卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建_林学吉.pdf

第 38 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.38 No.21 2022 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov.2022 53 卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建 林学吉1，严海军1,2，惠 鑫1，邱志鹏3（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.农业节水与水资源教育部工程研究中心，北京 100083；3.江苏华源节水股份有限公司，徐州 221000）摘 要：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。关键词：喷灌机；喷头；水肥一体化；主成分分析；模型 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.007 中图分类号：S275.5 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2022)-21-0053-07 林学吉，严海军，惠鑫，等.卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建J.农业工程学报，2022，38(21)：53-59.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.007 http:/www.tcsae.org Lin Xueji,Yan Haijun,Hui Xin,et al.Irrigation/fertilization model and comprehensive evaluation system for a hose-reel sprinklerJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2022,38(21):53-59.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.007 http:/www.tcsae.org 0 引 言 卷盘式喷灌机是一种应用广泛的自走式喷灌机，具有机动性强，能够适应不同地块类型、节约用水与节省劳动力等优点1-3。世界首台卷盘式喷灌机 1970 年在法国诞生4。中国 1978 年引进第一台卷盘式喷灌机后，开始进行产品研制和性能研究5。灌溉水利用效率和灌溉均匀性是开展灌溉质量综合评价的关键指标6。卷盘式喷灌机田间应用时主要采用中高压单喷枪和低压多喷头 2 种喷洒方式，其灌水质量与风速、风向、工作压力、喷洒幅宽等诸多因素有关7-11。为了提高卷盘喷灌机田间水量分布组合均匀度，不少学者开展了计算模型理论推导和试验分析12-14，但基本以单喷枪式为主，然而对桁架式低压多喷头喷洒方式的研究较少，缺乏低压多喷头组合灌溉均匀性的计算分析与试验验证。水肥一体化具有节水节肥、增产增收的优点15-17，近年来，卷盘式喷灌机水肥一体化技术在农业生产中得到应用，李吉鹏18以大流量蠕动泵为施肥设备，设计了卷盘式喷灌机水肥一体化 收稿日期：2022-06-29 修订日期：2022-10-25 基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0201502）；国家自然科学基金重点项目（51939005）作者简介：林学吉，研究方向为节水灌溉技术与装备。Email： 通信作者：严海军，教授，博士生导师，研究方向为节水灌溉技术与装备。Email： 系统。作为行喷式机组系统，卷盘式喷灌机要求施肥设备工作流量稳定，以确保高灌溉施肥均匀度，然而其灌溉施肥参数设计与选型研究尚未见报道。卷盘式喷灌机的入机流量、工作压力等工作参数与配套的喷头、PE 管、驱动装置等相关，并会影响机组灌水质量、运行效率等，因此卷盘式喷灌机在开展灌溉施肥参数的优化配置时需要进行机组性能的综合评价19。Mateos20选用深层渗漏率、喷灌均匀系数等 6 个指标，对喷灌、滴灌和地面灌溉 3 种灌水方式进行了模拟评价。近年来农业劳动力资源日益缩减，降低灌溉系统的运行管理成本逐渐成为关注焦点21。Morankar22将劳动力强度引入目标函数，用于指导喷灌系统设计。朱兴业等23采用主成分分析法对现有的四套喷灌机组进行综合评价。葛茂生24从技术、经济及社会环境多角度出发，构建了卷盘式喷灌机组综合评价指标体系，但部分评价指标较简单、不全面。上述研究多是针对现有特定的喷灌系统进行评价分析，当喷灌机组型号、配置参数或运行工况等发生改变时，则无法获知机组能耗及其构成，推荐的优化方案具有一定的片面性。为此，本文以卷盘式喷灌机低压多喷头桁架式喷头车为研究对象，对常用低压喷头水力性能进行测试分析，提出低压多喷头组合喷灌均匀性计算和灌溉施肥参数设计模型，构建卷盘式喷灌机综合评价体系，并研发基于Web 平台的灌溉施肥参数设计软件，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。农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2022 年 541 多喷头组合喷灌水量分布 1.1 试验设备与方法 喷头径向水量分布曲线是进行多喷头组合喷灌水量模拟的基础。本文对目前卷盘式喷灌机桁架式喷头车上常用的三款低压喷头开展了径向水量分布特性测试，分别是国产的 PG224（喷嘴直径 5.16 mm）、PG134（喷嘴直径 4.95 mm）喷头，以及美国的 Super Spray 喷头（喷嘴编号#12.5、#13，对应喷嘴直径为 4.95、5.16 mm）。试验在中国农业大学水利与土木工程学院喷头水力性能自动测试系统上进行，如图 1 所示。雨量筒采用径向单列布置，第一个雨量筒与喷头水平距离为 1 m，其余每隔0.5 m 布置一个雨量筒。设置 3 种工作压力，分别为 0.15、0.20 和 0.25 MPa。按照喷头喷嘴直径、工作压力的完全组合设置试验工况，每个工况下测试时间均取 1 h。喷头工作压力采用 0.4 级精密压力表监测，喷头流量采用精度0.2 级的 LDTH 型电磁流量计测得。图 1 喷头水力性能自动测试系统 Fig.1 Automatic test system for sprinkler hydraulic performance 1.2 喷头径向水量分布拟合 试验测试的3种工作压力下喷头径向水量分布如图2所示。总体上看，随着工作压力越大，任一喷头下的径向喷灌强度峰值和射程相对越大，且喷灌强度峰值与喷头的距离越远。对比 3 种喷头发现，Super Spray 喷头的喷灌强度峰值最大，PG224 喷头次之，PG134 喷头最小。与 PG224 和 PG134 喷头不同，Super Spray 喷头的水量分布主要集中在射程远端处。图 2 不同喷头在不同工作压力下的径向水量分布曲线 Fig.2 Radial water distribution curves of different sprinklers under different working pressure 由于喷头径向水量分布曲线的实测雨量筒数量有限，因此测点外的喷灌强度需要通过插值或拟合等数学手段获得。目前，用于描述喷头径向水量分布的数值方法包括拉格朗日插值、三次样条插值、分段式插值以及多项式拟合等。经拟合计算，拉格朗日插值法与三次样条插值容易造成射程末端出现喷灌强度小于 0 的情况，这不符合实际情况。当喷灌强度变化幅度较大时，多项式拟合方法得到的喷灌强度拟合值与实测值偏差较大，也不适用于低压喷头的水量分布模拟。由于分段线性插值方法求解过程简便，在喷头射程范围内求得的喷灌强度拟合值与实测值很接近，因此本文选择分段线性插值方法用于低压喷头的径向水量分布拟合。1.3 低压多喷头组合喷灌水量分布模型 卷盘式喷灌机桁架上采用多喷头组合方式进行灌溉，相邻若干喷头之间水量分布相互重叠。为了计算分析灌溉水深，需要对组合喷头进行移动水量叠加计算。以测点 M 为例，在 PE 管带动喷头车回收过程中测点 M受到多个喷头的组合喷洒，如图 3 所示。在喷头车向测点 M 靠近的行走过程中，测点与桁架上所有喷头的距离（r1，r2，rn）不断发生变化，在此过程中，测点 M 所收集到的单个喷头的灌溉水深，即为单喷头水量分布函数在一定的时间内沿 y 方向上的积分。测点 M 的总灌水历时为 2202tRxtV-=（1）式中 tt表示测点 M 的总灌水历时，h；R 表示低压喷头的射程，m；x0表示距离测点 M 最近的喷头与测点 M 的水平距离，m；V 表示喷头车行走速度，m/h。注：沿桁架方向为 x 方向，沿移动方向为 y 方向。ri表示测点 M 到桁架上第i 个喷头（xi,yi）的距离，i=1,2,n。Note:The direction along the truss is the x direction,the direction along the moving is the y direction.ri represents the distance between measuring point M and the sprinkler（xi,yi）on the truss,i=1,2,.n.图 3 低压多喷头桁架工作方式示意图 Fig.3 Working schematic of multiple low-pressure sprinklers on a truss 第 21 期 林学吉等：卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建 55 为简化计算，综合考虑计算精度与计算量，以 5 s 作为计算周期 t0，假定在每个计算周期内，测点 M 与桁架上各个低压喷头的距离保持不变，将总灌水历时划分为 k个计算单元，即：0/tktt=（2）式中 k 表示计算单元数量（计算值取整）。对每个计算单元进行编号，对于编号为 j（1，2，k）的计算单元，测点 M 沿 PE 管回收方向的移动距离 s 为 0sjtV=（3）当喷头车移动距离 s 后，测点 M 与桁架上第 i 个低压喷头的距离 ri可表示为 22()()iiMiMrxxyys=-+-（4）若 ri小于等于喷头的射程 R，则表示测点 M 接受到该喷头的喷灌水量，将 ri代入低压喷头径向水量分布拟合的分段线性插值函数中，求得每个计算单元的喷灌强度 1(ri)，将喷灌强度与计算周期 t0相乘即可得到该计算周期内的灌溉水深；若 ri大于喷头的射程 R，则表示测点M 不会接受到该喷头的喷灌水量，该计算周期内测点 M的灌溉水深为 0。测点 M 接受到桁架上所有 n 个喷头的总灌溉水深 h(M)可表示为 1()niih Mh=（5）式中hi表示为测点M接受到第i个喷头的灌溉水深，mm。2 灌溉施肥参数与综合评价指标 2.1 灌溉参数计算 卷盘式喷灌机灌溉时为满足设计灌水定额，可通过改变喷头车行走速度、桁架上低压喷头总流量实现，而低压喷头总流量等同于卷盘式喷灌机的入机流量，与入机压力和灌溉水通过 PE 管的阻力损失有关。2.1.1 灌水定额 小麦、玉米等农作