量;ν（y，z）為飄移霧滴通過測試截面內(nèi)任意一點的體積通量。

相對體積飄移量（V）定義為：

式中：TN為噴頭噴液量。

飄移霧滴量分布的特征高度（h）定義為：

式中：ν（z）為某一高度下任意一點飄移霧滴的體積通量。

霧滴飄移潛在指數(shù)（DIX）定義為：

式中：a、b是常數(shù)，根據(jù)大量風洞試驗與田間試驗回歸分析計算定值分別為 0.88、0.78。

1.3.2 霧滴飄移潛在指數(shù)減少率的計算[25] 霧滴飄移潛在指數(shù)減少率指標作為DIX值變化情況的評價指標，DIXRP值越大，表示減少霧滴飄移損失的效果越好。

式中：DIXrs為普通靜電噴霧時的霧滴飄移潛在指數(shù);DIXis為使用噴霧罩后靜電噴霧時的霧滴飄移潛在指數(shù)。

2 結果與分析

2.1 不同煙株高度對靜電噴霧霧滴飄移的影響

由表2可知，當噴霧速度相同，側風風速差距過大時，例如側風風速為0.1～0.4 m/s時，噴霧速度在0.4、0.6 m/s條件下，煙株高度0.4 m時的側風風速（0.4 m/s）均比0.2 m時（0.1 m/s）大 0.3 m/s，煙株高度0.4 m時霧滴飄移潛力更大。當噴霧速度相同，側風風速差距不大時，例如噴霧速度0.4 m/s側風風速為0.5～0.8 m/s條件下，雖然煙株高度0.4 m時側風風速比0.2 m時大0.2 m/s，但是煙株高度 0.2 m 時霧滴飄移潛力更大。在噴霧速度與側風風速條件相同時，煙株高度0.2 m時霧滴飄移潛力明顯比煙株高度0.4 m時大：側風風速為0.1～0.4 m/s時增幅為37%;側風風速為0.5～0.8 m/s時增幅為18%～50%;側風風速為1.0～1.2 m/s時增幅為54%～97%。煙株高度0.4 m時霧滴飄移潛力較小，可能主要因為煙株高度0.4 m時煙草生長更加成熟，相較于煙株高度0.2 m時靜電霧滴更容易吸附靶標，所以靜電霧滴更不易飄移。

2.2 煙株高度0.2 m時風速對霧滴飄移與噴霧罩減飄的影響

表3結果表明，煙株高度0.2 m時，不同噴霧速度下，隨著側風風速的增大，霧滴飄移潛力明顯變大。由圖2可見，3種噴霧速度下，霧滴飄移明顯減少。

為定量研究霧滴飄移潛力隨側風風速的變化規(guī)律，利用Origin 2019中的數(shù)據(jù)分析工具分析霧滴飄移潛在指數(shù)隨側風風速的變化規(guī)律。在進行多項式回歸時，同時利用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進行了回歸分析，這些函數(shù)的相關系數(shù)均比多項式回歸的相關系數(shù)要小，故采用多項式表示霧滴飄移潛在指數(shù)隨側風風速的變化規(guī)律。由表4可見，不使用噴霧罩，霧滴飄移潛在指數(shù)DIX均與側風風速極顯著相關（P<0.01）;使用噴霧罩后，霧滴飄移潛在指數(shù)DIX與側風風速顯著相關（P<0.05）;煙株高度 0.2 m 時，霧滴飄移潛力隨側風風速的變化規(guī)律可以用二次多項式進行表示，且擬合的決定系數(shù)較高。

為定量研究噴霧罩減少霧滴飄移隨側風風速的變化規(guī)律，利用表示霧滴飄移潛在指數(shù)隨側風風速變化關系的二次多項式，分析了不同噴霧速度下，風速（0.6～1.0 m/s）與噴霧罩霧滴飄移潛在指數(shù)減少率的關系。圖3結果表明，煙株高度0.2 m時，隨著風速的增大，噴霧罩減少霧滴飄移的效果隨之變差。噴霧速度0.4 m/s時霧滴飄移潛在指數(shù)減少率為85%～88%，降幅為3%;噴霧速度 0.6 m/s 時霧滴飄移潛在指數(shù)減少率為72%～84%，降幅為12%;噴霧速度0.8 m/s時霧滴飄移潛在指數(shù)減少率為73%～85%，降幅為12%。隨著風速的增加，噴霧速度0.4 m/s時噴霧罩的減飄效果最優(yōu)，減飄效果的下降幅度也最小。

2.3 煙株高度0.4 m時風速對霧滴飄移與噴霧罩減飄的影響

由表5可見，煙株高度0.4 m時，隨著側風風速的增大，霧滴飄移潛力明顯變大。由圖4可以看出，不同噴霧速度下，噴霧罩都明顯減少了霧滴飄移。

利用Origin 2019中的數(shù)據(jù)分析工具，分析了霧滴飄移潛在指數(shù)隨側風風速的變化規(guī)律。由表6可見，霧滴飄移潛在指數(shù)均與側風風速呈顯著相關關系（P<0.05）;煙草高度0.4 m時，霧滴飄移潛力隨側風風速的變化規(guī)律可以用二次多項式表示，且r2均較高。

煙株高度0.4 m時，定量分析了不同噴霧速度情況下，風速（0.6～1.0 m/s）與噴霧罩霧滴飄移潛在指數(shù)減少率的關系。圖5結果表明，煙草高度0.4 m時，噴霧速度 0.4、0.6、0.8 m/s時霧滴飄移潛在指數(shù)減少率分別為 42%～58%、47%～49%與 57%～62%，隨著側風風速的增加，噴霧罩減飄效果隨之變差。

3 討論

3.1 靜電霧滴吸附作用對靜電噴霧霧滴飄移的影響

傳統(tǒng)靜電噴霧機（器）霧滴飄移室內(nèi)試驗，不設置噴霧靶標[16-17]。進行霧滴飄移試驗之前，要預先假設靜電霧滴對靶標的吸附作用[27-28]不會對試驗結果產(chǎn)生影響，進而得出靜電電壓的增加會使霧滴更容易飄移。然而在實際情況中，尤其在適宜進行靜電噴霧的低風速環(huán)境下，靜電霧滴對不同生長階段靶標作物的吸附作用會對霧滴飄移試驗的結果產(chǎn)生較大的影響;例如當側風風速小于 1.2 m/s 時，靜電霧滴在煙株高度0.2 m時比0.4 m時更容易飄移，不同側風風速與噴霧速度條件下霧滴飄移潛力增幅為15%～97%[16]。卜佳振進行了無人直升機霧滴飄移田間試驗，得到了隨著靜電電壓的增加，靜電霧滴對靶標的吸附作用隨之增強，進而減少了霧滴飄移的結論[15]，本試驗所得靜電霧滴吸附作用對霧滴飄移試驗結果的影響效果與之一致。

3.2 田間不穩(wěn)定與不可控的側風對靜電噴霧霧滴飄移的影響

本試驗針對低風速（側風風速小于1.2 m/s）、低施藥量（施藥量在3 mL/s以下）靜電噴霧機（器）田間運動噴霧，建立了霧滴飄移實時測試收集框架。但因為霧滴飄移田間試驗主要由于側風的不穩(wěn)定性和不可控性，使得田間試驗很難重復，難以確定某一因素對試驗結果的影響作用，所以試驗整體設計既有精確也有簡化。例如：（1）單組試驗進行時間短（不超過10 s），保證了側風風速變化的穩(wěn)定性。使用試驗平均風速作為側風風速，保證了組內(nèi)重復試驗結果的代表性[16]。（2）試驗設置了側風風速浮動變化區(qū)間，增強了側風風速的可調(diào)控性，有效避免了試驗水敏紙的大量浪費，之后通過建立側風風速與霧滴飄移潛在指數(shù)的二次擬合函數(shù)，分析側風風速對霧滴飄移的影響。（3）使用水敏紙霧滴飄移測試框架采集飄移出噴霧區(qū)域的霧滴，提高了飄移霧滴的采集精度[29-30]。即使靜電噴霧噴霧量較少，不同試驗條件下結果的差異也非常明顯。本試驗方法針對性較強，但也存在著一些不足，需要后續(xù)研究進行不同試驗條件下的完善。主要體現(xiàn)在水敏紙對霧滴的靈敏度較高，對試驗環(huán)境的要求較為苛刻，且對于飄移霧滴的數(shù)據(jù)容量也較低。

3.3 噴霧罩減飄方法對靜電噴霧霧滴飄移的影響

靜電噴霧的優(yōu)勢在于靜電霧滴的吸附性，特別是靜電霧滴的環(huán)繞效果對于提升作物背面吸附性尤為重要[14]。但相關試驗已證明靜電霧滴容易被側風風速所影響[16]，選擇采用噴霧罩減少靜電噴霧霧滴飄移，一方面因為噴霧罩與某些改變噴霧霧滴的大小來減少霧滴飄移的噴霧防飄移助劑原理[26]不同，噴霧罩不會對靜電霧滴的霧化有任何影響。另一方面噴霧罩也與為噴霧霧滴附加動能的風幕式減飄方法原理[2，17]不同，噴霧罩不會影響霧滴的運動軌跡，從而影響靜電霧滴的環(huán)繞效果。噴霧罩減飄方法雖然理念和方法比較簡單，但噴霧過程中噴霧罩與靜電霧滴自身的靜電吸附力協(xié)力合作，現(xiàn)階段不失為一種減少靜電噴霧霧滴飄移的良好方法。

4 結論

為了研究靜電噴霧霧滴飄移規(guī)律，減少噴桿靜電噴霧霧滴飄移潛力，進行了噴桿靜電噴霧霧滴飄移田間試驗。運用霧滴飄移潛在指數(shù)與霧滴飄移潛在指數(shù)減少率分別作為霧滴飄移潛力與噴霧罩減少霧滴飄移效果的評價指標，在不同煙株高度（0.2、0.4 m）與噴霧速度（0.4、0.6、0.8 m/s）條件下，定量分析了側風風速 （0.1～0.4 m/s、0.5～0.8 m/s、0.9～1.2 m/s）與靜電噴霧霧滴飄移潛力、煙用噴霧罩減飄效果的關系，得到了以下結論：

在低風速（側風風速小于1.2 m/s）條件下，靜電霧滴對不同生長階段靶標的吸附作用，會對靜電噴霧霧滴飄移試驗的結果產(chǎn)生一定的影響。

平均溫度32.5 ℃、平均相對濕度42%、側風風速小于1.2 m/s條件下，隨著側風風速的增加，水敏紙霧滴飄移測試框架測得的霧滴飄移潛力隨著之增加;對不同側風風速區(qū)間下的試驗結果進行擬合，表明了側風風速（0.1～1.2 m/s）與霧滴飄移潛力的二次函數(shù)關系（擬合決定系數(shù)大于 0.93）。使用噴霧罩后，側風風速與霧滴飄移潛力顯著相關（P<0.05），對不同側風風速區(qū)間下的試驗結果進行擬合，表明了側風風速（0.1～1.2 m/s）與霧滴飄移潛力呈顯著相關關系。

在 0.6～1.0 m/s側風風速條件下，風速越大，噴霧罩的減飄效果越差;煙株高度 0.2 m時，噴霧罩霧滴飄移減少率為 72%～88%，噴霧速度越慢，噴霧罩減飄效果越好;煙株高度 0.4 m時，噴霧罩霧滴飄移減少率為 42%～62%。

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