贺 玮

(新乡学院，河南 新乡 453003)

随着社会经济以及城镇化建设的快速发展，在提高社会经济的同时大幅改善了广大人民的生活条件。与此同时，工业、农业、生活及生态用水结构也发生了根本性变化，在竞争中处于劣势的农业用水不断被挤占，为了应对农业用水的日益紧张以及粮食安全的挑战，推广节水灌溉已成为缓解当前农业用水供需矛盾、发展农村经济、实现农业可持续发展的迫切需要[1,2]，加之农村人口结构的改变迫使农业生产向机械化、自动化方向发展。

国内外研究及应用实践证明，喷灌是一种具有节水、增产、自动化程度较高的先进灌溉技术[3,4]，半固定式喷灌以其节水、省工、灌水均匀度高、成本低、移动方便、轮灌速度快等优势在半干旱地区以及季节性干旱的湿润地区已得到广泛应用，但采用喷灌进行灌溉时，容易受到外界环境条件(风)的影响，当风速较大时，不仅影响灌水均匀度而且容易造成喷洒损失，严重时还会出现漏喷现象[5-8]。国内外众多学者对喷灌系统效率的主要影响因素和均匀度做了大量研究[9-12]，但对于大尺寸喷头喷灌均匀度研究还相对较少，笔者通过田间试验及理论分析的方法研究了不同设计参数对大尺寸喷头喷灌均匀度的影响，在此基础上对相关参数进行优化，为半固定式大尺寸喷头的喷灌系统设计和高水平管理提供理论支持和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年3-11月在豫西试验站进行。试验区属季风气候区，光热资源丰富，平均年日照时数2 156 h，无霜期206 d，多年平均气温14.49 ℃；多年平均降水量为525.16 mm。试验田土壤为壤土，0～200 cm土层平均土壤干体积密度为1.47 g/cm3，田间持水率31.53%(体积含水率)，地下水埋深大于20 m。

为了降低作物冠层截留对灌水均匀度的影响，试验安排在冬小麦植株较小的越冬前、返青期以及夏玉米拔节前进行。试验选用自动旋转金属摇臂喷头(40 PY),喷洒半径23～31 m，工作压力350～500 kPa，喷水量为14～16 m3/h。试验期间半固定喷灌系统布置3条支管，支管长度为100 m，根据试验设计按照矩形布置形式安装喷头。试验期间数据采集仅选中间支管(边上两条支管作为保护区)有效射程内的区域。田间试验为2因素3水平试验，其中工作压力设置3个水平，分别为350、425和500 kPa，风速选3个水平，分别为0～1、1～3和≥3 m/s(见表1)，2因素完全组合共9个处理。试验前参照灌溉农业设备标准[13]布设喷头，在试验区内以喷灌杆为中心向四周每隔1 m均匀布设一个雨量桶，用来监测喷灌均匀度。

表1 试验设计

试验期间，所有喷头的安装高度均为距地面1.6 m处，支管前端安装精度0.4级的标准压力表和精度0.001 m3的水表，利用水表记录灌水量，利用压力表记录工作压力，利用压力表前端的阀门调节工作压力。试验用水由变频泵抽取浅层地下水。利用气象站记录试验期间的实时气象资料，观测指标主要包括风速、空气湿度以及太阳辐射等气象因子。

1.2 观测项目与方法

(1)喷灌均匀度。每次试验前，将所有雨量桶清洗干净并按试验要求摆放，喷水结束后立刻用量桶测量不同位置处雨量桶的集水量，为了减小试验误差，每次喷水结束后30 min内完成所有雨量桶集水量的观测。

(2)喷水时间。在试验开始前通过阀门调节好喷水压力后，用秒表计时，每次喷水时间为60 min。

(3)气象资料。利用试验站的距试验区约100 m的自动气象站记录试验期间气温、辐射、风速、空气湿度等实时气象指标；并利用PM公式计算潜在蒸发量ET0。

(4)均匀度计算。利用Christiansen最早提出的均匀系数Cu来定量描述喷灌灌水量分布均匀性[14]，计算公式如下：

(1)

1.3 数据分析

用EXCEL 2016进行数据整理分析计算。

2 结果与分析

2.1 不同工作压力对喷灌均匀度的影响

无风条件下，试验结果(图1)表明，雨量桶集水量随着距喷头距离的增加而降低，在距离喷头0～13 m的范围内各雨量桶内的集水量变化不大，工作压力为500、425和350 kPa条件下，各雨量桶内集水量的均值分别为10.10、10.36和9.65 mm，变异系数分别为14.91%、12.70%和11.56%。但在13～30 m范围内雨量桶内的集水量随着与喷头距离的增加快速下降，而且随着工作压力的降低而减小，工作压力为500、425和350 kPa条件下，各雨量桶内集水量的均值分别为4.20、3.66和3.31 mm，变异系数分别为62.03%、61.85%和66.31%。

图1 不同工作压力对喷灌均匀度的影响

为进一步分析不同工作压力条件下的单喷头灌水均匀度，根据试验数据，利用公式(1)计算了不同范围内的喷灌均匀度系数(见表2)，从表2可以看到，工作压力为500、425和350 kPa条件下，距离喷头0～10 m范围内喷灌均匀度系数均在90%以上；距离喷头0～15 m范围内的喷灌均匀度系数均在85%以上；距离喷头0～30 m范围内喷灌均匀度系数分别为51.62%、43.09%和40.31%；距离喷头0～25和0～30 m范围内喷灌均匀度系数分别低于70%和52%。说明单喷头条件下，喷灌灌水均匀度随着喷头控制面积的扩大呈降低趋势；为了保证灌水均匀度，单喷头的控制面积以半径15～20 m为宜。从表2还可以看到，在一定工作压力范围(350～500 kPa)内，单喷头的喷灌均匀度系数随着工作压力的增加呈提高趋势，但在0～15 m范围内，趋势不明显。

表2 不同工作压力下单喷头喷灌均匀度系数 %

2.2 不同喷头间距组合对喷灌均匀度的影响

以无风条件下观测的试验数据为例，分析喷头矩形布设条件下不同间距(喷头间距分别选20、25、30、33、35、37、39、42、45和50 m)对喷灌均匀度的影响。分析结果(图2)表明，工作压力为425 kPa条件下，当喷头间距大于37 m时，雨量桶集水量随离喷头距离的增加呈下降趋势[见图2(a)]；当喷头间距不超过37 m时，雨量桶集水量随离喷头距离的增加下降趋势不明显，特别是当喷头间距小于30 m时，甚至有增加趋势[见图2(b)]。进一步分析发现，喷头间雨量桶的集水量平均值随着喷头间距的缩小呈增加趋势，标准差和变异系数均呈递减趋势(见表3)。此外，喷头间距为50 m×50 m、45 m×45 m、和42 m×42 m组合时，喷头间雨量桶集水量的变异系数明显高于其他间距组合，当喷头间距不大于39 m时，喷头间雨量桶集水量的变异系数介于2.28%～17.92%(见表3)，进一步说明，喷头间距大于39 m时不利于喷洒均匀度的提高。

图2 不同喷头间距对喷灌均匀度的影响

项 目喷头间距组合/(m×m)50×5045×4542×4239×3937×3735×3533×3330×3025×2520×20均值/mm7.228.058.809.129.7410.1011.0112.0914.6417.11标准差4.033.252.691.631.280.880.690.771.560.39变异系数/%55.8940.3130.5217.9213.118.676.266.3810.672.28

以工作压力为425 kPa，无风条件下的试验数据为基础，利用公式(1)分别计算了不同喷头间距组合条件下的喷灌灌水均匀度系数。计算结果(图3)表明，喷头间距大于30 m时，喷灌灌水均匀度随着喷头间距的增加呈降低趋势，当喷头间距大于39 m时，下降趋势更趋明显。从图3还可以看到，喷头间距不大于35 m时，灌水均匀度可以达到90%以上；当喷头间距不大于39 m时，灌水均匀度可以达到80%以上；当喷头间距大于40 m时，灌水均匀度在75%以下。这说明，喷头间距控制在39 m以内比较适宜。

图3 不同喷头间距组合对喷灌均匀度系数的影响

2.3 不同风速对灌水均匀度的影响

为探索不同风速对喷灌灌水均匀度的影响，在大田条件下观测了不同喷头间距对灌水均匀度影响的试验，根据试验期间自动气象站观测的实时风速，筛选出试验期间风速在0～1、1～3和3～5 m/s的试验数据，通过对试验数据的整理分析，并利用公式(1)计算不同风速条件下，不同喷头间距组合的灌水均匀度(见表4)。从表4可以看到，当喷头间距小于50 m时，所有组合的喷灌灌水均匀度系数均随着风速的增加呈下降趋势，喷头间距为50 m时，风速对喷灌灌水均匀度系数无明显影响。从表4还可以看到，当工作压力为425 kPa时，风速在0～1 m/s范围内，喷头间距为20～39 m，喷灌灌水均匀度可以达到80%以上；风速在1～3 m/s范围内，喷头间距为20～30 m，喷灌灌水均匀度可达到75%以上；风速超过3 m/s，即使喷头间距不大于20 m，灌水均匀度也难以达到75%以上。

表4 不同风速对灌水均匀度的影响 %

3 结 语

(1)单喷头条件下，喷灌灌水均匀度随着喷头控制面积的扩大呈降低趋势。在推荐工作压力范围(350～500 kPa)内，单喷头的喷灌均匀度系数随着工作压力的增加呈提高趋势，但在0～15 m范围内，趋势不明显。为了保证较高的灌水均匀度，单喷头的控制面积以半径15～20 m为宜。

(2)无风条件下，工作压力为425 kPa时，喷头间距不大于35 m时，灌水均匀度可以达到90%以上；当喷头间距不大于39 m时，灌水均匀度可以达到80%以上；当喷头间距大于40 m时，灌水均匀度在75%以下。这说明，喷头间距控制在35～39 m比较适宜。

(3)系统工作压力为425 kPa时，风速在0～1 m/s范围内，喷头间距为20～39 m，喷灌灌水均匀度可以达到80%以上；风速在1～3 m/s范围内，喷头间距为20～30 m，喷灌灌水均匀度可达到75%以上；风速超过3 m/s，即使喷头间距不大于20 m，灌水均匀度也难以达到75%以上。说明，风速在0～1和1～3 m/s范围时，喷头适宜间距分别为39和30 m，当风速超过3 m/s时，风速是影响喷灌均匀度系数的主要因子。

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