林學(xué)吉，嚴海軍,2，惠 鑫，邱志鵬

卷盤式噴灌機灌溉施肥計算模型與綜合評價體系構(gòu)建

林學(xué)吉1，嚴海軍1,2※，惠 鑫1，邱志鵬3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源教育部工程研究中心，北京 100083；3. 江蘇華源節(jié)水股份有限公司，徐州 221000）

卷盤式噴灌機實現(xiàn)精準水肥一體化作業(yè)對農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要意義。該研究以卷盤式噴灌機為研究對象，開展了桁架式噴頭車選配的低壓噴頭徑向水量分布特性測試，構(gòu)建了低壓多噴頭組合噴灌水量分布模擬模型，提出了水肥一體化條件下灌溉施肥參數(shù)計算模型，建立了基于噴灌均勻系數(shù)、設(shè)計噴灌強度、單機控制灌溉面積、單位面積年投資、年運行費5個指標的卷盤式噴灌機綜合評價體系。研發(fā)了一款基于Web平臺的卷盤式噴灌機灌溉施肥參數(shù)設(shè)計軟件，以北京地區(qū)種植冬小麥為例，對JP75-300卷盤式噴灌機桁架式噴頭車配置三款低壓噴頭進行方案優(yōu)選，采用主成分分析法對初篩的12種機組運行方案進行綜合評價，最高綜合得分0.78為最優(yōu)運行方案，即噴頭類型PG134、工作壓力0.15 MPa運行方案下機組噴灌均勻系數(shù)為88.96%，噴灌強度為57.31 mm/h，單機控制灌溉面積為5.05 hm2，單位面積年投資1 981.04元/hm2，年運行費為1 019.99元/hm2。研究成果可為卷盤式噴灌機灌溉施肥的參數(shù)設(shè)計和設(shè)備選型提供技術(shù)支持。

噴灌機；噴頭；水肥一體化；主成分分析；模型

0 引 言

卷盤式噴灌機是一種應(yīng)用廣泛的自走式噴灌機，具有機動性強，能夠適應(yīng)不同地塊類型、節(jié)約用水與節(jié)省勞動力等優(yōu)點[1-3]。世界首臺卷盤式噴灌機1970年在法國誕生[4]。中國1978年引進第一臺卷盤式噴灌機后，開始進行產(chǎn)品研制和性能研究[5]。灌溉水利用效率和灌溉均勻性是開展灌溉質(zhì)量綜合評價的關(guān)鍵指標[6]。卷盤式噴灌機田間應(yīng)用時主要采用中高壓單噴槍和低壓多噴頭2種噴灑方式，其灌水質(zhì)量與風(fēng)速、風(fēng)向、工作壓力、噴灑幅寬等諸多因素有關(guān)[7-11]。為了提高卷盤噴灌機田間水量分布組合均勻度，不少學(xué)者開展了計算模型理論推導(dǎo)和試驗分析[12-14]，但基本以單噴槍式為主，然而對桁架式低壓多噴頭噴灑方式的研究較少，缺乏低壓多噴頭組合灌溉均勻性的計算分析與試驗驗證。水肥一體化具有節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)增收的優(yōu)點[15-17]，近年來，卷盤式噴灌機水肥一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，李吉鵬[18]以大流量蠕動泵為施肥設(shè)備，設(shè)計了卷盤式噴灌機水肥一體化系統(tǒng)。作為行噴式機組系統(tǒng)，卷盤式噴灌機要求施肥設(shè)備工作流量穩(wěn)定，以確保高灌溉施肥均勻度，然而其灌溉施肥參數(shù)設(shè)計與選型研究尚未見報道。

卷盤式噴灌機的入機流量、工作壓力等工作參數(shù)與配套的噴頭、PE管、驅(qū)動裝置等相關(guān)，并會影響機組灌水質(zhì)量、運行效率等，因此卷盤式噴灌機在開展灌溉施肥參數(shù)的優(yōu)化配置時需要進行機組性能的綜合評價[19]。Mateos[20]選用深層滲漏率、噴灌均勻系數(shù)等6個指標，對噴灌、滴灌和地面灌溉3種灌水方式進行了模擬評價。近年來農(nóng)業(yè)勞動力資源日益縮減，降低灌溉系統(tǒng)的運行管理成本逐漸成為關(guān)注焦點[21]。Morankar[22]將勞動力強度引入目標函數(shù)，用于指導(dǎo)噴灌系統(tǒng)設(shè)計。朱興業(yè)等[23]采用主成分分析法對現(xiàn)有的四套噴灌機組進行綜合評價。葛茂生[24]從技術(shù)、經(jīng)濟及社會環(huán)境多角度出發(fā)，構(gòu)建了卷盤式噴灌機組綜合評價指標體系，但部分評價指標較簡單、不全面。上述研究多是針對現(xiàn)有特定的噴灌系統(tǒng)進行評價分析，當(dāng)噴灌機組型號、配置參數(shù)或運行工況等發(fā)生改變時，則無法獲知機組能耗及其構(gòu)成，推薦的優(yōu)化方案具有一定的片面性。

為此，本文以卷盤式噴灌機低壓多噴頭桁架式噴頭車為研究對象，對常用低壓噴頭水力性能進行測試分析，提出低壓多噴頭組合噴灌均勻性計算和灌溉施肥參數(shù)設(shè)計模型，構(gòu)建卷盤式噴灌機綜合評價體系，并研發(fā)基于Web平臺的灌溉施肥參數(shù)設(shè)計軟件，為卷盤式噴灌機灌溉施肥的參數(shù)設(shè)計和設(shè)備選型提供技術(shù)支持。

1 多噴頭組合噴灌水量分布

1.1 試驗設(shè)備與方法

噴頭徑向水量分布曲線是進行多噴頭組合噴灌水量模擬的基礎(chǔ)。本文對目前卷盤式噴灌機桁架式噴頭車上常用的三款低壓噴頭開展了徑向水量分布特性測試，分別是國產(chǎn)的PG224（噴嘴直徑5.16 mm）、PG134（噴嘴直徑4.95 mm）噴頭，以及美國的Super Spray噴頭（噴嘴編號#12.5、#13，對應(yīng)噴嘴直徑為4.95、5.16 mm）。試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院噴頭水力性能自動測試系統(tǒng)上進行，如圖1所示。雨量筒采用徑向單列布置，第一個雨量筒與噴頭水平距離為1 m，其余每隔0.5 m布置一個雨量筒。設(shè)置3種工作壓力，分別為0.15、0.20和0.25 MPa。按照噴頭噴嘴直徑、工作壓力的完全組合設(shè)置試驗工況，每個工況下測試時間均取1 h。噴頭工作壓力采用0.4級精密壓力表監(jiān)測，噴頭流量采用精度0.2級的LDTH型電磁流量計測得。

圖1 噴頭水力性能自動測試系統(tǒng)

1.2 噴頭徑向水量分布擬合

試驗測試的3種工作壓力下噴頭徑向水量分布如圖2所示。總體上看，隨著工作壓力越大，任一噴頭下的徑向噴灌強度峰值和射程相對越大，且噴灌強度峰值與噴頭的距離越遠。對比3種噴頭發(fā)現(xiàn)，Super Spray噴頭的噴灌強度峰值最大，PG224噴頭次之，PG134噴頭最小。與PG224和PG134噴頭不同，Super Spray噴頭的水量分布主要集中在射程遠端處。

圖2 不同噴頭在不同工作壓力下的徑向水量分布曲線

由于噴頭徑向水量分布曲線的實測雨量筒數(shù)量有限，因此測點外的噴灌強度需要通過插值或擬合等數(shù)學(xué)手段獲得。目前，用于描述噴頭徑向水量分布的數(shù)值方法包括拉格朗日插值、三次樣條插值、分段式插值以及多項式擬合等。

經(jīng)擬合計算，拉格朗日插值法與三次樣條插值容易造成射程末端出現(xiàn)噴灌強度小于0的情況，這不符合實際情況。當(dāng)噴灌強度變化幅度較大時，多項式擬合方法得到的噴灌強度擬合值與實測值偏差較大，也不適用于低壓噴頭的水量分布模擬。由于分段線性插值方法求解過程簡便，在噴頭射程范圍內(nèi)求得的噴灌強度擬合值與實測值很接近，因此本文選擇分段線性插值方法用于低壓噴頭的徑向水量分布擬合。

1.3 低壓多噴頭組合噴灌水量分布模型

卷盤式噴灌機桁架上采用多噴頭組合方式進行灌溉，相鄰若干噴頭之間水量分布相互重疊。為了計算分析灌溉水深，需要對組合噴頭進行移動水量疊加計算。以測點為例，在PE管帶動噴頭車回收過程中測點受到多個噴頭的組合噴灑，如圖3所示。在噴頭車向測點靠近的行走過程中，測點與桁架上所有噴頭的距離（1，2，…，r）不斷發(fā)生變化，在此過程中，測點所收集到的單個噴頭的灌溉水深，即為單噴頭水量分布函數(shù)在一定的時間內(nèi)沿方向上的積分。測點的總灌水歷時為

式中t表示測點的總灌水歷時，h；表示低壓噴頭的射程，m；0表示距離測點最近的噴頭與測點的水平距離，m；表示噴頭車行走速度，m/h。

注：沿桁架方向為方向，沿移動方向為方向。r表示測點到桁架上第個噴頭（x,y）的距離，=1,2,…。

Note: The direction along the truss is thedirection, the direction along the moving is thedirection.rrepresents the distance between measuring pointand the sprinkler（x,y）on the truss ,=1,2,....

圖3 低壓多噴頭桁架工作方式示意圖

Fig.3 Working schematic of multiple low-pressure sprinklers on a truss

為簡化計算，綜合考慮計算精度與計算量，以5 s作為計算周期0，假定在每個計算周期內(nèi)，測點與桁架上各個低壓噴頭的距離保持不變，將總灌水歷時劃分為個計算單元，即：

式中表示計算單元數(shù)量（計算值取整）。

對每個計算單元進行編號，對于編號為（1，2，…）的計算單元，測點沿PE管回收方向的移動距離為

當(dāng)噴頭車移動距離后，測點與桁架上第個低壓噴頭的距離r可表示為

若r小于等于噴頭的射程，則表示測點接受到該噴頭的噴灌水量，將r代入低壓噴頭徑向水量分布擬合的分段線性插值函數(shù)中，求得每個計算單元的噴灌強度1(r)，將噴灌強度與計算周期0相乘即可得到該計算周期內(nèi)的灌溉水深；若r大于噴頭的射程，則表示測點不會接受到該噴頭的噴灌水量，該計算周期內(nèi)測點的灌溉水深為0。測點接受到桁架上所有個噴頭的總灌溉水深()可表示為

式中h表示為測點接受到第個噴頭的灌溉水深，mm。

2 灌溉施肥參數(shù)與綜合評價指標

2.1 灌溉參數(shù)計算

卷盤式噴灌機灌溉時為滿足設(shè)計灌水定額，可通過改變噴頭車行走速度、桁架上低壓噴頭總流量實現(xiàn)，而低壓噴頭總流量等同于卷盤式噴灌機的入機流量，與入機壓力和灌溉水通過PE管的阻力損失有關(guān)。

2.1.1 灌水定額

小麥、玉米等農(nóng)作物的設(shè)計灌水定額為[25]

式中0表示設(shè)計灌水定額，mm；m表示最大灌水定額，mm；表示土壤干容重，g/cm3；表示計劃濕潤層深度，cm；1表示適宜土壤含水量上限（質(zhì)量百分比），取田間持水量（質(zhì)量）的90%；2表示適宜土壤含水量下限（質(zhì)量百分比），取田間持水量（質(zhì)量）的65%。

2.1.2 PE管選型

PE管是卷盤式噴灌機的重要組成部分。從降低卷盤式噴灌機能耗與整機成本角度出發(fā)，應(yīng)盡量選擇較短的PE管，但需要滿足灌溉地塊長度，而且當(dāng)噴頭車拉至地塊最遠端工作時卷盤上至少仍有3圈PE管纏繞。

當(dāng)確定入機流量后，為避免灌溉水通過PE管的能耗過高，管內(nèi)水流流速應(yīng)符合經(jīng)濟流速，則PE管內(nèi)徑可按下式選取。

式中0表示PE管內(nèi)水流流速，m/s；D表示PE管內(nèi)徑，mm；表示入機流量，m3/h。

2.1.3 入機壓力

合理控制入機壓力可使噴頭工作在合適的壓力范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生過高能耗，以提高機組的經(jīng)濟效益。卷盤式噴灌機入機壓力可由下式計算。

式中P表示入機壓力，MPa；表示噴頭設(shè)計工作壓力，MPa；h表示驅(qū)動卷盤的壓力損失，MPa；h表示PE管沿程阻力損失，MPa；h表示PE管局部阻力損失，MPa。

根據(jù)卷盤不同的驅(qū)動方式，驅(qū)動卷盤的壓力損失h可以表示為[26]

式中Q表示通過水渦輪的流量，m3/h。

h表示低壓噴頭總流量通過PE管時產(chǎn)生的沿程阻力損失，可由Hazen-Williams公式計算[24]

式中C表示粗糙系數(shù)，PE管可取150；L表示PE管長度，m。

PE管纏繞在卷盤式噴灌機的卷盤上，會引起局部阻力損失h，其計算式為[24]

式中K表示管道彎曲系數(shù)，取0.09；D表示卷盤直徑，m。

2.1.4 噴頭車行走速度

卷盤式噴灌機工作時入機流量保持不變，通過改變噴頭車的行走速度可以調(diào)整灌溉水深。噴頭車的行走速度為

式中η表示灌溉水利用系數(shù)，取0.85；表示條田寬度，m。

2.2 施肥參數(shù)計算

卷盤式噴灌機在水肥一體化應(yīng)用時需要確定施肥量，與噴灑條田的施肥總量、儲肥桶配制肥液體積、注肥泵工作流量和噴灑肥液濃度等指標相關(guān)。

2.2.1 條田施肥總量

根據(jù)土壤、作物特點和目標產(chǎn)量，作物需要在關(guān)鍵生育期進行追肥。卷盤式噴灌機灌溉的條田施肥總量與作物計劃施肥量、條田面積有關(guān)，計算公式為

式中F表示條田施肥總量，kg；表示計劃施肥量（指肥料質(zhì)量），kg/hm2；L表示地塊長度，m。

2.2.2 配制肥液體積

考慮卷盤式噴灌機水肥一體化應(yīng)用過程中運輸、轉(zhuǎn)移工作位置等因素，建議儲肥桶容積不超過500 L，配制肥液體積不超過儲肥桶容積的80%。

2.2.3 注肥泵工作流量

由于柱塞式注肥泵具有注入管網(wǎng)壓力高、工作流量穩(wěn)定且調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，本研究推薦使用柱塞式注肥泵作為卷盤式噴灌機配套的施肥裝置[27]。柱塞式注肥泵的工作流量（L/h）為

式中Q表示注肥泵工作流量，L/h；V表示配置肥液體積，L；表示條田一次連續(xù)有效噴灑時間，h。

2.2.4 噴灑肥液濃度

為避免肥液灼傷作物，噴灑肥液濃度不宜超過所施肥料的允許最大噴灑濃度，計算公式如下

2.3 評價指標計算

評價指標體系是由多個相關(guān)、又相互獨立的指標所構(gòu)成的統(tǒng)一整體。卷盤式噴灌機參數(shù)優(yōu)化配置應(yīng)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、資源等方面，設(shè)計評價體系框架時應(yīng)遵循系統(tǒng)性、可比性、通用性、簡潔性的基本原則。本文篩選出噴灌均勻系數(shù)、設(shè)計噴灌強度、單機控制灌溉面積、單位面積年投資、年運行費作為卷盤式噴灌系統(tǒng)評價指標。

2.3.1 噴灌均勻系數(shù)

噴灌均勻系數(shù)是衡量卷盤式噴灌機灌溉質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一，要求工作時的噴灌均勻系數(shù)CU不應(yīng)低于85%[25]

2.3.2 組合噴灌強度

行噴式噴灌系統(tǒng)的組合噴灌強度可略大于土壤的允許噴灌強度，一般不超過土壤的允許噴灌強度的15%[25]，卷盤式噴灌機工作時的組合噴灌強度（mm/h）為

2.3.3 單機控制灌溉面積

單機控制灌溉面積的計算公式為

式中表示單機控制灌溉面積，hm2；表示灌水周期，d；t表示設(shè)計日灌水時間，h。

2.3.4 單位面積年投資

考慮卷盤式噴灌機具有單噴槍和低壓多噴頭兩種噴灑裝置，噴頭數(shù)量、價格、使用壽命及工作參數(shù)不同，因此田間工程的單位面積年投資與卷盤式噴灌機費用、噴頭費用以及單機灌溉面積有關(guān)，其計算公式為

式中P表示單位面積年投資，元/hm2；P表示卷盤式噴灌機費用，元；L表示卷盤式噴灌機使用壽命，a；P表示噴頭費用，元；L表示噴頭使用壽命，a。

2.3.5 年運行費

卷盤式噴灌機田間工程的年運行費包括直接運行費和間接運行費。直接運行費包括燃料費、水費與勞動力費，間接運行費主要指折舊費與維護費；此外，機組的日常維護費用取機組初始投資的5%計，則年運行費為

式中C表示年運行費，元/hm2；C表示燃料費，元/hm2；C表示水費，元/hm2；C表示勞動力費，元/hm2。

2.4 主成分分析法

主成分分析法采用降維方式，用較少的綜合變量代替原始多個變量，將相關(guān)性高的指標變量轉(zhuǎn)化為彼此相互獨立或不相關(guān)的變量。

1）指標數(shù)據(jù)的同向化

指標同向化是指進行指標的同趨勢化，一般是把逆向指標和適度指標轉(zhuǎn)化為正向指標。在卷盤式噴灌機的綜合評價指標中，各指標存在不同的趨勢。其中，組合噴灌強度是適度指標，單位面積年投資和年運行費為負向指標，噴灌均勻系數(shù)和單機控制灌溉面積是正向指標。對于負向指標，可直接取指標數(shù)值的倒數(shù)，實現(xiàn)正向化；對于適度指標，先取該值與其適度值之差的絕對值，然后再進行倒數(shù)變換[29]。

2）指標數(shù)據(jù)的標準化

3）計算相關(guān)系數(shù)矩陣

相關(guān)系數(shù)表示各評價指標之間的線性關(guān)系，其取值范圍在[-1，1]。計算各指標之間的相關(guān)系數(shù)，所建立的矩陣即為相關(guān)系數(shù)矩陣。

4）計算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值與特征向量

通過求解特征方程，可求出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值λ（=1,2,…,），按特征值大小順序排列。特征值是各主成分的方差，反映各主成分的影響力，根據(jù)特征值λ可以求解特征向量e（=1,2,…,），主成分的計算式為

式中F表示第個主成分，Z表示標準化處理后的指標數(shù)據(jù)。本研究中共包含由噴灌均勻系數(shù)、設(shè)計噴灌強度、單機控制灌溉面積、單位面積年投資、年運行費得到的5個主成分。

5）選取個主成分，計算綜合得分值

按照特征值從大到小順序排列后，選取前個主成分12、F的累計貢獻率，其計算公式為

當(dāng)α越接近1時，表示可用個主成分代替原來全部個主成分。卷盤式噴灌機評價時可按照主成分的累計貢獻率α≥85%，選取主成分個數(shù)。綜合得分值計算式為

3 應(yīng)用實例

為實現(xiàn)卷盤式噴灌機選型配置和灌溉施肥參數(shù)設(shè)計，在結(jié)合組合噴灌水量分布模型與卷盤式噴灌機綜合評價指標體系的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮了機組運行費用、灌水質(zhì)量以及施肥決策等因素，開發(fā)了基于Web平臺的卷盤式噴灌機灌溉施肥參數(shù)設(shè)計軟件。

以北京市通州區(qū)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通州實驗站內(nèi)使用的JP75-300卷盤式噴灌機為例，該噴灌機配套的PE管長度300 m、外徑75 mm，采用桁架式低壓多噴頭噴灑方式，桁架長度26 m、噴頭間距2.6 m、噴頭數(shù)11，使用直流電機驅(qū)動卷盤工作，對冬小麥進行噴灌水肥一體化管理。以低壓噴頭類型與工作壓力作為變量，模擬卷盤式噴灌機田間應(yīng)用過程中設(shè)計工況的變化，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

將各輸入?yún)?shù)依次代入評價指標計算公式，可計算得到各評價指標輸出值。由式（6）計算的最大灌水定額為42 mm，結(jié)合作物實際灌水需求，確定設(shè)計灌水定額為30 mm。根據(jù)噴灌均勻系數(shù)不應(yīng)低于85%與PE管選型原則，篩選出12種配置方案，對各方案進行主成分分析，得到各主成分1～5的特征值與累計貢獻率如表2所示，前三項特征值的累計貢獻率達到93.3%，因此選用第一、二三主成分1、2、3作為綜合評價指標。由式（24）計算各方案綜合得分進行排序，最終結(jié)果如表3所示。

表1 輸入?yún)?shù)

表2 各主成分特征值及貢獻率

表3 各配置方案的綜合得分

由表3綜合得分可知，綜合考慮噴灌強度噴灌面積等5個指標，在保證噴灌均勻系數(shù)大于85%的前提下，通過各配置方案的綜合得分排名，其推薦的最優(yōu)運行方案是噴頭類型為PG134，噴頭工作壓力0.15 MPa。該工況下，由桁架上的噴頭數(shù)與低壓噴頭流量可得入機流量為14.85 m3/h，代入式（8）可得卷盤式噴灌機入機壓力為0.24 MPa，再由式（12）可得噴頭車行走速度為16.18 m/h。該配置方案下，機組噴灌均勻系數(shù)為88.96%，噴灌強度為57.31 mm/h，單機控制灌溉面積為5.05 hm2，單位面積年投資1 981.04元/hm2，年運行費為1 019.99元/hm2。

對于北京地區(qū)種植的冬小麥而言，在拔節(jié)期需要追肥，建議每公頃施尿素120～150 kg[30]，取每公頃施尿素150 kg，代入式（13）計算施肥參數(shù)，最終結(jié)果為條田（寬度26 m，長度300 m）施肥總量為117 kg，注肥泵流量為21.57 L/h，配制肥液體積400 L，噴灑肥液濃度為0.03%。

4 結(jié) 論

采用分段線性插值法對低壓噴頭徑向水量分布曲線進行擬合，構(gòu)建了低壓多噴頭噴灑形式下的組合噴灌水量分布計算模型。基于地塊、作物、土壤、噴灌機及噴頭等參數(shù)信息，提出了卷盤式噴灌機組選型、灌溉參數(shù)設(shè)計的計算模型，以及選配柱塞式注肥泵時的施肥參數(shù)計算模型。建立了基于噴灌均勻系數(shù)、設(shè)計噴灌強度、單機控制灌溉面積、單位面積年投資、年運行費等5個指標的卷盤式噴灌機綜合評價指標體系。

開發(fā)了一款基于Web平臺的卷盤式噴灌機灌溉施肥參數(shù)設(shè)計軟件。以北京市種植的冬小麥為例，選配JP75-300卷盤式噴灌機，以低壓噴頭類型與工作壓力作為變量，得到了12種機組運行方案，經(jīng)過主成分分析，提出了最優(yōu)的機組運行方案噴頭類型為PG134，噴頭工作壓力0.15 MPa，噴灌均勻系數(shù)88.96%。受試驗場地限制，本研究僅局限于模型構(gòu)建與運行方案優(yōu)化，后續(xù)將開展現(xiàn)場試驗，對模型及優(yōu)化方案進行驗證。

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Irrigation/fertilization model and comprehensive evaluation system for a hose-reel sprinkler

Lin Xueji1, Yan Haijun1,2※, Hui Xin1, Qiu Zhipeng3

(1,,100083,; 2,,100083,; 3.221000,)

A hose-reel sprinkler irrigation machine has been gradually applied for the field crop fertigation in recent years, particularly for the high-standard farmland construction. However, it is still lacking on the reasonable working parameters of the machine, leading to the high operating costs, low irrigation quality, and non-uniform fertilization. In this study, a calculation model of irrigation and fertilization was established to construct a comprehensive evaluation system for a hose-reel sprinkler irrigation machine. The working parameters were optimized to reduce the operating costs for the high quality of irrigation and fertilization. An indoor test was carried out on the typical low-pressure sprinklers, including the PG224 and PG134 sprinklers, as well as the Super Spray sprinkler (Senninger Irrigation, Inc., USA). A systematic analysis was made to obtain the flow rates, radius of throw, and radial water distributions of three low-pressure sprinklers. The results showed that the flow rate of sprinkler increased gradually, as the working pressure increased. Among them, the PG224 and PG134 sprinklers presented the higher degrees of atomization, where the water droplets were mostly concentrated within 0-2 m from the sprinkler. By contrast, there was the lower atomization degree in Super Spray sprinkler. The water droplets were mainly distributed in 4-5 m from the sprinkler, with the maximum water application rate of about 52.6 mm/h. A calculation model was selected to design the irrigation parameters, according to the available parameters of field plot, crop, soil, sprinkler, and irrigation machine. Fertilization parameters were also selected to apply in a piston injection pump. Five indicators were utilized for the evaluation system, including the sprinkler uniformity coefficient, designed water application rate, irrigation area, investment annual investment per unit area, and annual operating cost. Subsequently, a design software was developed to optimize the parameters of the machine, the irrigation, and fertilization using Web platform. A case study was the JP75-300 hose-reel sprinkler irrigation machine that applied for the winter wheat production in Beijing, China. There were the multiple low-pressure sprinklers at the spacing of 2.6 m on a truss with the length of 26 m, and a DC motor to drag the sprinkler cart. 12 configuration schemes with three low-pressure sprinklers were selected out after the comprehensive evaluation by principal component analysis (PCA). Specifically, the optimal scheme was the sprinkler type of PG134, with the working pressure of 0.15 MPa, and the corresponding sprinkler uniformity coefficient of 88.96%, the designed water application rate of 57.31 mm/h, the irrigation area of 5.05 hm2, the annual investment per unit area of 1 981.04 yuan/hm2, and the annual operating cost of 1 019.99 yuan/hm2. The finding can provide the technical support for the selection and parameter design of sprinkler irrigation machine in the irrigation and fertilization.

sprinkler irrigation machine; sprinkler; fertigation; principal component analysis; model

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.007

S275.5

A

1002-6819(2022)-21-0053-07

林學(xué)吉，嚴海軍，惠鑫，等. 卷盤式噴灌機灌溉施肥計算模型與綜合評價體系構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，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 sprinkler[J]. 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

2022-06-29

2022-10-25

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0201502）；國家自然科學(xué)基金重點項目（51939005）

林學(xué)吉，研究方向為節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備。Email：871833791@qq.com

嚴海軍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備。Email：yanhj@cau.edu.cn