旋轉折射式噴頭移動噴灑水量分布計算模型構建與應用

薛紹鵬，葛茂生*，魏福強，張騫文，張廷寧

?灌溉技術與裝備?

旋轉折射式噴頭移動噴灑水量分布計算模型構建與應用

薛紹鵬1,2，葛茂生1,2*，魏福強1,2，張騫文1,2，張廷寧1,2

（1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

【目的】探討旋轉折射式噴頭移動噴灑水力特性，優化噴灌機組運行參數和配置?！痉椒ā坎捎脟姽鄰姸鹊刃Ю旆?，構建了基于一次正交多項式擬合的移動噴灑水量分布計算模型，應用該模型對R3000、S3000、O3000噴頭進行模擬計算，分析了工作壓力（50～150 kPa）、移動速度（20～45 m/h）和組合間距（1.2～6 m）對3種噴頭移動噴灑水量分布和均勻度的影響?！窘Y果】①模型計算結果與實測值偏差在5%以內，模型精度較高。②R3000、S3000、O3000噴頭移動降水深隨距噴頭距離的增加而減小，3種噴頭移動噴灑均勻度較固定噴灑分別提高11.17%、10.72%和2.36%。③隨著工作壓力的增大，R3000、S3000、O3000噴頭的有效噴灌半徑逐漸增大，降水均勻度呈先增大后減小的趨勢，最大降低幅度達35.66%，平均降水深和均勻度隨移動速度的增大逐漸降低，但3種噴頭噴灑均勻度的平均變化幅度僅為0.59%、1.38%、0.99%，說明移動速度對均勻度的影響較小。隨著組合間距的不斷增大，均勻度呈波動下降的趨勢。④考慮工作壓力和組合間距雙因素影響，R3000、S3000、O3000噴頭在低組合間距和高工作壓力范圍內取得較高的移動噴灑均勻度，在150 kPa/3.6 m、150 kPa/2.4 m、130 kPa/3.6 m的工作壓力/組合間距配置組合條件下，噴灑均勻度最高?！窘Y論】等效拉伸法降低了模型構建過程中的擬合次數，提高了計算精度；增大工作壓力和降低組合間距有助于提高噴頭移動噴灑均勻度。

低壓噴頭；水量分布；均勻度；移動噴灑；數學模型；組合間距

0 引 言

【研究意義】旋轉折射式噴頭一般指有壓噴灌水流經噴嘴射出，沖擊并帶動阻尼噴盤旋轉，同時水流通過噴盤上具有專門結構設計的流道射出的一種噴頭類型。該類噴頭具有適用工作壓力低，水流破碎充分的特點，被廣泛應用于大型時針式與平移式噴灌機等各類移動式噴灌機組[1]。旋轉折射式噴頭的噴灑水力特性決定了噴灌機組的灌水質量，前人進行了大量的關于旋轉折射式噴頭噴灑水力特性的研究，包括工作壓力、噴盤轉速、安裝高度等對噴頭噴灑水量分布和打擊動能分布特性等方面的影響[2-4]。噴灌機原位實測或室內模擬試驗是獲得噴灌機組移動噴灑水量分布特性的重要手段，但是移動噴灑水量實測易受場地、環境等的限制，且人力與時間投入成本高，難以推廣到試驗因素較多或試驗條件要求較高的情況[5]。因此，嘗試通過構建移動噴灑水量疊加模型進行水量分布的模擬計算具有重要意義。

【研究進展】旋轉折射式噴頭的徑向水量分布常呈現明顯的峰谷型分布，如單峰或雙峰型分布[6]，為獲得較均勻的水量分布，需采用多噴頭組合和適宜的組合間距，在供水干管方向進行水量疊加[7]。陳震等[8]在實測單噴頭水量分布的基礎上，通過MALTLAB編程模擬了組合疊加噴灑水量分布特性。朱興業等[9]采用三次樣條插值得到了多噴頭組合噴灑水量分布均勻系數。但除了沿供水干管方向進行水量疊加外，噴灌機組在行進過程中，還要沿機組移動方向進行水量的疊加，灌溉區域內每點的實際灌水量，都受到2種水量疊加的共同作用。范永申等[10]通過對噴灌和軟管灌溉兩用機進行試驗，得到了低能耗平移式噴灌機的水量分布和噴灌均勻度變化特征。張以升等[11]實測了特定灌水定額下輕小型平移式噴灌機的移動水量分布特性，發現可以通過調整噴頭組合間距和機組行走速度保證噴頭在較低工作壓力下的噴灑均勻度。Zhang等[12]試驗發現振蕩波動水壓可以提高噴頭射程。

固定噴灑條件下的噴頭徑向水量分布特征曲線是進行移動噴灑水量計算的基礎[13]，Zhang等[5]基于實測徑向水量分布數據，建立了固定折射式噴頭的移動噴灑水量分布計算模型，但其模型的計算過程復雜，不利于推廣應用。Dukes[14]研究中曾將噴頭徑向水量分布簡化為三角形、橢圓、矩形和拋物線型等形式，Liu等[15]基于橢圓、三角和拋物線型水量分布假設，建立了配備固定折射式噴頭的平移式噴灌機移動噴灑水量分布計算模型，但大量噴灑實測結果表明，噴頭的徑向水量分布形狀較為復雜，隨噴頭類型、工作壓力等的變化呈馬鞍形、單峰、雙峰等不規則變化[6]，依據簡單幾何圖形表征噴頭的徑向水量分布不具有代表性。最小二乘法是基于最小化誤差平方和的曲線擬合優化方法，能夠更真實地反應噴頭徑向水量分布的峰谷特征[6]，葛茂生等[13]基于最小二乘法擬合建立了一種移動噴灑均勻度計算模型，但基于最小二乘法擬合的多項式往往具有較高的階數，增加了過擬合風險[16]。

【切入點】旋轉折射式噴頭在移動噴灑條件下的水量分布與噴灑均勻度存在實測工作量大、易受環境影響，模擬計算精度低、過程煩瑣等問題?！緮M解決的關鍵問題】為此，以平移式噴灌機組中應用最廣泛的旋轉折射式噴頭（Nelson R3000、S3000、O3000噴頭）為研究對象，采用噴灌強度等效拉伸法，構建基于一次正交多項式擬合的移動噴灑水量計算模型并驗證模型精度，將構建模型用于分析噴頭工作壓力、組合間距、機組移動速度等對移動噴灑水量分布的影響，為優化機組配置和運行參數，提高移動式噴灌機組運行效率提供科學依據。

1 移動噴灑水量分布計算模型構建

1.1 徑向水量分布特征曲線

本文以實測水量到擬合曲線正交距離平方和最小為準則，對噴頭徑向水量分布特征曲線進行正交最小二乘法擬合，與最小二乘法擬合相比，該方法可得到較合理的階數和更高的擬合精度[17]，基于正交最小二乘法擬合的徑向水量分布特征曲線可表述為：

式中：為測點到噴頭的距離（m）；()為距噴頭距離處的噴灌強度（mm/h）；a為正交多項式回歸系數，可根據實測數據采用SPSS或MATLAB軟件擬合得到；為正交多項式的階數；為多項式階數。利用MATLAB軟件設計編寫了正交多項式水量分布擬合程序，便于研究和后續計算。

針對江都三站情況，泵站在水輪機工況電機不變極運行時，年平均發電量只略小于電機變極和變頻兩種運行方式，但所需投資大大減少。因此江都三站在選擇反向發電運行方式時應首先考慮采用電機不變極、水泵葉片安放角盡可能小的運行方式，既經濟又簡單可行。上海電氣集團上海電機廠有限公司根據已有成功經驗，確定兩種配置模式作設計方案，并對其進行對比分析擇優使用。兩種模式的方案如下：

1.2 移動噴灑水量計算

R3000噴頭和S3000噴頭為水平旋轉折射式噴頭，與固定折射式噴頭相比，其旋轉帶來的水流破碎更加充分，使得整體噴灑域的水量分布更均勻[9]，其中S3000噴頭的旋轉速度更快。O3000噴頭是震蕩旋轉折射式噴頭，噴盤在旋轉的過程中同時保持一個較小的傾角，使得水流上下振蕩，有較為優越的水力性能[8]。為保證相同的噴灑流量，各試驗噴頭均選用#34噴嘴，噴嘴直徑為6.8 mm。具體類型及基本特征見表2。

2.動物分組：75只雄性Sprague-Dawley大鼠按照數字表法隨機均分成假手術組、模型組、有氧運動預處理組、HBO處理組和有氧運動+HBO處理組，每組15只。

旋轉折射式噴頭噴灑范圍為圓形，且移動過程中噴頭的旋轉速度遠大于機組的行走速度[11]，故此處可作2點假設以簡化計算：①距噴頭距離相等的各點處有相同的噴灌強度；②任意1個旋轉周期內落在噴灑域某點的水量相同。若噴頭所在位置為點，方向為機組行進方向，假設噴頭位置不動，為測點移動方向，則軸上任意點的移動噴灑總受水量為該點進入噴灑域的起始點start到完全離開噴灑域的終末點end的總受水量，如圖1所示，受水過程可以簡化為以該點為垂心垂直于軸的虛線與噴頭噴灑域外輪廓線相交得到的虛線段上的歷時降水量總和，虛線段可稱為噴灑路徑。

圖1 移動噴灌示意

圖1中為噴頭位置；為測點到噴頭行進線的距離（m）；為噴灑半徑（m）；start為受水起點；end為受水終點；為噴灌機移動速度（m/h）；為邊緣受水點與噴頭的夾角（0°<<90°）

1.2.2 等效拉伸系數

以噴頭所在位置為圓心，以任意距噴頭距離為半徑作圓，總是能與噴灑路徑和各自交于點和點，如圖2所示。根據基本假設，點的噴灌強度數值相等，因此可將點稱為一對等效強度點。顯然，在噴灑路徑上的每一點，均能夠在上找到對應的等效強度點，而上任意點的噴灌強度均可通過徑向水量分布特征曲線得出，進而可得到噴灑路徑上各點對應的噴灌強度。定義點到噴灑路徑和徑向線上各等效強度點距離的比值為等效拉伸系數。

圖2 移動路徑上等效水量分布假設

圖2中為噴頭位置點；為測點到噴頭行進線的距離（m）；為噴灑半徑（m）；為點的噴灌強度等效點；1231、23點為噴灌強度等效點。

在噴灌機組行進過程中，設噴灌機從軸上距噴頭距離為的一點出發，其受水區間為start到end的1/2，設機組移動速度為，則任意行進時間時，受水點距軸的距離為，則此時該點距噴頭的距離X為：

王維曰“色空無礙，不物物也，默默無際，不言言也?！彼远U宗“空”為基礎創作的山水詩納萬象而神韻天成，鳶飛草長而川流不息。契合了禪宗“色即是空，空即是色”的圓融無礙的境界。被王漁陽譽為“字字入禪”的輞川絕句，完整地詮釋了中國禪宗對王維詩歌的影響。

設此時該點在軸上的等效強度點距點距離為Δ，計算式為：

根據對等效拉伸系數的定義，可得在噴灑路徑上任意時刻對應的等效拉伸系數為：

對式（4）變形可得：

——美國調查機構稱中國網民患有“壞消息綜合癥”的比例為62%，與世界平均值41%相比高出21%。這一癥狀的背后，隱藏著互信缺失、生活無望和內心焦慮。

2.細菌性腹瀉。仔豬大腸桿菌病是由致病性大腸桿菌引起的一類傳染病，引起仔豬腹瀉的主要有仔豬黃痢(早發性大腸桿菌病)和仔豬白痢(遲發性大腸桿菌病)。

1.2.3 移動噴灑水量

由圖10可知，隨著組合間距增大，R3000、S3000、O3000噴頭降水深逐漸減小，且減小的幅度逐步降低，但噴灑均勻度呈波動下降趨勢，在2.4 m噴頭組合間距時，有多個噴頭的水量分布在典型疊加區域內疊加，使得疊加區域平均降水深明顯高于其他噴頭組合間距，但較高的降水深易造成土壤侵蝕和水土流失，且3個噴頭平均降水深分別為37.09、36.43、31.38 mm，O3000的水量分布更均勻，使得在較低組合間距下平均降水深比R3000、S3000噴頭低。當噴頭組合間距為3.6 m時，R3000、S3000噴頭典型疊加區域內降水深增加較多，而O3000噴頭降水深增加較為平緩，水量分布較為均勻，從均勻度曲線看，此時R3000、S3000噴頭均勻度的大幅降低，降低幅度達3.14%和6.95%，O3000噴頭均勻度降低幅度僅為0.40%。隨著組合間距繼續增大（≥3.6 m），能夠覆蓋典型疊加區域內的噴頭數僅剩2個，此時區域內水量分布呈隨組合間距增大而波動起伏的變化趨勢，由于各噴頭結構差異，呈現的效果差異明顯，R3000、O3000噴頭在4.8 m噴頭組合間距時均勻度大幅度下降，S3000噴頭在6 m噴頭組合間距時均勻度大幅下降。故組合間距傾向于較小的配置，此時可以獲得更好的均勻度，但同時也意味著較高的降水深和更大的投資。

則移動路徑上的水量分布函數L()為：

由式（6）和式（7）可得：

隨移動路徑上各位置點的拉伸不同，但總的拉伸長度相同，以和長度比（式（9））計算整段移動路徑在拉伸后的初始時間和終了時間，如式（10）和式（11）所示，即：

圖4(a)和圖4(b)為二次功率譜盲檢測輸出，圖4(c)和圖4(d)為循環譜檢測法頻率為0Hz時的盲檢測輸出，圖4(e)和圖4(f)為四階累積量盲檢測法的四階累積量二維切片輸出.圖4(a)、4(c)、4(e)中輸出譜峰均存在多間隔值現象，此現象將導致非合作方檢測到接收信號中信號成分不唯一，除大信號殘留外還存在其它信號，進而機密信號的隱蔽性降低；圖4(b)、4(d)、4(f)中輸出譜峰的間隔均為唯一值，且參數特性符合大信號參數特征，機密信號得到隱藏，具有抗盲檢測能力.

對噴灌機在受水區間內的總受水時間進行積分，可得在軸任意一點處噴灌機移動受水總量()的上半部分，由基本假設可得，上下部分受水量相同，即積分值的2倍即是該受水點的歷時受水總量。設置不變，僅改變值即可得到噴灑路徑上任一受水點的歷時水量。

1.3 移動組合噴灑均勻度

在單噴頭移動噴灑水量分布的基礎上，沿供水干管方向進行多噴頭水量疊加（圖3），假定相鄰噴頭的間距為，則徑向各點位置處的疊加水量計算式[18]為：

亞里士多德十分關注守法所會造成的心靈品質。從政治的目的而言，由于法律對人們的行為而言是一種最普遍而又最正規的約束和引導，所以，立法精神就顯得十分重要，不能容許不公正的行為和邪惡的意圖。即是說，城邦法律應該引導人們行事公正，并且關注人們美德的成長。所謂公正，就是指人們在城邦中，能夠“各自按照自己應得的一份享有美好的生活”。[2](P86)

式中：p(x)為單噴頭徑向移動水量分布函數；R為噴灑半徑（m）；d為組合間距（m）；x為組合間距內任一點距首個噴頭的距離（m）。

根據組合疊加后各點的水量分布，可進一步計算出旋轉折射式噴頭的移動組合疊加噴灑均勻度，以Christiansen均勻系數表示，計算式為：

式中：為均勻系數（%）；h為測點水深（mm）；`為平均水深（mm）；為測點數。

單噴頭的水量分布是機組的行進噴灑均勻度計算或者噴頭配置的技術依據。應用本文構建的移動噴灑計算模型對R3000、S3000、O3000噴頭在110 kPa工作壓力下的移動噴灑水量分布進行計算，并和定噴水量分布數據進行對比，如圖7所示。

2 試驗驗證

2.1 試驗設計

試驗在西北農林科技大學旱區節水農業研究院灌溉水力學試驗大廳進行，移動噴灌試驗平臺如圖4所示，試驗場地平整，試驗過程中室內無風，溫度適宜。以Nelson S3000噴頭為例對模型計算精度進行試驗驗證。選用6.9 mm噴嘴直徑，噴頭安裝高度距地面1.6 m[2]，分別選取110、130、150 kPa工作壓力。試驗過程參照標準《GB/27612.3—2011》[19]和《GB/T 19797—2012》[20]。

圖4 試驗裝置示意

測試噴頭安裝在固定支架上，支架下方裝有驅動電機和軌道輪，可驅動噴灌裝置行走，此裝置可用于噴頭固定與移動噴灑水量分布測定試驗。固定噴灑水量分布測試采用自噴頭處引出的3條射線布置雨量筒，射線夾角為20°，布置間距0.4 m，測試時間為10 min。移動噴灑水量分布測試采用垂直機行道方向布置3列雨量筒，每列間距0.5 m，雨量筒布置間距為0.4 m，設計移動時速為30 m/h。

噴灑完成后，采用稱質量法計量各測點的噴灌強度和歷時降水深，以所布置3列雨量筒所測得的平均噴灌強度確定為該測點的噴灌強度。

工作壓力是影響噴灌機灌溉質量的重要因素[2]，但生產廠家給出噴頭適用工作壓力范圍較為模糊（R3000適用工作壓力為100～200 kPa，S3000適用工作壓力為70～140 kPa，O3000適用工作壓力為40～100 kPa），對噴頭的應用和選配缺乏有效指導。結合上文構建的移動噴灌水量分布計算模型，分別計算了R3000、S3000、O3000噴頭在50、70、90、110、130、150 kPa工作壓力下的移動噴灑水量分布，以及噴灑均勻度系數（圖8）。

2.2 S3000噴頭徑向水量分布

通過固定噴灑水量分布測定試驗測試得到了S3000噴頭在110、130、150 kPa工作壓力下的噴灌強度，詳見圖5。表1為基于正交最小二乘法擬合的S3000噴頭徑向水量分布曲線的擬合系數和決定系數。

根據涌流理論，當三個條件（挑戰性-技巧平衡、清晰的目標和明確的反饋）具備時，涌流體驗產生。在口譯的過程當中，譯員的目標十分清晰，簡而言之，即將聽到的語言譯成另一種語言使雙方達到溝通的目標；另外，當譯員在譯時接受到及時的反饋（如觀眾的反應、演講人的眼神等）同時認為自己的口譯能力能夠勝任要求的時候，理論上譯員會進入涌流狀態。

圖5 S3000噴頭徑向水量分布

表1 S3000噴頭徑向水量分布分段擬合系數

2.3 模型驗證結果與分析

將擬合系數及噴灑半徑、移動速度等相關參數代入式（13）所構建的移動噴灑計算模型計算出徑向各點的降水深，初始時間X終點時間L和等效拉伸系數由式（10）、式（11）、式（12）計算，同時與二次擬合移動噴灑計算模型[13]的計算結果對比。圖6為線性移動水量分布模型驗證結果。

由圖6可知，本研究所構建的單次擬合模型計算值與實測值擬合度較高，在相應的降水量上升彎曲段和徑向末尾段存在部分誤差，在130、150 kPa工作壓力時最大誤差分別為0.68、0.85 mm，而110 kPa工作壓力時最大誤差達到2.13 mm，這主要是由水量分布曲線分段擬合對2段連接部分的擬合效果精度較低引起的。在110、130、150 kPa工作壓力，本研究模型與實測值相比平均相對誤差分別為0.550、0.308、0.468 mm，平均偏差率為4.76%，而采用二次擬合模型[13]的計算值和實測值偏差可達1.99、2.32、2.61 mm。由此可知，基于一次正交多項式擬合的移動噴灑水量分布計算模型通過減少擬合次數，可有效提升模型計算精度。

圖6 線性移動水量分布模型驗證

3 模型應用

3.1 噴頭選用

低壓旋轉折射式噴頭是廣泛應用于移動式噴灌系統的噴頭類型，根據噴頭噴盤旋轉所在的平面又可分為水平旋轉和震蕩旋轉噴頭，其中最具代表性的是美國Nelson公司生產的R3000、S3000、O3000噴頭。

1.2.1 基本假設

在我國，也存在著非婚生子女，而且法律將其分為以下兩類:(1)“未婚男女”所生的子女。(2)“已婚男女與別人發生不正當性行為所生的子女”。(最高人民法院《關于對非婚生子女解釋的復函》(［74］法辦研字第8號))，然而，非婚生子女的認領制度卻經歷了一個從有(1950年《婚姻法》第15條第2款)到無(1980年《婚姻法》第19條第2款、現行《婚姻法》第25條第2款)的過程。那么，我國是否應重建或恢復認領制度呢?如果應該，則應如何建立呢?本文擬回答這些問題。

表2 噴頭類型及基本特征

3.2 固定與移動噴灑水量分布

通過本文移動噴灑水量分布計算模型可計算得到旋轉折射式噴頭在不同工作壓力、組合間距以及移動速度下的移動噴灑水量分布和移動組合疊加噴灑均勻度。

圖7 固定噴灑與移動噴灑水量分布對比

由圖7可知，移動噴灑水量分布呈拋物線分布，移動降水深隨距噴頭距離的增加呈減小趨勢，與固定噴灑噴水量分布曲線的雙峰分布相比，移動噴灑極大削弱了峰值水量分布，移動噴灑過程中，R3000、S3000、O3000噴頭峰值降水深分別占平均降水深的137.06%、144.53%、150.94%，與固定噴灑相比，移動噴灑3種噴頭峰值降水深分別降低14.96%、23.01%、1.85%，降低了對土壤沖刷的風險和地表積水形成的可能。R3000、S3000、O3000噴頭移動噴灑均勻度分別為75.42%、65.26%、58.00%，與固定噴灑相比，移動噴灑3種噴頭噴灑均勻度分別提高11.17%、10.72%、2.36%，說明機組行進方向的水量疊加過程可有效提升噴灑均勻度。

3.3 工作壓力對移動噴灑水量分布特性的影響

蕭飛羽按住轉動的鋼環凝視鬼算盤，那目光就像穿透了鬼算盤的眼眸看到了鬼算盤的心扉。一旁的武成龍惑然，因為他發現蕭飛羽的目光就像歷經滄桑般的沉靜、事故、精明、睿智，以致他甚至懷疑面對的不是蕭飛羽，而是一座見證過古往今來風霜雪雨的巍峨高山。

由圖8可知，R3000、S3000、O3000噴頭在不同工作壓力下的移動降水深曲線均呈拋物線型分布，移動降水深隨距噴頭距離的增大逐漸減小，旋轉折射噴頭R3000、S3000在近噴頭處2、6 m左右存在微小的峰值降水深，這是由于固定水量分布曲線的雙峰在移動過程疊加所致。隨著工作壓力的增大，R3000、S3000、O3000噴頭有效噴灌半徑逐漸增大，增加幅度分別為31.25%、26.7%、30%，各噴頭的平均降水深和最大降水深隨工作壓力的增大基本呈上升趨勢，平均降水深的變化幅度分別為35.29%、31.66%、19.21%，最高降水深的變化幅度為58.6%、47.87%、24.47%。R3000、S3000噴頭降水深的變化趨勢類似，與R3000、S3000噴頭相比，O3000噴頭降水深的增長幅度較低，可能與振蕩射流形式有關，灌溉水在噴灑域分布更加均勻。

隨著工作壓力的增大，降水均勻度均呈先增大后減小的趨勢。在130 kPa工作壓力下，噴頭均勻度呈增加趨勢，最大增加段在S3000噴頭110～130 kPa處，最大增加幅度為21.21%。而當工作壓力高于130 kPa時，均勻度均大幅度降低，最大降低段位于130～150 kPa處，最大降低幅度為35.66%，其中R3000噴頭在70 kPa工作壓力時達到最大均勻度71.62%，S3000噴頭在130 kPa工作壓力時達到最大均勻度72.86%，O3000噴頭在90 kPa工作壓力時達到最大均勻度60.15%。

圖8 各噴頭不同工作壓力下移動降水深和水力性能指標

3.4 移動速度對噴灑均勻度的影響

從圖9可以看出，隨著移動速度的增大，R3000、S3000、O3000噴頭降水深曲線趨于平緩，平均降水深呈對數逐漸降低。當移動速度較低時，各噴頭平均降水深較高（移動速度為20 m/h，平均降水深分別為9.24、10.77、8.35 mm）。各噴頭任一測點處的移動降水深隨移動速度的增大而減小，且減小幅度隨移動速度的增加而降低，移動速度在20～25 m/h時，R3000、S3000、O3000噴頭處移動降水深減小幅度最大，分別為19.9%、15.82%、20.15%，隨著移動速度的增大，各測點的降水歷時逐漸減小，使得疊加在該測點的水量減小。

圖9 110 kPa工作壓力下3種噴頭移動降水深和噴灑均勻度

R3000、S3000、O3000噴頭噴灑均勻度隨移動速度的增大而減小，當移動速度為20 m/h時噴灑均勻度最大，分別為74.93%、67.11%、56.72%，但均勻度的平均變化幅度僅為0.59%、1.38%、0.99%，說明移動速度對噴灑均勻度的影響較小。綜上可知，在根據需求平均降水深進行噴灌機移動速度設計時，由于平均降水深在低移動速度時下降幅度較大和均勻度較高的特性，故可適度降低設計移動速度，以提高降水均勻度和平衡由于機組運行和蒸發漂移帶來的水量損失。

3.5 組合間距對噴灑均勻度的影響

110 kPa工作壓力下，R3000、S3000、O3000噴頭的單噴頭移動噴灑射程為7.2、7.2、7.6 m，選取2.4、3.6、4.8、6、7.2 m的雙噴頭組合間距[21]，定義雙噴頭組合間區域為典型疊加區域，移動過程的徑向降水深簡化為多個噴頭在典型疊加區域內的徑向降水深之和。各噴頭的組合移動降水深和均勻度見圖10。

圖10 110 kPa工作壓力下不同噴頭組合間距下3種噴頭水量分布與噴灑均勻度

設固定噴灑徑向水量分布的擬合函數為()，移動路徑上的水量分布函數為f()，將等效拉伸系數帶入固定噴灑水量分布函數，設為噴灌機在噴灑路徑上任意時刻點到軸的距離。

烏龍磯水庫除險加固工程生產生活區現狀為耕地，施工前，對可能受到污染、硬化的混凝土拌和場、機械維修廠等場地進行表土剝離，剝離厚度按0.5 m考慮，先堆放于場地一角，并采取彩條布遮蓋防塵措施。對生產生活區，采取開挖土質排水溝等措施，排出場地雨水和生產生活污水，防治水土流失。施工機械設備沖洗水等施工用水盡量集中排放，通過環保工程設置的沉淀池處理后循環使用或沉淀處理達標后排入下游河道。生產生活區在結束使用后，需要按要求及時進行施工跡地清理，恢復原有土地功能。

3.6 多參數評價

不同組合間距和工作壓力下移動噴灑均勻度見圖11。由圖11可知，最大噴灑均勻度基本位于組合間距小于6 m和工作壓力大于110 kPa范圍，R3000、S3000、O3000噴頭最大噴灑均勻度分別為99.69%、99.08%、99.58%。以《GB/T 19797—2012》[20]規定的移動噴灑均勻度85%的要求值為限，組合間距低于6 m與工作壓力高于70 kPa的噴灌配置下的移動噴灑均勻度基本滿足要求。

圖11 不同組合間距和工作壓力下3種噴頭均勻度熱圖

綜上可知，工作壓力和組合間距的不同配置對移動噴灑水量分布均勻度有明顯影響，考慮雙因素影響下的大型噴灌機機組配置，R3000噴頭的最優配置分別為工作壓力150 kPa和組合間距3.6 m，S3000噴頭的最優配置分別為工作壓力150 kPa和組合間距2.4 m，O3000噴頭的最優配置分別為工作壓力130 kPa和組合間距3.6 m。

4 討 論

4.1 移動噴灑水量分布模型的誤差來源

噴頭的徑向水量分布形狀隨噴頭類型、工作壓力等的變化呈現馬鞍形、單峰、雙峰等不規則變化[6]，本研究構建的移動噴灑水量分布計算模型基于固定噴灑水量分布數據，與Liu等[15]基于橢圓、三角和拋物線型水量分布假設建立的平移式噴灌機移動噴灑水量分布計算模型相比，模型精度提高。表明通過水量分布曲線擬合較假設水量分布形式能夠進一步降低誤差。

與最小二乘法擬合相比，正交最小二乘法可得到較合理的階數和更高的擬合精度[17]，本研究基于正交最小二乘法構建的移動噴灑水量分布計算模型，模擬精度達95.24%，與葛茂生等[13]基于普通最小二乘法擬合建立的移動噴灑均勻度計算模型相比，模型精度提高0.73%，本研究更為真實地反映了噴頭徑向水量分布的峰谷特征[6]。此外，應用本研究模型僅進行了1次擬合，極大降低了擬合誤差和過擬合的風險，進一步提高了模型精度，降低計算難度。

(2)混凝土底板對組合梁的變形具有一定的抑制作用，但溫度應力在某些部位仍然較大，所以應當重視組合箱梁溫度效應對結構安全的影響。

本研究中固定噴灑水量分布的實測數據基于穩定和可控的室內條件，而實際噴灌機應用的大田環境存在影響水量分布均勻度的因素較多，模型中暫未考慮大田環境的影響，但根據朱興業等[21]對旋轉折射式噴頭特性的研究，上述引入的誤差存在但影響并不顯著。

4.2 噴灌機配置因素對移動噴灑均勻度的影響

噴灌機移動速度是機組配置的重要因素和變量，對水量分布均勻度有著顯著的影響[5, 22]，本研究表明，隨著移動速度的增大，噴頭降水深曲線趨于平緩，平均降水深呈對數逐漸降低，這與Zhang等[12]研究結果一致，同時，發現噴灌機行走速度與平均降水深負相關，且移動速度對均勻度的影響較小。Zhang等[5]的研究結論表明了這一觀點，但不同的是，Zhang等[5]是在特定灌水定額下，而本研究中設定為同一工作壓力。

本研究發現，當工作壓力高于130 kPa時，均勻度均大幅度降低，最大降低工作壓力范圍為130～150 kPa，最大降低幅度為35.66%，這與Zhang等[23]文中描述的過高工作壓力可能造成集中水量分布和均勻度降低的情況一致。

本研究表明，隨著組合間距增大，各噴頭降水深逐漸減小，均勻度呈下降趨勢，這與Mateos[7]和朱興業等[21]的研究結論一致，同時朱興業等[21]認為單噴頭降水深曲線末端噴灑水量急速下降是造成均勻度較低的主要原因。

本研究僅針對組合間距、移動速度和工作壓力對低壓折射式噴頭移動噴灑水量分布的影響進行了分析，但噴嘴大小和形狀、噴頭安裝高度等也是影響噴頭灌溉質量的重要因素。同時，復雜的大田環境如風速、風向、濕度等造成的蒸發和飄逸損失也是研究的重點，后續將根據田間應用對模型進行補充。

5 結 論

1）與固定噴灑相比，移動噴灑極大削弱了峰值水量分布，R3000、S3000、O3000噴頭峰值降水深占平均降水深的14.96%、23.01%、1.85%，噴灑均勻度分別提高11.17%、10.72%、2.36%，證明移動噴灌可以提高均勻度和灌溉效率。

2）隨著工作壓力的增大，有效噴灌半徑逐漸增大；當工作壓力高于130 kPa時，3個噴頭均勻度最高降幅達35.66%；R3000、S3000、O3000噴頭均勻度隨移動速度的增大而降低，平均變化幅度為0.59%、1.38%、0.99%，證明移動速度對均勻度的影響較??；隨著組合間距的不斷增大，均勻度呈波動下降的趨勢。

3）R3000、S3000、O3000噴頭的工作壓力和噴頭組合間距配置組合分別為150 kPa/3.6 m、150 kPa/2.4 m、130 kPa/3.6 m時，噴灑均勻度最高。

2014年，青海鹽湖工業股份有限公司調整總體經營思路，在鞏固既有市場、擴大市場份額的基礎上，轉變經營思路，上接資源、下接市場，按照不同區域和品種，聯合市場優勢資源分別與行業龍頭企業組建了六大聯營公司。其中，四川鹽湖化工銷售有限公司就是青海鹽湖工業股份有限公司和新希望集團有限公司成立的混合所有制公司，已成為中國最大的鉀化學品市場營銷、物流配送和客戶服務的專業經營公司。

（作者聲明本文無實際或潛在利益沖突）

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Construction and Application of Water Distribution Model for Rotary Refractive Sprinkler Spray Head Mobile System

XUE Shaopeng1,2, GE Maosheng1,2*, WEI Fuqiang1,2, ZHANG Qianwen1,2, ZHANG Tingning1,2

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A＆F University, Yangling 712100, China)

【Objective】Refractive sprinkler spray head mobile irrigation is a widely used irrigation system. In this paper, we proposed a model to calculate its water distribution and hydraulic characteristics for helping optimize its operating parameters and configuration. 【Method】We used the sprinkler intensity equivalent stretching method and constructed a mobile sprinkler water distribution model based on the primary orthogonal polynomial fitting. The model was then applied to the R3000, S3000 and O3000 rotary refractive sprinkler head systems to analyze their water distribution under working pressure ranging from 50 to 150 kPa, moving speed from 20 to 45 m/h, sprinkler spacing from 1.2 to 8.4 m.【Result】① The water depth of all three systems decreased with the increase in sprinkler distance. Compared with a fixed system, the three mobile systems increased spraying uniformity by 2.36% to 11.17%. ② With the increase in working pressure, the effective spraying radius of the R3000, S3000 and O3000 systems gradually increased, while their spraying uniformity increasing first followed by a fall. The average water depth and distribution uniformity of the mobile systems decreased with the increase in moving speed, albeit the change was small ranging from 0.59% to 1.38% for the three systems. With the increase in sprinkler distance, the average water depth and the spraying uniformity decreased in a fluctuating way. ③ Considering the influence of working pressure and sprinkler spacing, the R3000, S3000 and O3000 gave the highest spraying uniformity when the working pressure/distance was 150 kPa/3.6 m, 150 kPa/2.4 m and 130 kPa/3.6 m, respectively.【Conclusion】The equivalent stretching method reduces the number of fittings in model construction and improves modelling accuracy. Increasing working pressure or reducing sprinkler spacing can improve spraying uniformity.

low pressure sprinkler; water quantity distribution; uniformity; mobile spraying; mathematical model; combination spacing

1672 - 3317（2023）10 - 0046 - 11

S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023044

薛紹鵬, 葛茂生, 魏福強, 等. 旋轉折射式噴頭移動噴灑水量分布計算模型構建與應用[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(10): 46-56.

XUE Shaopeng, GE Maosheng, WEI Fuqiang, et al. Construction and Application of Water Distribution Model for Rotary Refractive Sprinkler Spray Head Mobile System[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 46-56.

2023-02-12

2023-05-24

2023-10-16

國家自然科學基金面上項目（52279045）；陜西省青年科技新星項目（2023KJXX-011）

薛紹鵬（1998-），男。碩士研究生，主要從事節水灌溉技術與裝備研究。E-mail: 1570096512@nwafu.edu.cn

葛茂生（1990-），男。副教授，碩士生導師，主要從事節水灌溉理論與新技術研究。E-mail: gmsnongshui@126.com

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協議

責任編輯：白芳芳