双垄沟播喷灌垄沟膜孔界面水分分布特征

[目的] 分析河西内陆干旱区甘肃省民勤县双垄沟播喷灌条件下水量在垄—沟—膜孔界面汇流入渗特征,探索农业节水与耕作技术耦合的水量传输与利用关系研究的关键科学问题,为发展高效农业节水技术提供理论依据。[方法] 通过田间试验设置24 mm (G₁),30 mm (G₂),36 mm (G₃),42 mm (G₄)4个喷灌灌水定额处理,并通过HYDRUS-2D模型模拟了双垄沟播喷灌垄沟膜孔不同位置土壤水分的差异性和土壤水分二维分布特征。[结果] 基于HYDRUS-2D构建的双垄沟播喷灌垄沟膜孔土壤水分模型精度较高,平均相对误差为6.46%～9.08%,决定系数为0.85～0.95。土壤水分分布特征表现为灌水后1 d土壤饱和湿润区主要集中在0—30 cm土层,并且24 mm (G₁)处理的饱和区面积最小,存在水分亏缺现象。在0—20 cm土层,30 mm (G₂),36 mm (G₃),42 mm (G₄)处理的饱和区面积呈现随灌水量的增加而增加的规律。而在50 cm土层以下,不同处理含水率并无显著差异。[结论] 在河西内陆干旱地区喷灌农田,灌水主要对土壤上层产生影响;HYDRUS模型模拟效果较令人满意,参数较为可靠,在双垄沟播喷灌技术灌溉制度制定时可以参考。     

喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响

为了深入理解喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响规律,以R3000型旋转折射式喷头为研究对象,配备红色6槽的喷盘,选用36种不同直径（1.79～9.92 mm）的喷嘴,在室内无风环境下,采用雨量筒放射线布置法,开展了98、196和294 kPa 3种工作压力下的旋转折射式喷头水量分布特性试验。试验结果表明：在98 kPa工作压力下,使用喷嘴直径1.79～7.54 mm的喷头径向水量分布形式为双驼峰型曲线,使用喷嘴直径7.94～9.92 mm的喷头径向水量分布形式为单驼峰型曲线;在196和294 kPa工作压力下,使用喷嘴直径1.79～9.92 mm喷嘴的喷头径向水量分布曲线均呈现单驼峰型曲线。旋转折射式喷头的水量分布均匀性随工作压力增加而下降;在98 kPa工作压力条件下,除个别喷嘴直径（1.79、1.98 mm）以外,喷头的水量分布均匀性均在60%以上。喷头的喷洒半径范围为4～9 m。喷头的喷洒半径随喷嘴直径增加并非呈单调递增趋势;当喷嘴直径超过7.54 mm（对应38#喷嘴）,随喷嘴直径增加喷洒半径呈下降趋势;并根据试验数据分析结果,确定了喷洒半径随喷嘴直径变化的抛物线模型。喷头的喷灌强度最大值和平均值随喷嘴直径增大而增大,曲线拟合结果表明,喷灌强度最大值和平均值均与喷嘴直径呈明显指数关系,决定系数R2均在0.95以上。研究结果可为低压旋转折射式喷头优化设计、工程应用及促进产品国产化等提供技术依据和参考。     

卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建

卷盘式喷灌机实现精准水肥一体化作业对农作物生产具有重要意义。该研究以卷盘式喷灌机为研究对象,开展了桁架式喷头车选配的低压喷头径向水量分布特性测试,构建了低压多喷头组合喷灌水量分布模拟模型,提出了水肥一体化条件下灌溉施肥参数计算模型,建立了基于喷灌均匀系数、设计喷灌强度、单机控制灌溉面积、单位面积年投资、年运行费5个指标的卷盘式喷灌机综合评价体系。研发了一款基于Web平台的卷盘式喷灌机灌溉施肥参数设计软件,以北京地区种植冬小麦为例,对JP75-300卷盘式喷灌机桁架式喷头车配置三款低压喷头进行方案优选,采用主成分分析法对初筛的12种机组运行方案进行综合评价,最高综合得分0.78为最优运行方案,即喷头类型PG134、工作压力0.15 MPa运行方案下机组喷灌均匀系数为88.96%,喷灌强度为57.31 mm/h,单机控制灌溉面积为5.05 hm2,单位面积年投资1 981.04元/hm2,年运行费为1 019.99元/hm2。研究成果可为卷盘式喷灌机灌溉施肥的参数设计和设备选型提供技术支持。     

Effects of the growing-maize canopy and irrigation characteristics on the ability to funnel sprinkler water

Stemflow is vital for supplying water, fertilizer, and other crop essentials during sprinkler irrigation. Exploring the spatial and temporal variations of crop stemflow and its influencing factors will be essential to preventing soil water and nutrient ion's migration to deeper layers, developing, and optimizing effective sprinkler irrigation schedules. Based on the two-year experimental data, we analyzed the variation patterns (stemflow amount, depth, rate, and funneling ratio) of maize stemflow during the growing season, and clarified its vertical distribution pattern. Meanwhile, effects of sprinkler irrigation and maize morphological parameters on stemflow were investigated. The results showed that stemflow increased gradually as maize plant grew. Specifically, stemflow was small at the pre-jointing stage and reached the maximum at the late filling stage. The upper canopy generated more stemflow than the lower canopy until the flare opening stage. After the tasseling stage, the middle canopy generated more stemflow than the other positions. Variation in canopy closure at different positions was the main factor contributing to the above difference. As sprinkler intensity increased, stemflow also increased. However, the effect of droplet size on stemflow was inconsistent. Specifically, when sprinkler intensity was less than or equal to 10 mm/h, stemflow was generated with increasing droplet size. In contrast, if sprinkler intensity was greater than or equal to 20 mm/h, stemflow tended to decreased with increasing droplet size. Compared with other morphological parameters, canopy closure significantly affected the generation of stemflow. Funneling ratio was not significantly affected by plant morphology. Based on the results of different sprinkler intensities, we developed stemflow depth versus canopy closure and stemflow rate versus canopy closure power function regression models with a high predictive accuracy. The research findings will contribute to the understanding of the processes of stemflow involving the hydro-geochemical cycle of agro-ecosystems and the implementation of cropland management practices.     

基于单片机控制的变域喷洒喷头水力性能试验

为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题,设计了基于单片机的控制器调控水泵转速,改变喷头工作压力,实现变域喷洒,研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明:方形域喷头工作压力实测值为107~225 kPa,能精确响应设计规律;实测射程变化范围为7.6~10.1 m,最短射程为最长射程的0.75倍,射程变化满足方形域喷洒要求;方形域喷洒实现程度的系数为97.2%,高于使用节流装置的方形域喷洒喷头;平均喷灌强度为2.8 mm/h,最高组合均匀度系数达77.7%,最佳组合间距为13~14 m,组合均匀度和组合间距与185 kPa时圆形域喷头一致。方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%。该研究可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。     

轻小型喷滴灌两用机组管路的优化配置及性能试验

为解决现有机组配置不尽合理、能耗高的问题,设计研发一种轻小型喷滴灌两用机组,可实现喷灌和滴灌2种灌水方式。机组采用喷滴灌双工况泵50ZB-25C,配置灌水器为双喷嘴摇臂式喷头15PY2及额定流量为2.7 L/h的内镶式滴灌管。采用理论计算与试验验证相结合的方法,对机组运行参数及田间水量分布特性进行了分析。在理论分析中,应用遗传算法,以低能耗、高效率为目标进行管路的优化配置并计算机组运行参数,确定机组配置7个15PY2喷头及34条滴灌管时为最佳配置,与单一(额定)工况相比,能耗降低9.4%。在最佳配置下进行室外试验,结果表明,机组运行参数试验值与理论计算值相吻合,相对误差仅为1.08%~2.40%,主要受风速及地形坡度影响。机组喷灌均匀系数可达80.0%,滴灌均匀系数达93.6%,均高于国家标准,机组性能优越。     

奶牛喷淋降温水滴形态特性的数值模拟

为研究奶牛喷淋降温过程中的水滴形态特性,以及水滴撞击壁面过程中的铺展系数与水滴喷淋速度和接触角之间的关系问题,采用CLSVOF数值模拟方法,对单个水滴与固体壁面撞击过程进行三维数值模拟。首先根据Yokoi的试验对本研究数值模型的准确性进行验证,然后根据本研究试验测试数据建立数值模型,同时结合韦伯数(We)、雷诺数(Re)及系数K对数值模型进行分析验证。研究了水滴粒径分别在0.5和0.8mm条件下:当速度分别以1、2和3m/s,平均接触角为120°时水滴撞击固体壁面时的形态变化;当接触角分别为90°、120°和140°,速度为1m/s时水滴撞击固体壁面时的形态变化。结果表明:随液滴直径和撞击速度的增加,液滴撞击壁面后主要有振荡、反弹、破碎和飞溅这4种典型运动形态;随着水滴速度的增大,水滴铺展速度加快,最大铺展直径与铺展系数增大;随着接触角增大,水滴最大铺展直径减小,最大铺展系数值减小。     

微喷灌水肥一体化小麦磷钾肥减施稳产提质研究

采用微喷灌水肥一体化灌溉方式研究磷钾肥减施及追施时间对小麦生长发育、水分利用效率及品质的影响。结果表明:磷钾肥减施对小麦拔节期总茎数和分蘖数影响显著,生育期灌3水(越冬水+拔节水+灌浆水)和灌4水(越冬水+拔节水+开花水+灌浆水)的P_(底+拔)K(磷肥50%底施+50%拔节期追施)最高,且可以提高花后干物质的积累能力,增加籽粒中来自开花后干物质的比例,成熟期籽粒分配量最高。与传统栽培模式及微喷灌常量施肥相比,生育期灌水3次(越冬水+拔节水+灌浆水),灌水量1 500 m3/hm2,磷钾肥减施30%且磷肥50%底施+50%拔节期追施与常量施肥高产处理差异不显著,产量构成因子中穗数和穗粒数没有显著变化,千粒重有增加趋势,品质指标较当地传统栽培模式有所提高。因此,在山西省干旱缺水条件下,利用微喷灌水肥一体化技术生育期灌水3次(越冬水+拔节水+灌浆水),灌水量1 500 m3/hm2,氮肥70%底施+30%拔节期追施、钾肥减30%全部底施、磷肥减30%且50%底施+50%拔节期追施可以实现节水节肥稳产提质。     

平地向坡地转换喷灌水量分布计算模型研究

针对坡地喷灌水量分布实测困难问题,以坡地喷头射程计算公式为基础,依据喷头射流方向总水量守恒原理,构建了喷灌水量分布由平地转换到坡地的计算模型,并通过试验验证了模型的正确性。利用该模型,分析了喷头布置方式、喷头间距、工作压力和坡度等对坡面喷灌水量分布的影响,结果表明,三角形布置有利于坡地单喷头水量分布的叠加,且其组合喷灌均匀度略高于方形布置;随着喷头间距的增大,组合喷灌均匀度呈下降趋势;喷头低压运行时,组合喷灌均匀度相对较低,不能满足喷灌均匀性的要求,随着喷头工作压力的增大,组合喷灌均匀度逐渐增大;在一定坡度范围内,不同坡度对水量分布和组合喷灌均匀度的影响较小。因此,在坡地喷灌系统设计时,若选用雨鸟LF1200型喷头,建议采用三角形布置,喷头间距宜为1.0~1.2倍平地喷头射程,喷头工作压力宜选用300 k Pa。     

基于PWM技术的平移式变量喷灌机喷头流量分配方法

大型平移式喷灌机采用脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)技术实现变量灌溉作业,因喷头间喷洒区域相互重叠,由地块管理区的设计处方值求解单喷头流量较为困难。首先根据Nelson R3000型单喷头喷洒特性,得到平移式喷灌机沿桁架方向的一维叠加水量分布特性,以及平移运动后的二维叠加水量分布特性,分析确定了由4个喷头重叠喷洒控制一个管理区,并得到喷头区域喷洒分配率,在此基础上提出了按处方值进行喷头流量分配的加权均分法和基于遗传算法(Genetic algorithm,GA)的分配法。通过管理区喷洒误差分析得出,当相邻处方值变化幅度不超过最大处方值的33%时,精度可以达到5%。为了弥补GA法导致喷洒均匀性下降的不足,将加权均分法和GA法组合应用,有效降低了处方值突变带来的喷洒误差,同时保证了处方值变化较小区域的喷洒均匀性。本文方法可以扩展到4个以上喷头重叠喷洒控制一个管理区的应用场合。