萬景紅，朱興業(yè)，田 坤，鮑 亞

(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

中國水資源短缺，有效利用率低，在能源日益緊張的情況下，推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇[1-3]，噴灌是目前是世界上廣泛采用的一項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)約用水，節(jié)省勞力和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。其中，噴灌均勻度和噴灌強(qiáng)度是評(píng)價(jià)噴灌質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。韓文霆[5]運(yùn)用插值法研究了雨量筒取樣間距對噴灌均勻度計(jì)算結(jié)果的影響規(guī)律；李小平[6]研究了噴灌系統(tǒng)水量分布均勻度問題，提出了“先徑向插值，后弧向差值”的方法并編制了計(jì)算機(jī)程序。勞東青等人[7]開發(fā)出噴頭水量分布仿真及組合優(yōu)化軟件系統(tǒng)，可快速得出基于給定噴頭組合方式下的噴灌均勻度。此類研究多是對噴灌均勻度進(jìn)行了分析， 而很少提到行走速度方面的相關(guān)問題。范永申[8]等對噴灌和軟管兩用機(jī)組水量分布特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，計(jì)算了噴灌強(qiáng)度和均勻系數(shù)，得到了行走速率是影響水量分布均勻性的主要因素；曹華[9]等以輕小型噴灌機(jī)組為研究對象，研究了運(yùn)行速率和灌水定額直接的關(guān)系，并對機(jī)組的局部水頭損失和沿程水頭損失進(jìn)行了分析；張以升[10]通過理論分析研究了工作壓力和行走速度的關(guān)系并對噴灌均勻度對土壤含水率均勻度的影響進(jìn)行了分析，但是并沒有對噴灌機(jī)的行走速率的合理取值以及噴灌機(jī)的運(yùn)行速度與噴灌強(qiáng)度的關(guān)系給予實(shí)驗(yàn)分析。

本文以新型輕小型平移式噴灌機(jī)組為研究對象，采用Nelson D3000 藍(lán)色折射式噴頭(26號(hào)噴嘴)，在指定的工作壓力下，通過改變噴灌機(jī)組的運(yùn)行速率，得到運(yùn)行速率對噴灑均勻性和噴灌強(qiáng)度的影響規(guī)律。分析噴灌機(jī)組運(yùn)行速率的合理取值范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)以江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程研究中心自行研制的輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組為研究對象，噴灌機(jī)組主要由兩個(gè)部分組成，灑水車和間歇式控制系統(tǒng)。該灑水車可以根據(jù)試驗(yàn)要求改變噴頭安裝間距以及安裝高度，可以滿足試驗(yàn)要求。輕小型噴灌機(jī)組如圖1所示。

圖1 輕小型噴灌機(jī)組Fig.1 Lightweight lateral move irrigation system

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程研究中心無風(fēng)室內(nèi)噴灌試驗(yàn)室進(jìn)行，平移式噴灌機(jī)組采用的噴頭是Nelson D3000 折射式噴頭，藍(lán)色噴盤(36流道)，圓形噴嘴，噴嘴直徑為5.14 mm(26號(hào)噴嘴)。除了上面所述的儀器還包括雨量筒、溫度計(jì)、米尺、秒表、量筒等設(shè)備。

試驗(yàn)采用的噴頭個(gè)數(shù)為3個(gè)，噴頭安裝間距3 m，噴頭測試高度為1 m，試驗(yàn)工作壓力為0.07 MPa。在噴灌機(jī)組行走方向上距噴頭4 m處開始布置雨量筒(單噴頭的噴灑半徑約為3.7 m)，雨量筒高30 cm，直徑20.5 cm，在行走方向上間距為0.5 m布置一個(gè)測量點(diǎn)，共2列。每間隔2.5 m加密布置一排測試點(diǎn)，共3排，每排雨量筒的布置間隔為0.4 m。機(jī)組試驗(yàn)布置圖如圖2所示。

圖2 機(jī)組試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Set test disposal schematic diagram

設(shè)置15%, 30%, 45%, 60%, 75%,90% 共6個(gè)機(jī)組的行、止速率比(行、止速率比指機(jī)組行走、停止的時(shí)間各占單位時(shí)間的比例)。以60 s為一周期，運(yùn)行距離為15 m，15%行、止速率比時(shí)，機(jī)組行走9 s，然后定點(diǎn)噴灑51 s，如此循環(huán)下去，直至走完整個(gè)噴灑距離。完成噴灑后，用量筒測得各雨量筒中收集到的雨滴的體積，每一個(gè)行、止速率比都進(jìn)行3組試驗(yàn)，分別在3天的不同時(shí)間進(jìn)行。

1.3 噴灌均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度計(jì)算

平移式噴灌機(jī)組水量根據(jù)GB/T19797-2005《中心支軸式和平移式噴灌機(jī)水量分布均勻度的測定》和JB/T 6280-2013《圓形(中心支軸式)和平移式噴灌機(jī)》[11,12]測量分布均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度。采用克里斯琴森(Christiansen)公式計(jì)算噴灌均勻系數(shù)[13]?？死锼骨偕綖椋?/p>

(1)

(2)

噴灌機(jī)噴灌強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(3)

式中：ρi為平均噴灌強(qiáng)度，mm/h;pi代表點(diǎn)噴灌水深，mm/h；n代表相同面積的點(diǎn)數(shù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同行、止速率比對噴灌均勻系數(shù)的影響

在0.07 MPa的工作壓力下，利用excel表格分析行、止速率比與噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 行、止速率比與噴灌均勻系數(shù)的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between velocity and irrigation uniformity

從圖3可以看出，噴灌均勻系數(shù)隨著行、止速率比成正增長趨勢，當(dāng)行、止速率比為45%時(shí)，3組試驗(yàn)的噴灌均勻系數(shù)在85%左右，達(dá)到最大值，隨后噴灌均勻系數(shù)和行、止速率比成負(fù)增長趨勢。在15%的行、止速率比下，噴灌均勻性系數(shù)的最大值為84%，最小值為76%， 90%的行、止速率比下，噴灌均勻性系數(shù)的最大值為84%，最小值74%，3次試驗(yàn)得出的均勻性系數(shù)值有較大差距，說明組內(nèi)噴灌均勻度變化幅度較大。從圖3中可以看出噴灌均勻度在同一種處理中的3次重復(fù)中相差較大，原因可能是因?yàn)閴毫Σ环€(wěn)定，或者機(jī)組再啟動(dòng)的瞬間噴頭搖晃，噴灑狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致的。

對行、止速率比和水量分布均勻系數(shù)進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，F(xiàn)值為1.49，進(jìn)行F檢驗(yàn)的P值為0.26，在置信度0.05的情況下，各水平的目標(biāo)變量均值沒有明顯差異，即各行、止速率比對噴灌均勻系數(shù)沒有顯著影響。噴灌均勻系數(shù)差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 方差分析表Tab.1 Analysis of variance

2.2 不同行、止速率比對噴灌強(qiáng)度的影響

圖4為行、止速率比和噴灌強(qiáng)度關(guān)系，由圖4可知，隨著行、止速率比的增大，噴灌強(qiáng)度呈波動(dòng)狀態(tài)，75%和90%運(yùn)行速率比時(shí)噴灌強(qiáng)度趨于一致。30%行、止速率比時(shí)，最大噴灌強(qiáng)度為24 mm/h，最小噴灌強(qiáng)度為18 mm/h，噴灌強(qiáng)度變化幅度較大。15%行、止速率比時(shí)，三次試驗(yàn)的噴灌強(qiáng)度值相對其他行、止速率比較小，其中最大值為19，最小值為16，組內(nèi)變化幅度不大。

圖4 行、止速率比與噴灌強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between velocity and irrigation efficiency

對行、止速率比和噴灌強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，如表2所示，F(xiàn)值為3.79，進(jìn)行F值檢驗(yàn)的P值為0.0273，噴灌強(qiáng)度差異在0.05置信度下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說明行、止速率比對噴灌均勻性具有顯著的影響.誤差的平方和反應(yīng)了組內(nèi)差異，本方差分析中的偏差平方和為31.47. 即組內(nèi)差異較大。

表2 方差分析表Tab.2 Analysis of variance

為進(jìn)一步判斷各行、止速率比的差異顯著性，運(yùn)用多重比較方法進(jìn)行分析，差異顯著性分析結(jié)果如表3所示：其中X1代表行、止速率比15%，X2代表行、止速率比30%，X3代表行、止速率比45%，X4代表行、止速率比60%，X5代表行、止速率比75%，X6代表行、止速率比90%。若平均差異列中的數(shù)據(jù)帶有“*”，或者顯著性(代表差異顯著性水平)一列中的值<0.05，則兩個(gè)水平具有顯著性差異。從表3可以看出，15%的行、止速率比和其余各行、止速率比的顯著性<0.05，且平均差異一欄的數(shù)值后帶有“*”，具有顯著性差異，即15%行、止速率比下的噴灌強(qiáng)度與其他行、止速率比下的噴灌強(qiáng)度有顯著性差異。其他行、止速率比間沒有顯著性差異，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 差異顯著性分析Tab.3 Analysis of difference significance

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)行、止速率比對噴灌均勻度沒有顯著性影響，在45%行、止速率比的情況下，噴灌均勻性系數(shù)最高，達(dá)到87%，完全符合平移式噴灌機(jī)噴灌均勻性設(shè)定要求。

(2)行、止速率比對噴灌強(qiáng)度具有顯著影響，15%行、止速率比下的噴灌強(qiáng)度和其余行、止速率比下的噴灌強(qiáng)度有明顯差異，隨著行、止速率比的增大，噴灌強(qiáng)度呈波動(dòng)趨勢，在45%之后波動(dòng)幅度較小，噴灌強(qiáng)度趨于一致。

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