高 飛，朱德蘭,2*，閆婧歆，李佩澤，趙靈犀，邢 欣，楊明飛，鄭長娟，劉一川,2，張曉敏,2，張 銳,2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

【研究意義】育苗噴頭屬于霧噴型噴頭的一種，其降溫效果良好、結(jié)構(gòu)簡單、拆卸安裝方便。育苗噴頭能夠調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候[1]，改善作物生長逆境，保護(hù)作物和幼苗，被廣泛應(yīng)用于溫室育苗和作物栽培?！狙芯窟M(jìn)展】朱興業(yè)等[2]選用10型噴頭為研究對象，利用MATLAB軟件對組合均勻系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，探究了射流噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴灑均勻度的關(guān)系，提出旋轉(zhuǎn)式射流噴頭在正方形布置時的最佳組合間距為10～12 m。喻黎明等[3]利用正交分析法，確定了30 PSH噴頭組合間距、工作壓力和布置形式對噴灌均勻系數(shù)的影響規(guī)律，影響強(qiáng)弱順序?yàn)榻M合間距>工作壓力>布置形式。戚春燕等[4]研究了旋轉(zhuǎn)式、折射式和縫隙式微噴頭在上噴和下噴2種不同安裝形式下的水力性能，結(jié)果表明，3種形式噴頭在不同組合間距下，下噴的組合均勻系數(shù)均小于上噴，且旋轉(zhuǎn)式的變化幅度大于折射式。吳滌非[5]對計(jì)算移動噴灑機(jī)組均勻系數(shù)的基本公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出了噴頭移動噴灑組合均勻度的計(jì)算方法。葛茂生等[6]提出了移動噴灑均勻度計(jì)算模型，為卷盤式噴灌機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化配置提供參考。【切入點(diǎn)】前人研究揭示了不同結(jié)構(gòu)、工作壓力和安裝高度對噴頭水力性能的影響特征，確定了噴頭的運(yùn)行工況，但對于育苗噴頭的研究相對較少，故本文對育苗噴頭的工作參數(shù)（壓力和安裝高度）對噴頭水量分布的影響進(jìn)行探究。本文所采用的育苗噴頭與傳統(tǒng)噴頭相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便和霧化程度更高的優(yōu)點(diǎn)。噴灌均勻度是衡量噴頭水力性能的重要指標(biāo)，在噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中起著重要作用[7-8]，【擬解決的關(guān)鍵問題】本文以育苗噴頭為研究對象，在不同安裝高度和壓力下，根據(jù)噴灌強(qiáng)度和組合均勻系數(shù)分析噴霧育苗噴頭的水力性能，探究適宜的工作條件。

1 材料與方法

1.1 噴頭結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及工作原理

本試驗(yàn)選取的霧化育苗噴頭由直徑0.8 mm的扇形噴嘴，低壓防滴漏裝置，環(huán)形卡扣，濾芯，墊片和PVC外殼組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of atomizing nozzle structure

噴頭的主要技術(shù)參數(shù)為：工作壓力范圍200～400 kPa，流量范圍27～37.8 L/h[9]，安裝高度范圍0.35～0.8 m[10]。

噴頭的工作原理為：工作時水流通過環(huán)形卡扣與管道連接處的卡槽進(jìn)入噴頭，流經(jīng)防滴漏裝置，最終從噴頭末端的狹長縫隙噴出，噴出的水流由于受到噴嘴切槽面的擠壓，擴(kuò)展形成平面液膜（膜狀射流）。由于噴頭內(nèi)外存在壓力差，液膜在其作用下擴(kuò)散變薄，在壓力差的作用下被撕裂成絲狀，之后平面液膜與相對靜止的空氣發(fā)生碰撞，最終細(xì)碎成微小的霧滴。

1.2 試驗(yàn)裝置與測試方法

噴頭水量測試試驗(yàn)裝置如圖2所示，主要包括水泵（揚(yáng)程45 m，功率0.75 kW）、PVC管（直徑32 mm）、水箱（169 L）、精密壓力表（0～600 kPa）、高度調(diào)節(jié)支架（可調(diào)節(jié)范圍0.4～1.2 m）、雨量筒（直徑11.2 cm，高度15.5 cm）、調(diào)壓旋鈕和噴頭固定支架。根據(jù)噴頭的技術(shù)參數(shù)分別選取合適的安裝高度及工作壓力進(jìn)行試驗(yàn)，本試驗(yàn)選取的安裝高度為0.5、0.6 m和0.7 m，工作壓力為200、250、300 kPa和350 kPa。試驗(yàn)時首先連接水箱、水泵、壓力表、調(diào)壓旋鈕，檢查管道連通密閉性；其次調(diào)節(jié)支架并固定噴頭安裝高度，旋轉(zhuǎn)調(diào)壓旋鈕使工作壓力分別為200、250、300 kPa和350 kPa，并以育苗噴頭為中心，按網(wǎng)格狀（5×14）布置雨量筒，雨量筒緊挨布置，間距為0，用高度調(diào)節(jié)支架使噴頭安裝高度分別為0.5、0.6 m和0.7 m，測試不同安裝高度和工作壓力下單噴頭的水量分布。試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27612.3—2011[11]進(jìn)行，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定測試時間為3 min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device diagram

1.3 指標(biāo)選取與計(jì)算

1.3.1 噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度對噴頭的噴灑質(zhì)量有重要影響。過大的噴灌強(qiáng)度會引發(fā)地表積水，產(chǎn)生徑流，降低灌溉水利用效率[12-13]。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27612.3—2011[11]噴灑質(zhì)量強(qiáng)度要求，本文噴頭噴灑域內(nèi)某受水處的噴灌強(qiáng)度計(jì)算式為：

式中：hij為單噴頭固定噴灑時第i行第j列雨量筒的噴灌強(qiáng)度（mm/h）；為某處雨量筒內(nèi)水體積3次測量的平均值（cm3）；A為雨量筒的開口面積（cm2）；t為噴頭噴灑時間（h）；d為雨量筒的直徑（m）；L為噴頭小車的行走距離（m），取行走距離為10 m。

1.3.2 組合均勻系數(shù)CU

組合均勻系數(shù)是檢測噴灌系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)，指在噴灌面積上水量分布的均勻程度，可對作物的產(chǎn)量造成影響[14]。本文已知單噴頭的水量分布，再疊加求出不同噴頭間距下的組合水量分布，最后采用Christiansen計(jì)算法[15]獲得組合均勻性系數(shù)。

配置于平移式噴頭小車上的單噴頭的水量分布，通常用2部分來評價(jià)，分別為行走方向的橫向水量分布和垂直于行走方向的縱向水量分布。噴頭小車以直線勻速行進(jìn)時，由于測點(diǎn)在一定噴灌時間內(nèi)接受噴頭的數(shù)量及相對位置不變，則橫向上所有測點(diǎn)的受水量相同，故單噴頭的縱向水量分布可代表單噴頭的水量分布[16]。由于移動噴灑時噴頭小車勻速行駛，且沿機(jī)行方向同測點(diǎn)的水量相同，因此移動噴灑灌水均勻度用縱向水量分布表示，示意見圖3。

圖3 移動噴灑水量分布示意Fig.3 Schematic diagram of mobile spraying water distribution calculation

基于實(shí)際應(yīng)用中的噴頭間距，選取合適的噴頭間距水平（本試驗(yàn)中選取的噴頭間距分別為0.2～0.9 m，梯度0.1 m），對單噴頭縱向水量分布進(jìn)行疊加，計(jì)算出組合噴頭縱向水量分布。下面以移動噴灑時第j列任一點(diǎn)降水強(qiáng)度Hj為例對移動噴灑水量分布公式做詳細(xì)推導(dǎo)[5-6,17-18]。

由于移動噴灑時，噴頭小車勻速行駛，可認(rèn)為同一列不同測點(diǎn)的水量相同，由于噴頭小車勻速行駛，故第j列任一點(diǎn)受水時間Tj均為：

已知第j列水量分布如圖3，圖3中陰影區(qū)域的總積水量為：

移動噴灑時第j列任一點(diǎn)的降水強(qiáng)度為：

聯(lián)立式（3）－式（5）可得：

式中：Lj為陰影部分的數(shù)據(jù)長度（m）；n為沿機(jī)行方向擺放的雨量筒行數(shù)；Hj為移動噴灑時j列處的雨量筒水深（mm）；d為雨量筒的直徑（m）；v為噴頭小車的行走速度（m/h）。

根據(jù)組合噴頭縱向水量分布，組合均勻性系數(shù)計(jì)算式為：

式中：Cu為組合均勻性系數(shù)（%）；Hs為各點(diǎn)灌水深度（mm）；為平均灌水深度（mm）；m為測點(diǎn)個數(shù)。

1.4 模型檢驗(yàn)

為驗(yàn)證組合均勻性系數(shù)推導(dǎo)過程的計(jì)算精度，對單個育苗噴頭進(jìn)行移動水量分布驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院進(jìn)行，試驗(yàn)進(jìn)行時，沿垂直機(jī)組行走方向緊挨布設(shè)14排雨量筒，雨量筒間距為0，沿行走方向緊挨布設(shè)5排雨量筒，間距為0。選擇噴灌小車以60 m/h的速度行走，噴頭安裝高度為0.6 m，工作壓力300 kPa，噴灑長度為1 m。完成噴灑后采用稱質(zhì)量法計(jì)算各雨量筒內(nèi)的灌水深度，以5排雨量筒的平均灌水深度作為該點(diǎn)的灌水深度實(shí)測值。選擇安裝高度為0.6 m，工作壓力300 kPa的定噴水量分布，代入式（6）計(jì)算出每個點(diǎn)的灌水深度，將實(shí)測值和計(jì)算值進(jìn)行比較。在完成上述試驗(yàn)之后我們在相同工作條件及試驗(yàn)裝置和測試方法下選取組合間距為0.3～0.8 m，對育苗噴頭進(jìn)行移動疊加水量驗(yàn)證試驗(yàn)，測出不同組合間距下的組合均勻系數(shù)，與計(jì)算值進(jìn)行比較。

圖4為垂直機(jī)行方向各點(diǎn)的疊加灌水深度的實(shí)測值和計(jì)算值。由圖4可知，在h=0.6 m、P=300 kPa的工作條件下，實(shí)測值和計(jì)算值的吻合度較高，其中，偏差最大值點(diǎn)出現(xiàn)在距噴灌小車1.176 m處，偏差率為12.9%，其余各點(diǎn)偏差率均在12.9%以內(nèi)，符合精度要求。圖5為所構(gòu)建的不同間距組合均勻度實(shí)測值與計(jì)算值。從圖5可看出在不同組合間距下，組合均勻度的實(shí)測值與計(jì)算值吻合度較高，偏差最大值點(diǎn)出現(xiàn)在0.4 m處，偏差率為9.94%，其余各點(diǎn)偏差率均在9.94%以內(nèi)，具有較高的精度。故組合均勻系數(shù)的推導(dǎo)過程滿足精度要求，在組合均勻系數(shù)計(jì)算的過程中，已知定噴水量分布，可代入式（7）進(jìn)一步計(jì)算組合均勻性系數(shù)。

圖4 噴頭垂直機(jī)行方向各點(diǎn)灌水深度實(shí)測值與計(jì)算值對比Fig.4 Comparison between measured and calculated irrigation depth at each point in the vertical direction of sprinkler head

圖5 不同間距組合均勻度實(shí)測值與計(jì)算值對比Fig.5 The measured and calculated values of uniformity of different spacing combinations were compared

2 結(jié)果與分析

2.1 單噴頭水力性能

2.1.1 安裝高度對噴頭水量分布的影響

由單噴頭不同高度下的水量分布等值線圖（圖6）可知，隨著安裝高度的升高，噴幅范圍增大，噴灌強(qiáng)度的峰值減少，水量分布更均勻。在同一壓力水平下，隨著噴頭安裝高度從0.5 m增加到0.7 m，噴灌強(qiáng)度峰值逐漸減小。在300 kPa壓力下，3個高度的噴灌強(qiáng)度峰值分別為28.06、15.39 mm/h和10.50 mm/h，當(dāng)安裝高度從0.5 m升至0.6 m時，噴灌強(qiáng)度峰值下降的幅度為45.15%，從0.6 m升至0.7 m時，噴灌強(qiáng)度峰值下降的幅度為31.77%，可見后者下降的幅度要小于前者。從水量分布圖上可以觀察出隨著安裝高度的升高，水量分布變得更加均勻。

圖6 不同安裝高度下單噴頭水量分布Fig.6 Contour map of water distribution of single sprinkler at different installation heights

由以上分析可以得知，0.5 m安裝高度下的噴灌強(qiáng)度峰值最大，且水量分布最不均勻。這是因?yàn)楫?dāng)噴頭過低時，噴頭所噴灑的水滴碎裂不充分，從而導(dǎo)致單噴頭水量分布比較集中；當(dāng)噴頭高度從0.6 m上升到0.7 m時，單噴頭水量擴(kuò)散的程度變小，所以噴灌強(qiáng)度峰值變化幅度減小。

2.1.2 工作壓力對噴頭水量分布的影響

由不同壓力下的水量分布等值線圖（圖7）可知，壓力對噴灌強(qiáng)度的影響很大，工作壓力的提高會引起噴灌強(qiáng)度的增大。在安裝高度為0.5 m時，當(dāng)工作壓力從200 kPa上升到350 kPa時，噴灌強(qiáng)度的峰值分別為24.99、22.80、28.06、47.85 mm/h，可以看到隨著工作壓力的增大，噴灌強(qiáng)度的峰值基本呈增大趨勢。

圖7 不同工作壓力下的單噴頭水量分布Fig.7 Contour map of water distribution of single nozzle under different working pressures

由0.5 m時不同壓力的噴灌強(qiáng)度分析可以得出，隨著工作壓力升高，一般情況下噴灌強(qiáng)度會不斷增大，但也存在特例，這是由于壓力增大時相應(yīng)的射程也會增加，水量也會相應(yīng)地分散，導(dǎo)致噴灌強(qiáng)度變小。壓力的大小對噴灌強(qiáng)度的影響很大，所以選擇一個合理的工作壓力對降低噴灌打擊動能，提高灌水均勻系數(shù)非常重要。

2.2 噴頭組合移動噴灑水量分布

在實(shí)際農(nóng)業(yè)育苗應(yīng)用中，為了提高噴頭的灌溉效率[19]，噴頭多采用組合移動噴灑的工作形式，見圖8。故探究不同組合間距下噴頭水量分布對于提高水的利用率、降低灌溉成本很有必要。

圖8 噴頭組合移動噴灑工作示意Fig.8 Schematic diagram of sprinkler combined mobile spraying

圖9分別為安裝高度0.5、0.6 m和0.7 m時2個育苗噴頭組合的噴灌均勻系數(shù)隨工作壓力與噴頭間距變化情況，可看出在相同壓力和安裝高度下，噴頭的組合均勻性系數(shù)隨著噴頭組合間距l(xiāng)的變化有不同程度的變化。隨著組合間距l(xiāng)的增大，相同工作壓力下的組合均勻系數(shù)多呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢,少數(shù)呈輕微波浪形分布（如安裝高度為0.6 m，壓力為300 kPa）。將不同安裝高度下的不同組合間距、工作壓力下的組合均勻性系數(shù)在MATLAB中進(jìn)行Polynomial多項(xiàng)式擬合，分別列出不同安裝高度下的擬合方程式：

圖9 不同高度組合均勻性系數(shù)與組合間距及工作壓力關(guān)系Fig.9 The relation diagram of combination uniformity coefficient with combination spacing and working pressure at different heights

當(dāng)安裝高度為0.5 m時：

當(dāng)安裝高度為0.6 m時：

當(dāng)安裝高度為0.7 m時：

式中：Cu為組合均勻性系數(shù)（%）；l為組合間距（m）；P為工作壓力（kPa）。

當(dāng)組合間距大于0.6 m時組合均勻性系數(shù)不斷減小，且組合間距在0.2～0.5 m的組合均勻性系數(shù)均在80%以上，明顯大于0.7～0.9 m的組合均勻性系數(shù)。安裝高度為0.5 m和0.7 m的組合均勻性系數(shù)峰值靠前，在組合間距0.2 m和0.3 m處，安裝高度為0.6 m的組合均勻性系數(shù)峰值靠后，在組合間距0.6 m處。在安裝高度相同時，隨著壓力的改變，噴頭組合均勻性系數(shù)也發(fā)生不同程度的變化，但變化規(guī)律不明顯。在噴霧育苗噴頭配置于平移式噴灌小車時，應(yīng)選擇適宜的安裝高度和噴頭組合間距，以保證較大的射程、較低的噴灌強(qiáng)度和較高的組合均勻性系數(shù)。

3 討 論

在0.5～0.7 m的范圍內(nèi)，隨著安裝高度的升高，單噴頭的噴灑輻射面積增大，噴頭噴灌強(qiáng)度的峰值降低，水量分布更加均勻，這與楊雯等[20]的研究結(jié)果一致。在安裝高度相同的情況下，隨著工作壓力的升高，各測點(diǎn)噴灌強(qiáng)度增大，且單噴頭的噴灑范圍增大，這與朱興業(yè)等[21]的研究結(jié)果一致，但從圖9可看出，在高度和間距相同時，隨著壓力的改變，噴頭組合均勻性系數(shù)也發(fā)生不同程度的變化，但變化規(guī)律不明顯，原因可能是不同種類噴頭對壓力的響應(yīng)程度不同，主要體現(xiàn)在下噴式育苗噴頭在工作原理和噴灑特性方面。當(dāng)噴頭組合間距大于0.6 m時組合均勻性系數(shù)呈顯著減小趨勢，水量分布不均，不滿足移動式噴灌對噴灑均勻度的要求；當(dāng)噴頭間距為0.2 m和0.3 m時，有較高的組合均勻性系數(shù)，滿足移動式噴灌對噴灑均勻度的要求，但若機(jī)組選擇較小的組合間距，會造成管道上噴頭數(shù)目的增加，增加運(yùn)行成本，從而降低機(jī)組的使用效率，所以在選取噴頭組合間距應(yīng)綜合考慮噴灑均勻度和安裝運(yùn)行成本。

育苗噴頭主要應(yīng)用于溫室中的育苗和作物栽培，本文主要研究了育苗噴頭的安裝高度、工作壓力和組合間距對其水力性能的影響。相較于其他噴頭，該噴頭結(jié)構(gòu)簡單、霧化效果更好，在噴頭實(shí)際應(yīng)用時，合適的工作條件往往能發(fā)揮更好的效益，因此尋求單噴頭的最優(yōu)工作條件十分必要。但本研究尚未考慮安裝高度、工作壓力和組合間距這3個工作參數(shù)對單噴頭水量分布影響的交互效應(yīng)，后續(xù)研究可利用多目標(biāo)評價(jià)法，在考慮多因素相互作用的條件下篩選出育苗噴頭的最優(yōu)工況。

4 結(jié) 論

1）在0.5～0.7 m的范圍內(nèi)，升高噴頭安裝高度，單噴頭噴灑輻射面積增大，噴灌強(qiáng)度峰值降低，水量分布更均勻；在200～350 kPa的范圍內(nèi)，升高工作壓力，各測點(diǎn)噴灌強(qiáng)度增大，噴灑范圍更廣。

2）在噴灌系統(tǒng)中，安裝高度、工作壓力和組合間距都對噴頭的組合均勻性系數(shù)有很大的影響。育苗噴頭配置于平移式噴灌小車時，應(yīng)選擇適宜的安裝高度和適宜的噴頭組合間距。育苗噴頭的最優(yōu)工作條件為0.5 m的安裝高度、300 kPa的壓力及0.5 m的噴頭間距，且當(dāng)噴頭間距大于0.7 m時，組合均勻性系數(shù)呈顯著下降趨勢。

3）利用多項(xiàng)式回歸法擬合出0.5、0.6 m和0.7 m安裝高度下組合間距-工作壓力-均勻度的計(jì)算式如式（8）—式（10）所示，3個公式的擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.85，為育苗噴頭的實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù)。