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5.05hm²,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。     

喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

根据作物高度适时调整喷头安装高度,是保证圆形喷灌机灌水均匀度和喷灌效率的重要措施之一。该研究通过引入自主研发的喷头安装高度调节装置,以安装D3000低压折射式非旋转喷头的圆形喷灌机为研究对象,研究了不同喷灌机出流量(8.8、16.7、24.2 m3/h)情况下喷灌机水力性能的稳定性,测试了喷灌机3种出流量在喷头安装高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m)改变时的灌水均匀系数和灌水深度。结果表明,在喷头标准安装高度(1.5 m)下,圆形喷灌机水力性能稳定,喷灌机3种出流量的灌水深度沿径向均呈锯齿形波动,灌水均匀系数为82.5%~84.0%。喷头安装高度小于标准高度时,灌水深度沿径向的分布出现了较大波动,0.5 m时波动最剧烈,灌水均匀系数最大降低23.9%。喷头安装高度大于标准高度时,灌水深度沿径向的分布更为均匀,灌水均匀系数与标准高度的均匀系数无显著差异。与标准高度时的灌水深度测量值相比,喷头安装高度调节后的测量水深相对误差在10%以内。为保证喷灌均匀性和灌水深度,建议作物高度大于1.5 m时,可根据作物高度适时升高喷头安装高度。     

滚移式喷灌机喷头优选及水力性能优化

为解决滚移式喷灌机水力性能差的问题,拟通过单喷头试验、模拟计算和比较分析,选择出适合于滚移式喷灌机的喷头,从根本上改善机组的水力性能。同时对影响滚移式喷灌机水力性能的结构与工作参数进行优化试验,采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法,以喷头工作压力、喷头间距、喷洒间距为影响因素,喷灌均匀系数和喷灌强度为评价指标,得到模型回归方程。在评价指标满足设计要求的条件下获得该机组工作效率较高的参数组合:喷头工作压力0.4 MPa,喷头间距10 m,喷洒间距18 m,此时滚移式喷灌机喷灌均匀系数为0.91,喷灌强度为10.43 mm/h,喷灌效果较好。与现存的12 m?12 m的滚移式喷灌机相比,喷灌单位面积土地需要移动机组的次数减少了33.3%,工作效率大幅度提高,且减少劳动力。研究可为滚移式喷灌机的进一步发展提供参考,也可为其他喷灌设备中摇臂式喷头的选型提供理论依据。     

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。     

田间试验评估圆形喷灌机变量灌溉系统水量分布特性

为了定量评估变量灌溉对喷灌机灌水深度和水量分布均匀性的影响,该文通过在圆形喷灌机中安装电磁阀、压力调节器、变频器及变量灌溉控制系统,搭建了圆形喷灌机变量灌溉自动控制平台,评估了均匀灌溉、部分喷头开启式变量灌溉和脉冲式变量灌溉条件下的水量分布特性。结果表明,均匀灌溉条件下,当喷灌机行走速度百分数为20%~100%时,沿径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数变化分别为92%~94%和87%~89%,行走速度的影响很小;沿喷灌机旋转方向(周向),修正赫尔曼-海因均匀系数为95%,分布均匀系数为93%,与喷灌机行走速度和测量位置关系不大;通过控制喷灌机行走速度可以获得准确的灌溉水深。变量灌溉条件下,喷灌机周向水量均匀性不变,但径向水量均匀性降低。与均匀灌溉相比,部分喷头开启式变量灌溉的径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数分别降低10和19个百分点,降低程度随喷头分组数增加而增大。与均匀灌溉相比,脉冲式变量灌溉的径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数分别降低9和12个百分点,降低程度与相邻管理区内的灌水深度差呈正相关。为保证变量灌溉管理区内的径向修正赫尔曼-海因均匀系数≥85%,部分喷头开启式变量灌溉需在管理区两端分别设置0~3 m的过渡带,脉冲式变量灌溉需设置0~4 m的过渡带。变量灌溉条件下通过调整喷灌机行走速度控制灌溉水深的精度与喷灌机行走速度和电磁阀占空比有关,部分喷头开启式变量灌溉灌水深度平均低估0.48 mm,脉冲式变量灌溉平均低估1.46 mm。     

喷灌配套耕作措施对土壤物理性质及玉米生长的影响

针对东北雨养区中心支轴式喷灌机的发展,和对与之配套的耕作与农艺管理措施的迫切需求,以玉米为研究对象,分别在2014年及2015年在东北西部内蒙古通辽地区开展了中心支轴式喷灌机喷灌条件下鱼鳞坑、深松及深松+鱼鳞坑耕作等配套耕作措施对土壤物理性质及玉米生长影响的田间试验研究。结果表明:与传统免耕相比,不同耕作措施均能有效降低0—40cm深度的土壤容重,提高土壤孔隙度和土壤饱和导水率,从而改善了土壤结构;虽然深松、深松+鱼鳞坑两个处理之间玉米的产量没有显著差异,但是采用深松、深松+鱼鳞坑耕作措施可以增加玉米的茎粗和株高,并提高穗部干物质积累速率、穗干重比例和百粒重,有利于玉米的增产。     

微灌坡地双向毛管最佳支管位置遗传算法优化设计

在分析微灌坡地双向毛管水力特性的基础上,提出一种基于遗传算法的双向毛管最佳支管位置的优化设计方法,建立了数学模型,给出了优化算法,编制了优化设计程序。该模型与算法能确定最佳支管位置和毛管进口压力,计算出毛管上每个灌水器的压力、流量及特征值,使双向毛管上的平均灌水器流量等于灌水器设计流量,保证最大灌水均匀度。研究结果表明,该模型与算法求解速度快、精度较高、可靠性强。     

不同指标轻小型喷灌机组配置优化

为探究配置方式对喷灌机组整体性能的影响,明晰不同配置方式的特点,在前期调研的基础上,以轻小型灌溉机组4.4CP-45为例,分别以单位面积上资源消耗,如机组能耗、年费用及使用年限内总费用等为评价指标,结合实际使用配置方式,采用遗传算法,讨论平坡条件下配置不同喷头10PXH、15PY、20PY及40PY时的喷头数及管径等最优组合方式,并对每种配置方式的适用范围进行分析。研究结果表明,通过3个优化目标下机组最优配置方式的对比,较好地反映出每种配置方式的优劣,与实际使用方式吻合较好。配置40PY 喷头时,机组单位能耗高,但年费用很低,适于抗旱或大田作物的灌溉;配置15PY 喷头时,优化配置下的机组能耗比初始配置时降低7.3%,比配置20PY降低8.3%,同时各项费用都比较低,灌溉均匀性高,但移动时劳动强度较大,适于经济作物或植物幼苗的灌溉;配置20PY喷头时,机组总费用最低,为6284.8元/hm2,比初始配置降低15.4%。所有配置方式下能耗费、运行费分别占据机组年费用及总费用的主要部分,有必要通过配置优化或采用中低压喷头、改善管理以降低系统能耗。该研究可以为机组的合理设计、喷头选择及应用推广提供参考。     

圆形喷灌机启闭时段对喷洒化学液均匀性的影响

圆形喷灌机采用比例法喷洒化学液，引用赫尔曼—海恩(Heermann-Hein)公式计算喷洒化学液均匀系数。喷洒化学液开始和结束时，由于配置在输水管上的喷头喷洒化学液的起始时间不同，造成了局部面积内喷洒化学液的不均匀性。该文提出了圆形喷灌机从输水管第一个喷头开始喷洒化学液至最末喷头开始喷洒化学液的间隔时间内，每个喷头喷洒时间的计算公式。计算结果表明当圆形喷灌机输水管布置喷头总数为80～200时，在首末喷头喷出化学液的时间段内，有效喷洒化学液面积约占此时段内总扇形灌溉面积的1/2。为提高喷洒化学液的均匀性，提出了圆形喷灌机喷洒化学液的正确操作步骤。     

Teejet雾化喷头的水力性能试验及工作参数优选

为探究Teejet雾化喷头工作参数对单喷头及组合喷洒水力性能的影响,进而得到雾化喷头的较优配置工况,该研究通过试验分析、理论计算和综合评价相结合的方法,探究等效直径、安装高度、工作压力对雾化喷头水力性能的影响规律;定量分析得到安装高度、工作压力、等效直径、组合间距与组合均匀性系数之间的关系;构建综合评价指标体系,采用主成分分析法确定雾化喷头最优配置方案。结果表明：1）随着工作压力的升高,喷头喷灌强度峰值逐渐增长;随着安装高度的升高,喷头的喷洒范围增大,水量分布更加均匀;相同安装高度和工作压力条件下,喷嘴的喷灌强度峰值与等效直径呈正比。2)3种等效直径喷头组合均匀性系数随工作压力和组合间距的变化趋势基本一致,组合间距对组合均匀系数的影响最为明显,随着喷头组合间距的增加,喷头的组合均匀系数大多呈先减小后增加再减小趋势。3）雾化喷头最优配置工况为喷嘴等效直径1.81 mm、安装高度0.6 m、组合间距0.2 m、工作压力400 kPa。该研究可为适用于温室的移动式微喷灌机组的参数配置提供依据,并为该机组在全国范围内的推广应用提供理论支撑。     

基于弹道理论坡地喷灌水量分布模拟及均匀度计算

为解决坡地喷灌水量分布实测困难的问题,该文基于弹道轨迹方程,考虑水滴运动蒸发,通过三维坐标系降维转化,计算坡地喷灌水滴空间运动轨迹,以平地实测水量分布为基础,根据水量平衡原理,建立坡地喷灌水量分布计算模型。结果表明,实测与模拟的水量分布、射程的相对误差小于9%和5.04%,说明建立的模型能够准确反映坡地喷灌水量分布规律,具有一定的可靠性,可应用于坡地喷灌系统设计。以雨鸟LF1200喷头为研究对象,应用模型重点分析地形坡度、喷头布置方式、间距和工作压力等因素对喷灌均匀度的影响,结果表明,在95%的置信度下,地形坡度、喷头工作压力、布置方式和间距对喷灌均匀度的影响均呈显著水平,其中喷头工作压力影响最大,布置方式和喷头间距影响次之,地形坡度影响最小,且在一定坡度范围内,地形坡度对喷灌均匀度的影响远小于工作压力、喷头布置方式和间距。在坡地喷灌系统设计时,如果选用雨鸟LF1200喷头,须保证喷头在正常工作压力下运行,不宜低压作业,应优先考虑方形布置,在兼顾系统成本和喷灌质量时,建议喷头间距宜为其平地射程的0.8倍,且喷头不宜在15°以上的坡地作业。研究可为坡地喷灌系统规划设计提供参考。     

基于PWM技术的大型变量喷灌机整机水力性能研究及优化

基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术的变量喷灌机虽然能实现更精细的地块水分管理，但因实现变量的电磁阀的持续开闭动作，喷灌机主输水管道内流量呈现持续的阶跃变化，进而导致变量喷灌过程中存在压力脉动和机械激振现象。该研究基于Matlab/Simulink，对基于PWM技术的大型变量喷灌机在变量喷灌过程中的压力脉动进行了研究分析及改善优化。针对已研制的基于PWM技术的大型变量喷灌机实体系统，首先构建了其关键器件和整机的水力模型，并验证了模型的正确性。然后基于所建模型，对变量喷灌机的压力脉动进行了分析，得到了变量喷灌过程中的压力脉动规律，进而提出了PWM脉冲相位错开的缓减方法，并介绍了该方法的3种具体实施方式，即"站间"错相、"站内"错相和"站间+站内"错相。最后在实现了PWM脉冲相位错开的变量喷灌机整机水力模型上进行仿真分析，证明了所提3种错相方式均可明显减小变量喷灌过程中的压力脉动幅度，同时也可有效提高泵站的利用率。此外，通过在实现了PWM脉冲相位错开的变量喷灌机实体系统上开展田间试验，进一步验证了所提PWM脉冲相位错开方法对于缓减压力脉动和机械激振的有效性。且田间试验结果表明，在采用PWM脉冲相位错开方法时，变量喷灌机仍然具有较好的喷洒均匀性和变量灌溉控制误差。该研究成果不仅能为基于PWM技术的变量喷灌提供较平稳的压力条件从而保障变量喷灌控制精度，还能减小因压力脉动引起的机架激振从而保障设备安全。     

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%～80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%～94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。     

考虑喷灌田间小气候变化作用确定灌水技术参数方法探讨

喷灌强度和灌溉时间是喷灌系统重要的设计与运行参数。传统的喷灌技术参数确定方法没有系统考虑喷灌对田间小气候变化的影响。以2001—2007年河南省新乡市和2005—2011年北京市大兴地区的夏玉米为研究对象,探讨了考虑喷灌田间小气候变化作用确定灌水技术参数的方法,即利用考虑了喷灌田间小气候变化效果的扩展CUPID模型,模拟不同喷灌强度和灌溉时间的喷灌水利用率,研究喷灌水利用率的年际和季节变化规律,以喷灌水利用率最高为目标确定喷灌技术参数。结果表明,随着夏玉米的生长,喷灌水利用率逐渐降低。不同地区喷灌强度对喷灌水利用率年际变化表现出不同的影响程度;白天灌溉比夜间灌溉的喷灌水利用率具有更强的年际变化特征。新乡市粉砂壤土适宜的喷灌强度为10 mm·h-1,大兴地区砂质壤土适宜的喷灌强度为15 mm·h-1,灌溉宜选择在8:00开始。     

轻小型喷灌机组技术评价主成分模型及应用

为解决轻小型喷灌机组喷洒运行、效果检测和能耗分析中涉及到的技术指标综合评价问题,提出采用主成分分析法对喷灌机组进行综合评价的数学模型。总结了喷灌机组喷灌面积、喷灌强度、组合均匀度和能耗等多种单技术评价指标,增加了综合评价的过程。选取评价其技术特性的5个单重要指标,应用所建的评价模型对4套喷灌机组进行综合评价。结果表明：前2个主成分包含了5个指标全部信息的98.75%,最终利用综合主成分公式得到4套喷灌机组综合技术评价指标的排名。该模型可对喷灌机组技术指标进行综合评价,也可为喷灌机组的设计优劣提供评判依据。     

喷灌技术在北方缺水地区的应用前景

北方灌区在国家粮食安全战略中具有重要地位,但用水效率不高,浪费现象严重,加强节水灌溉研究是推动中国节水农业可持续发展的重大战略举措之一。喷灌是一种技术成熟、应用广泛的节水灌溉方式,在北方地区具有广阔的前景。在分析中国北方缺水地区喷灌发展的现状与制约因素的基础上,通过实例对畦灌和喷灌2种灌溉方式及固定式、优化型固定式、半固定式喷灌系统的投资、效益、劳动强度等指标进行了比较分析,结果表明每公顷喷灌投资较畦灌减少77.85%,其中每公顷节省用水量56%,节省水费468.75元/hm2,半固定式喷灌系统较固定式喷灌系统和优化型固定式喷灌系统的费用分别减少70.62%、48.86%,但它的劳动强度较高。最后,从增加政府投入,强化喷灌工程统一管理,降低成本,加强喷灌技术研究和大型喷灌机的研发与推广等角度提出了未来喷灌发展的战略对策。该文为缓解北方地区水资源短缺和大力发展推广喷灌技术提供指导。     

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。