喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

赵伟霞，张 萌，李久生，栗岩峰

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

0 引 言

组合喷灌均匀度是衡量喷灌机灌水质量和喷头性能的重要指标[1-5]，是进行喷头配置优化组合选型时的重要评价指标[6-7]，也是利用喷灌机进行灌溉管理后充分体现其节水、增产等社会经济效益的关键因素[8-11]。目前，国内外多个科研机构和喷头、喷灌机生产厂家虽已相继开发出多款圆形喷灌机辅助设计和决策支持系统[12-14]，以及圆形喷灌机喷头配置方法和软件[15-16]，但喷头数据库的建立多基于固定的喷头安装高度[17-18]，即喷灌机灌水均匀度是在特定喷头安装高度时的灌水均匀性。

为了减少喷灌蒸发漂移损失，提高喷灌水利用效率，喷头生产厂家根据喷头类型，对喷头安装高度的要求一般为大于等于（例如，Nelson R3000、D3000）或等于（例如，Nelson S3000、N3000）作物高度。因此，为了满足作物高度随作物生长变化的需求，理论上需要适时调整喷头安装高度。Ortiz等[19]对2种喷头安装高度的甜菜试验研究结果表明，圆形喷灌机喷头安装高度对灌水均匀性、作物产量和水分生产效率均有影响。Abd El-Wahed等[20]对喷头安装高度升高后的谷物生长影响研究表明，喷头安装高度升高后的籽粒产量、株高和水分利用效率均得到了明显提高。但在圆形喷灌机应用时，因为喷灌机中缺失喷头安装高度调节装置，所以喷头安装高度一般是由喷灌机生产厂家按照用户需求，根据灌溉的作物高度和机组长度方向的地块平整度确定[21]，或保持喷头配置时的安装高度不变。由此带来的问题主要体现在 2个方面：一是喷头安装高度的随意调整对喷灌均匀性的影响有待进一步验证；二是当作物高度大于喷头安装高度时，与喷头连接的PE下垂管和喷头因为作物冠层的遮挡，喷灌均匀性受到质疑。

为了解决上述问题，谢崇宝等[22]发明了重力自垂型伸缩式大型喷灌机喷水装置，通过在配重管内套装伸缩管的方式实现喷头安装高度的调节。为了开发利用配重管的输水功能，赵伟霞等[23]利用喷灌机现有的PE下垂管+喷头+配重的结构形式，通过将配重钢管内置和改变配重钢管在下垂管中插入深度的方法，发明了喷头安装高度调节装置，保证作物生育期内喷头时刻保持在作物冠层上方，并提出通过增加不同安装高度时的喷头水量分布特性数据库，结合灌溉作物高度变化范围进行喷头配置和喷灌均匀性校核的方法。

本文拟通过喷头安装高度调节装置的应用，以国内喷灌机中普遍使用的Nelson D3000低压折射式非旋转喷头为研究对象，研究喷头安装高度的改变对圆形喷灌机灌水均匀度和灌水深度的影响，评价作物生长过程中进行灌溉管理时，直接调节喷头安装高度的可行性。

1 试验材料与方法

1.1 圆形喷灌机水量分布特性测试系统

试验于 2017年在国家节水灌溉工程技术研究中心（北京）试验研究基地进行（116°15′E、39°39′N、海拔31.3 m）。试验用圆形喷灌机（华泰保尔，DYP-49）由一跨加悬臂组成，选用Nelson D3000低压折射式非旋转喷头，喷头间距2.92 m，共17个，出厂时喷头距地面高度设定为1.5 m。为保证喷灌均匀度，每1个喷头上方均配置压力调节器（美国尼尔森，0.103 MPa）。喷头安装高度通过调节配重钢管在PE下垂管中的插入深度实现。

1.2 试验设计及田间布置

2017年5—6月在裸地共进行45组试验，试验因素为喷灌机喷头配置、喷头安装高度与喷灌机行走速度百分数。喷灌机喷头配置设置 3个水平，其对应的喷灌机出流量分别代表3跨圆形喷灌机第1跨、第2跨、第3跨所有喷头的流量总和，分别为8.8、16.7、24.2 m3/h（记为Q1、Q2、Q3）。为研究不同喷头配置时试验用圆形喷灌机水力性能稳定性，喷灌机行走速度百分数设置为20%、40%、60%、80%和 100%共5个水平，采用全组合试验设计，共15组试验。在验证喷灌机水力性能稳定性后，为研究不同喷灌机喷头配置情况下喷头安装高度变化对喷灌机灌水质量的影响，根据喷灌作物高度变化范围以及喷灌机桁架高度，喷头安装高度设置为距地面0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m共5个水平（记为 H1、H2、H3、H4、H5），喷灌机行走速度百分数设置60%和100%共2个水平，采用全组合试验设计，共30组试验。

每组试验过程中，喷灌机主输水管进口压力为0.15 MPa，平均风速小于2 m/s。测试内容包括灌水深度和沿喷灌机桁架方向的水量分布均匀性，水量分布均匀性的测定按照国家标准[24]执行。试验用雨量筒内径为215 mm，高度为230 mm，均匀无缺陷。间距为2 m的2排雨量筒沿径向2条射线交错布置，其末端间距等于7 m，2排雨量筒错开的距离为1 m。当雨量筒不在喷洒范围内时立即测量并记录灌水深度，以降低蒸发对灌水深度的影响[24]。

1.3 均匀度和灌水深度计算方法

圆形喷灌机灌水均匀系数采用修正赫尔曼-海因（Heermann-Hein）公式[24]计算：

式中CUHH为赫尔曼-海因均匀系数，%；n为用于数据分析的雨量筒个数；i为雨量筒标识变量，通常从距中心支轴最近的雨量筒（i=1）开始，到距中心支轴最远的雨量筒（i = n）结束；Vi为第i 个雨量筒内收集的水的深度，mm；Si为第i个雨量筒距中心支轴的距离，m；Vw为所收集水的深度的加权平均值，mm，灌水深度测量值为2排雨量筒的算术平均值：

根据圆形喷灌机设计原理[25]，理论灌水深度hk与喷灌机行走速度百分数k之间的关系方程为：

式中hk为喷灌机百分率计时器设定值为k时的灌水深度，mm；h为k =100%时的灌水深度，mm。

通过分析不同喷灌机行走速度时灌水深度测量值与理论值的关系方程可知，在3种喷灌机出流量（Q1、Q2、Q3）情况下，灌水深度实测值和理论值之间均存在极显著的线性关系（R2=0.996 8、0.996 1、0.996 4），线性方程拟合系数分别为1.000 3、1.066 3、1.075 4，均与1非常接近，表明试验用圆形喷灌机出水性能稳定，厂家所用的喷头配置软件性能可靠，不同喷头配置时均可以通过调节喷灌机行走速度准确控制灌水深度。

2 结果与分析

2.1 喷头安装高度对灌水深度的影响

标准喷头安装高度下，喷灌机行走速度百分数为100%时，喷灌机出流量Q1、Q2、Q3对应的灌水深度测量值分别为1.62、3.23和4.66 mm，灌水深度随喷灌机出流量的增加而增大。与标准安装高度1.5 m的灌水深度相比，不同喷头安装高度的灌水深度测量值相对误差如表1所示。

表1 不同喷头安装高度灌水深度相对误差Table 1 Relative error of irrigation depth with different installation height of sprinkler /%

由表1可知，喷灌机行走速度百分数为100%时，喷头安装高度变化对灌水深度测量值的影响与喷灌机出流量有关。对喷灌机出流量Q1和Q2处理，当喷头安装高度为0.5～2.0 m时，喷灌水深测量值大于标准高度的测量值；当喷头安装高度为2.6 m时，喷灌水深测量值小于标准高度的测量值。对喷灌机出流量Q3处理，喷头安装高度的调增或调减均减小了喷灌水深测量值。喷灌机行走速度百分数为60%时，除与单个喷头的水量分布有关外，受喷灌机走—停状态的影响，每组试验时雨量筒开始接收水量的时间不完全相同，但因为这种影响无法测量[26]，因此灌水深度相对误差受喷头安装高度的影响规律与喷灌机行走速度百分数为 100%时不完全相同。对喷灌机出流量Q1处理，喷头安装高度的调整减小了喷灌水深测量值。对喷灌机出流量 Q2处理，当喷头安装高度为 0.5～2.0 m时，喷灌水深测量值大于标准高度的测量值；当喷头安装高度为2.6 m时，喷灌水深测量值则小于标准高度的测量值。对喷灌机出流量Q3处理，当喷头安装高度为1.0～2.0 m时，喷灌水深测量值大于标准高度的测量值；当安装高度为0.5和2.6 m时，喷灌水深测量值则小于标准高度的测量值。说明喷头安装高度偏离标准高度时，喷灌机行走速度和喷灌机出流量均会影响灌水深度实测值。另外，由喷头安装高度为2.6 m时的灌水深度测量值在不同喷灌机行走速度和喷灌机出流量时均小于标准高度的结果可知，喷头安装高度过高会因为增加喷洒水滴在空中飞行时间导致的蒸发漂移损失量过大而降低喷灌水利用效率。这与Abo-Ghobar[27]关于对不同喷头安装高度，喷灌蒸发漂移损失量随喷头安装高度的增加而增大结果基本保持一致。由相对误差绝对值的平均值可知，喷头安装高度改变引起的灌水深度测量误差随喷头安装高度偏离标准高度的增加而增大，随喷灌机行走速度的减小而增大，但不同喷头安装高度时灌水深度相对误差绝对值的平均值均小于10%。

2.2 喷头安装高度对径向水量分布的影响

以喷灌机出流量Q3为例，图1给出了不同喷头安装高度下灌水深度沿径向的分布。因为试验用圆形喷灌机性能稳定可靠，其他喷灌机出流量时的水量分布与Q3相似，喷灌机出流量并未对水量分布产生影响。从图中可以看出，2排雨量筒水量分布变化规律相同，在距中心支轴 10～45 m范围内，灌水深度呈锯齿形波动，与安装R3000旋转式喷头的圆形喷灌机水量分布特性相同[28]。因缺少相邻喷头水量的叠加贡献，放置在喷灌机首部和末端的雨量筒收集到的水量主要来自首部和末端的 1个喷头，在靠近中心支轴0～10 m范围内和雨量筒距中心支轴的距离超过45 m后，灌水深度明显减小。

图1 不同喷头安装高度灌水深度沿径向分布Fig. 1 Distributions of water depth along radial direction with different installation heights of sprinkler

不同喷头安装高度时，灌水深度沿径向的分布规律发生了明显变化，表现为灌水深度沿径向虽然均呈锯齿形波动，但在喷灌机不同行走速度和喷头安装高度时，灌水深度的离散程度不同。利用变异系数分别计算图 1中灌水深度的离散程度，结果如表2所示。

当喷灌机行走速度为100%时，2排雨量筒承接水量的灌水深度变异系数平均值随喷头安装高度的增加而发生变化，在标准喷头安装高度1.5 m时最小（0.27），在安装高度为0.5 m时最大（0.48），且2.6 m安装高度时的灌水深度变异系数（0.28）与标准高度时相差较小。喷灌机行走速度为60%时，最大变异系数（0.51）仍在喷头安装高度为0.5 m时获得，但与标准高度1.5 m时的变异系数（0.34）相比，喷头安装高度增加后的变异系数均有所减小，2.0 m和 2.6 m时分别为0.26和0.30。说明喷头安装高度改变后，水量分布的叠加效果随之产生了变化，且喷灌机行走速度对不同喷头安装高度时灌水深度沿径向的离散程度变化规律有一定影响。这也是喷头安装高度调节后的灌水深度与标准高度时的灌水深度产生偏差，且在喷头安装高度为0.5 m时偏差最大的原因之一。上述研究结果与张以升等[29]关于不同安装高度时的单喷头水量分布结果相同，其原因是随着喷头安装高度的增加，雨滴在空气中的运动时间延长，且当较大液滴碎裂产生较小粒径的雨滴时，改变了原有的飞行轨迹，使较为集中的水量得以充分扩散。相反地，随着喷头安装高度的降低，雨滴在空气中的运动时间较短，水量扩散不充分，尤其是喷头安装高度为H1（0.5 m）时，试验用雨量筒高度（230 mm）减少了喷洒水滴的实际飞行时间，增加了实际喷洒水量与承接水量之间的偏差。

表2 不同喷头安装高度的灌水深度变异系数Table 2 Variation coefficients of irrigation depth for different installation heights of sprinkler

2.3 喷头安装高度对均匀系数的影响

为研究雨量筒排数、喷灌机行走速度和喷灌机出流量对灌水均匀系数的影响，表 3给出了标准安装高度情况下，不同喷灌机行走速度下由 2排雨量筒数据计算的均匀系数均值及均匀系数差值的绝对值。

表3 不同喷灌机出流量时的灌水均匀系数Table 3 Irrigation uniformity coefficients for different outflow rates

结果表明，喷灌机行走速度百分数为20%～100%时，由2排雨量筒测得的CUHH的差值绝对值在6.9%以内，说明雨量筒排数对圆形喷灌机灌水均匀系数的评估结果影响较小。在3种喷灌机出流量情况下，受试验过程中气象条件差异的影响，不同喷灌机行走速度时的灌水均匀系数虽然略有差异，但差异程度均未达到显著水平。由不同喷灌机出流量情况下的灌水均匀系数平均值可知，喷灌机出流量为8.8、16.7、24.2 m3/h时，灌水均匀系数平均值分别为82.8%、82.5%和84.0%，差异较小，表明喷灌机出流量对喷灌均匀性影响较小。

表 4为不同喷头安装高度下的均匀系数及其与标准安装高度下的均匀系数相对误差（（均匀系数-喷头安装高度1.5 m时均匀系数）/喷头安装高度1.5 m时均匀系数），喷灌机3种出流量情况下，喷头安装高度为H1（0.5 m）时的均匀系数均最小，分别为74.2%、68.8%和65.2%，与其他安装高度时的均匀系数产生了显著差异；在Q1处理，喷头安装高度为H2（1.0 m）时的均匀系数也显著小于其他安装高度较高的处理；H3（1.5 m）、H4（2.0 m）、H5（2.6 m）处理的均匀系数无显著差异。这说明升高喷头高度虽然有利于水量的扩散，但是超过喷头标准高度后，喷头安装高度的增加对灌水均匀系数的影响不大，而喷头安装高度过低，则一定会减小灌水均匀系数。这与李永冲[30]在喷头安装高度为1.6 m，2种雨量筒放置高度时，放置高度0.24 m（喷头安装高度1.36 m）的灌水均匀系数大于放置高度1.1 m（喷头安装高度0.5 m）的灌水均匀系数结果保持一致，但其同时发现对于 R3000喷头，2种放置高度的喷灌均匀性基本相同。由表中的相对误差值可知，相对于标准安装高度时的灌水深度，喷头安装高度H1对灌水均匀系数的降低程度随喷灌机出流量的增加而增大，最大可以降低23.9%。

表4 不同喷头安装高度的灌水均匀系数及相对误差Table 4 Irrigation uniformity coefficient and its relative error with different installation heights of sprinkler

3 结 论

为了解决作物生育期内喷头距离地面的安装高度低于作物高度可能导致的灌水不均匀问题，本文基于喷头安装高度位于作物冠层上方的原则，应用喷头安装高度调节装置，测试了D3000喷头在不同安装高度的水量分布特性，评估了喷头安装高度改变对灌水深度和灌水均匀系数的影响。主要结论如下：

1）与标准高度时的喷灌水深相比，喷头安装高度改变时的灌水深度测量值偏离标准高度测量值的程度，随喷头安装高度偏离标准高度的增加而增大，随喷灌机行走速度的减小而增大，但不同喷头安装高度时的相对误差绝对值的平均值均在10%以内。喷头安装高度为0.5 m时，灌水深度较标准高度时误差最大。

2）喷头安装高度调节后，水量分布的叠加效果改变，灌水深度沿径向的分布规律发生了明显变化，虽然灌水深度沿径向均呈锯齿形波动，但灌水深度的离散程度不同，安装高度0.5 m时灌水深度的变异系数最大。

3）喷头安装高度为0.5 m时，灌水均匀系数显著降低，最大可降低23.9%。当喷头安装高度在1.5～2.6 m变化时，圆形喷灌机灌水均匀系数无显著差异。综合考虑喷灌机灌水深度控制精度和灌水均匀性，说明可直接根据作物高度变化适时升高D3000喷头的安装高度。作物生育期内喷头安装高度实时改变和不改变 2种情况下，灌水均匀度、喷灌水利用效率和作物的响应特征还有待进一步研究。

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