焦 健，蘇德榮，王亞東，羅 琰，李興福(北京林業(yè)大學(xué)草地生態(tài)與資源研究中心，北京 100083)

0 引 言

中心支軸式噴灌機(jī)具有灌溉效率高、覆蓋面積廣、自動化程度高以及省水省肥等優(yōu)勢[1-3]，在現(xiàn)代草牧業(yè)生產(chǎn)灌溉中占據(jù)重要地位，在我國以至全世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛[4,5]。中心支軸噴灌機(jī)是一種典型的頂端噴灌模式，即噴頭垂直懸掛于冠層以上進(jìn)行噴灌。為降低能耗，當(dāng)前中心支軸式噴灌機(jī)多使用低壓散射式噴頭[6]。噴頭內(nèi)部的水流垂直射向噴盤(折射盤)，根據(jù)噴盤射流槽的形狀，折射水流以特定形態(tài)射向噴頭四周。而根據(jù)噴盤是否能夠轉(zhuǎn)動將噴頭分為固定噴盤噴頭和旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭[7,8]。相比固定噴盤噴頭，旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭具有更多的優(yōu)點(diǎn)[7]。以往的研究表明，旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭的水量分布形態(tài)更理想[7,9]，旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭的噴灑均勻度較固定噴盤噴頭高10%左右[10,11]。因此為提高灌溉質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭的應(yīng)用越來越廣泛。

旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭中，旋轉(zhuǎn)噴盤連接一個阻尼器以控制噴盤的旋轉(zhuǎn)速度，阻尼器中阻尼脂的濃度決定了噴盤旋轉(zhuǎn)的阻尼力度。已有研究報道了不同阻尼脂濃度對旋轉(zhuǎn)噴盤轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)阻尼脂濃度越低，噴盤轉(zhuǎn)速越高，且轉(zhuǎn)速越高，噴頭的射程越近[12,13]。也有研究對比了兩種轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭，結(jié)果顯示噴盤轉(zhuǎn)速更高的噴頭具有更低的射程[14]。而King和Bjorneberg[15]對多種旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭研究指出，噴盤轉(zhuǎn)速更高的噴頭的噴灌強(qiáng)度更高，這容易引起水土流失問題。綜合以上研究結(jié)果，可見噴盤轉(zhuǎn)速過高會同時引起噴灑范圍減小和噴灌強(qiáng)度增加。目前對旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速的研究主要以控制阻尼器的阻尼或?qū)Ρ葍煞N型號的旋轉(zhuǎn)噴頭為主，而未考慮噴嘴尺寸對其噴盤轉(zhuǎn)速、噴灑半徑和噴灌強(qiáng)度的影響。在中心支軸噴灌機(jī)實(shí)際噴頭配置中，通常未考慮噴頭阻尼器阻尼的變化。對大型中心支軸式噴灌機(jī)，由于輸水管路較長，相比靠近中心軸處的噴頭，距中心軸較遠(yuǎn)的噴頭相對地面的線速度更大，為了保證沿噴灌機(jī)半徑方向有滿意的噴灌均勻度，沿噴灌機(jī)半徑方向噴頭的噴嘴直徑必須逐漸增大[16,17]，以增加流量。

因此本研究旨在不同壓力下，測量不同噴嘴直徑下中心支軸噴灌機(jī)用旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭的噴盤轉(zhuǎn)速、流量和噴灑半徑，并分析其噴灌強(qiáng)度。研究由于噴嘴直徑引起的噴盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，以及進(jìn)一步的轉(zhuǎn)速與流量、噴灑半徑和噴灌強(qiáng)度間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 噴 頭

試驗(yàn)選用中心支軸噴灌機(jī)專用旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭R3000(Nelson irrigation Co., USA)，并配備了棕色噴盤，此噴頭和噴盤將水流折射成為多重傾角的12股水流，噴盤在水流噴射形成的力矩下轉(zhuǎn)動，形成12股轉(zhuǎn)動的水流，并在旋轉(zhuǎn)作用下完成單噴頭的全圓噴灑。

試驗(yàn)選用的噴嘴直徑分別為2.78、3.97、4.76、5.56、6.35、6.75和7.54 mm，并進(jìn)行了0.070、0.140和0.200 MPa共3種壓力的測量。為保持壓力一致，每次更換新噴嘴后均重新調(diào)節(jié)壓力至試驗(yàn)所需值。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在開闊的田間條件下進(jìn)行。一個高2.3 m、長8 m的塔架用于懸掛噴頭于離地100 cm高度處。噴頭由塑料軟管懸掛于塔架橫梁中央，其余部分供水管路為PVC管，管徑均為25 mm。管路中安裝有壓力表以及調(diào)壓閥門以控制入水壓，在調(diào)壓閥之前安裝有一個精度為0.5%的電磁流量計測量噴頭流量。同時還安裝有砂石過濾器以防止噴頭堵塞。水源來自于一個地面蓄水池，并由一臺最大水壓為0.35 MPa、最大流量為6 m3/h的水泵提供加壓水。

1.3 測量與數(shù)據(jù)處理

噴盤轉(zhuǎn)速的測量：以某一股水流旋轉(zhuǎn)360°記錄為噴頭旋轉(zhuǎn)一圈所用時間，即旋轉(zhuǎn)周期T，采用秒表計時，每次均測量3次并取平均值為本次測量的最終旋轉(zhuǎn)周期。隨后利用式(1)將噴頭旋轉(zhuǎn)周期換算為每分鐘所轉(zhuǎn)圈數(shù)，即轉(zhuǎn)速：

(1)

式中：RPM為噴頭的轉(zhuǎn)速，r/min；T為噴頭的旋轉(zhuǎn)周期，min。

噴頭的噴灑半徑的測量按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19795.1-2005[18]進(jìn)行。噴灑范圍由噴灑半徑按圓形計算而得，流量直接由電磁流量計測得，并可由以上二者計算得噴灌強(qiáng)度。

所有的測量均在無風(fēng)或微風(fēng)條件下進(jìn)行(<0.9 m/s)。所有壓力與噴嘴的處理組合均重復(fù)3次。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析(SPSS Inc., Chicago, USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴嘴直徑與轉(zhuǎn)速

不同噴灌壓力下，噴盤轉(zhuǎn)速隨噴嘴直徑的變化規(guī)律如圖1所示。當(dāng)壓力分別為0.070、0.140和0.200 MPa時，噴盤轉(zhuǎn)速范圍為0.431～0.737、0.987～1.639和1.921～3.128 r/min。

圖1 噴嘴直徑與噴盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.1 Relationships between nozzle diameters and rotational speed of spray plate

隨噴嘴直徑增加，噴盤轉(zhuǎn)速逐漸增加。當(dāng)噴嘴直徑超過5.56 mm后，轉(zhuǎn)速增加的趨勢逐漸放緩，此后對應(yīng)0.070、0.140和0.200 MPa壓力時的轉(zhuǎn)速范圍分別為0.703～0.737、1.500～1.639和2.949～3.128 r/min。此外，壓力越高，當(dāng)噴嘴直徑由2.78 mm增加至5.56 mm過程中，轉(zhuǎn)速的增加速率也越高。再者，如圖2所示，壓力越強(qiáng)，噴盤平均轉(zhuǎn)速顯著越高(P<0.05)。

圖2 不同壓力下的噴盤平均轉(zhuǎn)速Fig.2 Average rotational speed of spray plate under conditions of different pressure

2.2 流量與轉(zhuǎn)速

圖3表示了不同壓力下噴頭流量與噴盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系。首先可見在更大的壓力下，有更廣的流量輸出范圍，最小流量及最大流量的值均隨壓力的增加而增加。其次，與噴嘴對轉(zhuǎn)速的影響類似，流量越大則轉(zhuǎn)速越高。對0.070 MPa壓力，當(dāng)流量達(dá)到0.837 m3/h時，轉(zhuǎn)速達(dá)0.714 r/min后基本不再增加。對0.140 MPa壓力，當(dāng)流量達(dá)到1.135 m3/h時，轉(zhuǎn)速達(dá)1.500 r/min后基本不再增加。對0.200 MPa壓力，當(dāng)流量達(dá)到1.500 m3/h時，轉(zhuǎn)速達(dá)3.023 r/min后基本不再增加。且壓力越大，轉(zhuǎn)速對流量的變化越敏感。

圖3 噴頭流量與噴盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Relationship between sprinkler discharge and rotational speed of spray speed

2.3 噴嘴直徑與噴灑半徑

如圖4對任意壓力，當(dāng)噴嘴直徑小于5.56 mm時，噴灑半徑隨噴嘴直徑的增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑為5.56 mm時，噴灑半徑達(dá)到最大值，當(dāng)噴嘴直徑大于5.56 mm后，噴灑半徑則隨噴嘴直徑的增加而減小。當(dāng)壓力為0.070、0.140和0.200 MPa時，噴灑半徑分別為3.60～4.90、5.06～6.54和6.48～7.92 m。

圖4 噴頭流量與噴灌半徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between nozzle diameters and wetted diameters

2.4 噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度一方面隨壓力的增加而降低，0.070、0.140和0.200 MPa壓力時的噴灌強(qiáng)度分別為5.60～26.31、3.84～19.46和3.10～14.31 mm/h。其中0.070 MPa時的噴灌強(qiáng)度顯著(P<0.05)高于0.140和0.200 MPa。另一方面，噴灌強(qiáng)度隨噴嘴直徑的增加而增加，噴嘴直徑越大，噴灌強(qiáng)度的增加速率越快，呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系(圖5)。

圖5 噴頭流量與噴灌強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between nozzle diameters and application intensities

通過歸回分析，試驗(yàn)中各壓力下噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度的關(guān)系如式(2)～式(4)所示。

0.070 MPa：

R=17.360 0-7.060 6d+1.083 7d2

R2=0.993P<0.01

(2)

0.140 MPa：

R=12.130 4-5.052 2d+0.786 2d2

R2=0.988P<0.01

(3)

0.200 MPa：

R=3.765 9-1.250 2d+0.355 9d2

R2=0.996P<0.01

(4)

式中：R為灌溉強(qiáng)度，mm/h；d為噴嘴直徑，mm。

其中二次項(xiàng)的參數(shù)值隨壓力的減小而增大，表明壓力越低，噴灌強(qiáng)度隨噴嘴直徑增加的速率越快。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

本研究觀測得的R3000噴頭在不同壓力及不同噴嘴直徑下的噴盤轉(zhuǎn)速范圍為0.431～2.949 r/min。當(dāng)噴頭壓力為0.070 MPa時，測得轉(zhuǎn)速范圍總體小于以往報道的R3000的轉(zhuǎn)速范圍[15]，但當(dāng)壓力增加至0.140 MPa后，轉(zhuǎn)速則與以往研究一致。

以往研究各類旋轉(zhuǎn)噴頭噴盤轉(zhuǎn)速與水力性能的報道均指出：噴頭的最大噴灑半徑與轉(zhuǎn)速成反比[12,13]。此外，在中心支軸噴灌機(jī)用非旋轉(zhuǎn)的固定噴盤噴頭上的研究表明[8,19]，噴灑半徑也是隨噴嘴直徑增加而增加的。因此，對旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭而言，噴灑半徑是噴嘴直徑和轉(zhuǎn)速共同作用的結(jié)果。本研究中，當(dāng)噴嘴直徑大于5.56 mm后，噴灑半徑開始縮小，表明此時轉(zhuǎn)速對噴灑半徑的影響開始起主導(dǎo)作用。因此，對旋轉(zhuǎn)噴頭而言，當(dāng)配置噴嘴大于5.56 mm后，在流量增大的同時伴隨著噴灌面積縮小的問題。

灌溉強(qiáng)度過高有引起地表徑流和土壤侵蝕的風(fēng)險[15]。有研究對比兩種轉(zhuǎn)速的中心支軸式噴灌機(jī)的旋轉(zhuǎn)噴頭，結(jié)果顯示，高噴盤轉(zhuǎn)速的噴頭具有更高的最大噴灌強(qiáng)度，且在粉壤土和沙壤土條件下以及近似的流量條件下，轉(zhuǎn)速更高的噴頭具有顯著更高的產(chǎn)沙量，即造成了更顯著的水土流失。

因此，對采用了旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭的中心支軸噴灌機(jī)而言，對于遠(yuǎn)離中心軸的外側(cè)跨架而言，其配備了更大直徑的噴嘴以滿足大流量的要求，但同時需注意噴嘴直徑增大引起的轉(zhuǎn)速增加、噴灑半徑縮小和進(jìn)而導(dǎo)致噴灌強(qiáng)度增加問題，尤其當(dāng)噴灌機(jī)壓力較低時，這一問題將更加突出。在中心支軸噴灌機(jī)旋轉(zhuǎn)噴頭的配置中，對配置了5.56 mm以上噴嘴的噴頭，可考慮適當(dāng)增加噴頭的阻尼，以降低由于噴盤轉(zhuǎn)速過高引起的灌溉強(qiáng)度過高問題。

3.2 結(jié) 論

試驗(yàn)測量了中心支軸噴灌機(jī)用的旋轉(zhuǎn)噴盤噴頭(R3000)不同壓力條件下不同噴嘴直徑時噴盤轉(zhuǎn)速、流量和噴灑半徑，得到以下主要結(jié)論。

當(dāng)噴頭壓力為0.070、0.140和0.200 MPa時，噴盤的轉(zhuǎn)速分別為0.431～0.737、0.987～1.639和1.921～3.128 r/min。噴盤轉(zhuǎn)速隨噴嘴直徑增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑達(dá)到5.56 mm后，3種壓力下轉(zhuǎn)速范圍分別穩(wěn)定在0.703～0.737、1.500～1.639和2.949～3.128 r/min內(nèi)。

噴盤轉(zhuǎn)速隨流量的增加而增加，在壓力為0.070、0.140和0.200 MPa條件下，當(dāng)流量分別達(dá)到0.837、1.135和1.500 m3/h時，轉(zhuǎn)速分別達(dá)到0.714、1.135和3.023 r/min后，轉(zhuǎn)速達(dá)基本穩(wěn)定。且壓力越大，轉(zhuǎn)速隨流量的變化越劇烈。

在任何壓力下，噴嘴直徑小于5.56 mm時，噴灑半徑隨噴嘴直徑的增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑大于5.56 mm后，噴灑半徑則隨噴嘴直徑的增加而減小。

[1] Evans R, King B. Site-specific sprinkler irrigation in a water-limited future[J]. Transactions of the Asabe, 2012, 55(2): 493-504.

[2] Montero J, Martinez A, Valiente M, et al. Analysis of water application costs with a centre pivot system for irrigation of crops in Spain[J]. Irrigation Science, 2013,31(3):507-21.

[3] 蔡振華. 中心支軸式噴灌機(jī)關(guān)鍵灌水組件開發(fā)及試驗(yàn)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院, 2009.

[4] Yan H J, Bai G, He J Q, et al. Influence of droplet kinetic energy flux density from fixed spray-plate sprinklers on soil infiltration, runoff and sediment yield[J]. Biosystems Engineering, 2011,110(2):213-21.

[5] Ouazaa S, Latorre B, Burguete J, et al. Effect of the start-stop cycle of center-pivot towers on irrigation performance: Experiments and simulations[J]. Agricultural Water Management, 2015,147(0):163-74.

[6] Musick J, Pringle F, Walker J. Sprinkler and furrow irrigation trends-Texas High Plains[J]. Applied engineering in agriculture, 1988,4(1):46-52.

[7] Faci J, Salvador R, Playán E, et al. Comparison of fixed and rotating spray plate sprinklers[J]. Journal of irrigation and drainage engineering, 2001,127(4):224-33.

[8] Sayyadi H, Nazemi A H, Sadraddini A A, et al. Characterising droplets and precipitation profiles of a fixed spray-plate sprinkler[J]. Biosystems Engineering, 2014,119(0):13-24.

[9] Yan H, Jin H, Qian Y. Characterizing center pivot irrigation with fixed spray plate sprinklers[J]. Science China Technological Sciences, 2010,53(5):1398-405.

[10] Playán E, Garrido S, Faci J M, et al. Characterizing pivot sprinklers using an experimental irrigation machine[J]. Agricultural Water Management, 2004,70(70):177-93.

[11] Ortíz J N, Juan J A, Tarjuelo J M. Analysis of water application uniformity from a centre pivot irrigator and its effect on sugar beet (Beta vulgaris L.) yield[J]. Biosystems Engineering, 2010,105(3):367-79.

[12] 李一鳴, 李 紅, 劉俊萍, 等. 旋轉(zhuǎn)式噴頭轉(zhuǎn)速對水力性能影響試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2014,33(4):171-4.

[13] 劉中善, 李光永. 旋轉(zhuǎn)式微噴頭轉(zhuǎn)速對水力性能影響的試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2006,25(4):64-7.

[14] 侯永勝，嚴(yán) 肖，李 李. 圓形噴灌機(jī)低壓阻尼噴頭水滴直徑分布規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報, 2014,(4):467-73.

[15] King B, Bjorneberg D. Evaluation of potential runoff and erosion of four center pivot irrigation sprinklers[J]. Applied engineering in agriculture, 2011,27(1):75-85.

[16] 儀修堂, 竇以松, 蘭才有, 等. 中心支軸式噴灌機(jī)噴頭配置方法及其數(shù)學(xué)模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007,23(2):117-21.

[17] 嚴(yán)海軍, 姚培培, 朱 勇, 等. 圓形噴灌機(jī)噴頭配置技術(shù)與軟件研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2011,(6):84-8.

[18] GB/T 19795.1-2005, 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備旋轉(zhuǎn)式噴頭(第1部分)：結(jié)構(gòu)和運(yùn)行要求[S].

[19] Deboer D. Drop and energy characteristics of a rotating spray-plate sprinkler[J]. Journal of irrigation and drainage engineering, 2002,128(3):137-46.