輕小型噴灌機(jī)組評價(jià)指標(biāo)及評價(jià)方法現(xiàn)狀

包振琪，朱寶文，徐雨竹，湯 攀

(1.江蘇省興化市水務(wù)局，江蘇 泰州 225700；2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械及工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國人均水資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平，農(nóng)業(yè)用水量在全國總供水量所占比例較大，為了滿足我國13.5億人口的糧食需求，節(jié)水灌溉是促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食增產(chǎn)的主要途徑之一[1]。噴灌技術(shù)作為高效的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，為解決全世界的糧食問題及農(nóng)業(yè)水資源的節(jié)約起到了關(guān)鍵性的作用，在我國應(yīng)用越來越廣泛。輕小型噴灌機(jī)組由于具有輕巧靈活、便于移動(dòng)、噴灌面積可大可小、適用于水源小而分散的丘陵山區(qū)及小型地塊、一次性投資少、操作簡單、保管維護(hù)方便、節(jié)省勞動(dòng)力、保持水土、提高產(chǎn)量和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1 輕小型噴灌機(jī)組形式

根據(jù)配套噴頭形式及數(shù)量的不同，輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組主要有四類：手持噴槍式(或無噴槍)輕小型噴灌機(jī)、單噴頭輕小型噴灌機(jī)組、多噴頭輕小型噴灌機(jī)組和軟管固定(半固定)多噴輕小型噴灌機(jī)組。

(1)手持噴槍式(或無噴槍)輕小型噴灌機(jī)。該機(jī)組形式由動(dòng)力機(jī)泵、進(jìn)出水管路組成，噴灑器為手持噴槍或者直接手持末端管道進(jìn)行澆灌，它不要求霧化指標(biāo)，因此系統(tǒng)壓力較低。并能在干地后澆灌，移動(dòng)方便，適于經(jīng)濟(jì)條件較落后地區(qū)應(yīng)急抗旱時(shí)使用，但噴灌均勻性較差[2]。

(2)單噴頭輕小型噴灌機(jī)組。一般選用40PY或50PY噴頭。其特點(diǎn)為：系統(tǒng)壓力高，噴頭射程遠(yuǎn)，單噴頭控制面積大，噴灑均勻性稍差，相對能耗較高，畝投資最?。徊僮骱唵?，移動(dòng)方便；因?yàn)槭巧刃螄姙?，能保持在干地往后移?dòng)噴頭支架。但該機(jī)組形式噴頭噴灑反沖力及水滴打擊強(qiáng)度均較大，對土壤入滲能力有一定要求，可以用于牧草灌溉[2]。該機(jī)型上世紀(jì)末應(yīng)用較多，目前逐年減少。

(3)多噴頭輕小型噴灌機(jī)組。該類型機(jī)組配套15PY、20PY、ZY-1、ZY-2系列噴頭。它可以根據(jù)灌溉作物及地塊面積的大小，選擇不同工作壓力、相應(yīng)數(shù)量的噴頭，因此機(jī)組的流量、揚(yáng)程及功率等參數(shù)選擇范圍較大，機(jī)組用途拓展具有較大空間，噴灌均勻性比前面兩種機(jī)型更高，能耗降低。

目前多噴頭輕小型噴灌機(jī)組約占輕小型噴灌機(jī)組1/3的市場份額。蘇南地區(qū)灌溉時(shí)，該機(jī)組形式一個(gè)噴灌周期內(nèi)一般需要移動(dòng)支管7～10次，每次移動(dòng)時(shí)需將每節(jié)管道及噴頭的連接全部拆開，移動(dòng)幾十米的距離后再重新連接。因此存在由于噴灌后地面泥濘所導(dǎo)致的搬移困難、勞動(dòng)強(qiáng)度較大的缺點(diǎn)。

(4)軟管固定(半固定)多噴輕小型噴灌機(jī)組。軟管多噴輕小型噴灌機(jī)組是管道式噴灌的一種類型。系統(tǒng)中所有管道是固定的，但是干管、支管均鋪設(shè)在地面，并且全部采用可拆卸的快速接頭連接，灌溉季節(jié)結(jié)束后可以收存入庫。管道一般采用涂塑軟管，每條支管入口處設(shè)置了輪灌閥門，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)輪灌作業(yè)。其配套動(dòng)力一般為11～22 kW柴油機(jī)，噴灌面積可達(dá)16.67～20.00 hm2。該機(jī)型實(shí)際上是傳統(tǒng)的“一字型”或“豐字型”灌溉布置形式向大型網(wǎng)狀布置形式的一種拓展。它結(jié)合了固定式和移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，噴灌均勻，勞動(dòng)強(qiáng)度較低，同時(shí)投資減少，操作簡單方便，具有較好的應(yīng)用前景。

2 輕小型噴灌機(jī)組評價(jià)指標(biāo)

2.1 機(jī)組能耗

機(jī)組能耗是輕小型噴灌機(jī)組性能評價(jià)的重要指標(biāo)。目前，對于大型灌區(qū)降低噴灌能耗的主要措施為根據(jù)各用戶地理分布情況及用水需求對泵站各水泵的運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，美國、西班牙等國研究較多[3]。西班牙學(xué)者Rodriguez[3]等和Moreno[4]等對灌區(qū)管網(wǎng)的系統(tǒng)能耗分析表明，通過管道優(yōu)化配置及合理運(yùn)行可以使灌溉系統(tǒng)能耗降低10.2%，甚至27%。他們將灌溉單位面積的能耗費(fèi)(ECSr)與提升單位體積水量的能耗費(fèi)(ECVT)分別應(yīng)用于灌區(qū)輸水系統(tǒng)的能耗評價(jià)中。類似地，Chen D[5]等將能耗-效益比這一綜合指標(biāo)應(yīng)用于溉節(jié)能改造工程的可行性評價(jià)中。但如運(yùn)用于噴灌機(jī)組的優(yōu)化中，根據(jù)作物灌溉及噴頭選擇的需要，水泵運(yùn)行工況調(diào)節(jié)范圍有限，且通過適當(dāng)?shù)墓艿琅渲眠_(dá)到一定的噴灌質(zhì)量是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要目的[6,7]?？傮w上，從噴灌系統(tǒng)考慮，比較詳細(xì)地分析影響機(jī)組能耗的主要因素方面的研究甚少。

國內(nèi)學(xué)者對灌溉機(jī)組能耗評價(jià)多采用試驗(yàn)測試的方式得到機(jī)組的功率，依據(jù)所測數(shù)據(jù)對備選灌溉方式的能耗進(jìn)行分析對比。牛連和[8]等對兩種配備潛水電泵和農(nóng)用機(jī)井的噴灌系統(tǒng)的機(jī)組效率及耗電量進(jìn)行測試，得出：在試驗(yàn)中同一地塊，噴灌單方水的耗電量比畦灌高近1倍，當(dāng)噴灌灌溉節(jié)水量達(dá)50%，噴灌與畦灌的能耗才能持平。也有部分學(xué)者對噴灌工程能源消耗、噴灌節(jié)能臨界揚(yáng)程等問題進(jìn)行探討，但研究對象的系統(tǒng)配置方式有限，改變相關(guān)參數(shù)對能耗降低的效果不夠明顯[9]。而且噴灌機(jī)組能耗評價(jià)指標(biāo)不一，不利于不同噴灌機(jī)組形式機(jī)組節(jié)能效果的對比，為系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化及節(jié)能降耗帶來一定的困難。在我國能源問題日益緊張的局勢下，采用合理的能耗評價(jià)指標(biāo)，并研究噴灌機(jī)組的能耗影響因素，對優(yōu)化機(jī)組配置、降低系統(tǒng)能耗、噴灌工程綜合評價(jià)實(shí)施都有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 機(jī)組噴灌均勻性

噴灌均勻性反映噴灌質(zhì)量的高低，是噴灌系統(tǒng)的重要考核指標(biāo)。綜觀國內(nèi)外噴灌均勻性影響因素方面的研究，可以大致分為噴頭參數(shù)、管道布置方式、運(yùn)行管理因素、自然環(huán)境因素和作物冠層的影響。通常所說的噴灌均勻性即指組合噴灌均勻性。其中噴頭選擇、管道布置、運(yùn)行管理因素都與機(jī)組的配置方式有關(guān)，因而噴灌均勻性大小在噴灌機(jī)組優(yōu)化配置中不容忽視。

DeBoer[10]發(fā)現(xiàn)大型噴灌機(jī)上低壓噴頭的噴灑均勻性對噴頭間距較敏感，噴頭間距加大時(shí)，均勻性變差。日本學(xué)者Fukui[11]得出當(dāng)沿管道發(fā)現(xiàn)組合噴頭的射流交疊區(qū)在單噴頭射程的50%～70%之間時(shí)，噴頭組合方式采用矩形比采用三角形的均勻性高，且工作壓力變大時(shí)，獲得最高均勻性所需的噴頭間距需加大。巴西學(xué)者Soares[12]研究了地形坡度對噴灌均勻性的影響，隨著坡度最大，均勻性下降，在任何坡度及噴頭仰角情況下采用三角形的布置方式相對均能有助均勻性的提高。可見，管道布置方式及布置間距對噴灌均勻性都有影響。

目前大多數(shù)輕小型噴灌機(jī)組使用時(shí)各噴頭未安裝調(diào)壓閥，此時(shí)由于室外條件地形坡度的存在及機(jī)組配置參數(shù)變化時(shí)管道沿程壓力坡降的影響，組合噴灑各噴頭的工作壓力不完全一致，而計(jì)算中常假定組合噴灑各噴頭工作壓力相同，因此得到的組合噴灑均勻性會有一定誤差，工作壓力越低時(shí)誤差越大。噴頭工作壓力及相鄰噴頭工作壓力差的變化都會對噴灑均勻性產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：①改變單噴頭噴灑圖形。當(dāng)壓力過低時(shí)，水量集中在射程末端，使單噴頭整個(gè)噴灑面水量呈環(huán)形分布[13]。Meteos[14]提出噴灌系統(tǒng)全局噴灑非均勻性7%～13.3%是由噴頭間工作壓力差異所致。Burt[15,16]也將噴頭工作壓力差列為影響人工拆移管道式噴灌系統(tǒng)均勻性的主要因素之一，因此提出噴頭壓力極差需控制在20%以內(nèi)。②改變雨滴直徑大小，影響抗風(fēng)性能及漂移損失[17]。

風(fēng)的影響也是田間噴灌時(shí)影響噴灌質(zhì)量的重要因素。Hanson[18]對不同風(fēng)速下大型噴灌機(jī)上配置的旋轉(zhuǎn)擋板式噴頭與滴灌帶式噴灑器的進(jìn)行噴灑均勻性試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4.5 m/s時(shí)，旋轉(zhuǎn)式噴頭的均勻性下降，而滴灌帶式噴灑器均勻性提高。Dukes[19]也做過類似研究，研究風(fēng)速高達(dá)6.2 m/s。而Fukui提出當(dāng)風(fēng)速低于1 m/s時(shí)，風(fēng)速引起的漂移損失對均勻性的影響可以忽略。Mateos[14]建議對于固定式噴灌系統(tǒng)，風(fēng)速大于1.8～2 m/s時(shí)，風(fēng)速的影響不能忽略。

從上面的研究結(jié)果可以看到，噴頭工作壓力差及室外環(huán)境因素對噴灌均勻性影響的系統(tǒng)研究較少，且從大型噴灌機(jī)及固定式噴灌系統(tǒng)的均勻性室外試驗(yàn)的結(jié)果來看，不同系統(tǒng)中，風(fēng)向風(fēng)速對噴灌均勻性的影響效果不完全一致；由于受噴頭性能影響，達(dá)到合理均勻性所能允許的室外風(fēng)速差異較大。因此，采用理論計(jì)算與田間試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究室外試驗(yàn)條件下機(jī)組配置參數(shù)、管道布置情況及運(yùn)行條件、環(huán)境因素等因素及其交互作用對噴灌系統(tǒng)灑均勻性的影響十分必要。

2.3 機(jī)組綜合指標(biāo)

能耗及均勻性是考察輕小型噴灌機(jī)組性能的主要指標(biāo)。但對于噴灌系統(tǒng)而言，經(jīng)濟(jì)性及社會指標(biāo)也是影響系統(tǒng)選擇的因素之一。輕小型噴灌機(jī)組也是如此，目前這方面的研究較為欠缺。Grusse[20]等在灌溉系統(tǒng)的田間評價(jià)中將評價(jià)指標(biāo)分為技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)和農(nóng)藝指標(biāo)。Mateos[21]采用了包括均勻性和灌水效率在內(nèi)的6個(gè)性能指標(biāo)對滴灌、噴灌和渠灌3種灌水方式進(jìn)行評價(jià)，對于具體的灌水方法這些評價(jià)指標(biāo)會有一定的變化。Bekele[22]將這些指標(biāo)用于小型灌溉系統(tǒng)的田間評價(jià)中。Ali[23]則給出了部分灌溉技術(shù)指標(biāo)的影響因素及計(jì)算公式。李久生[24]指出，為了獲得高于90%的噴灌均勻系數(shù)，系統(tǒng)能耗及投資將大幅增加。因此，噴灌系統(tǒng)各評價(jià)指標(biāo)之間也是相互關(guān)聯(lián)。經(jīng)濟(jì)和環(huán)境指標(biāo)方面，Martinez[25]等分析了固定式噴灌系統(tǒng)中次級管網(wǎng)布置、間距、工作壓力、平均噴灌強(qiáng)度和噴灑水利用系數(shù)等設(shè)計(jì)因素及運(yùn)行參數(shù)對灌溉總費(fèi)用的影響。Morankar[4]等則采用工作日法來衡量灌溉系統(tǒng)安裝、運(yùn)行中的用工量。

從上面分析可以看出，以往噴灌系統(tǒng)的評價(jià)研究中對灌溉均勻性、灌水效率等技術(shù)指標(biāo)關(guān)注較多，綜合評價(jià)方面的研究多集中于灌區(qū)層面[26-28]?？紤]技術(shù)指標(biāo)，以及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等方面指標(biāo)的輕小型噴灌機(jī)組綜合評價(jià)研究很少。以用工量為例，它是輕小型噴灌機(jī)組區(qū)別與固定式噴灌系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一，固定式噴灌系統(tǒng)用工量度量中采用的工作日法難以滿足其勞動(dòng)力計(jì)量的需要。因此，急需適用于輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組的一套綜合評價(jià)理論與方法。

噴灌機(jī)組系統(tǒng)成本、能耗、噴灌均勻性、用工量等評價(jià)指標(biāo)的研究中，國內(nèi)外學(xué)者一般是單獨(dú)進(jìn)行分析。滿足一定噴灌均勻性時(shí)系統(tǒng)能耗、成本等其他因素的變化系統(tǒng)研究很少[29,30]。這些反映噴灌機(jī)組運(yùn)行的綜合性能狀態(tài)稱為系統(tǒng)的組態(tài)。目前這方面的研究較為欠缺，因此需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，從而為機(jī)組的多目標(biāo)優(yōu)化配置提供參考。

3 輕小型噴灌機(jī)組綜合評價(jià)方法

多年來，國內(nèi)外學(xué)者提出的灌溉系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)甚多，但很大一部分研究是在灌溉項(xiàng)目建成后進(jìn)行，灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期不同方案的評價(jià)、對比方面研究較少。水資源管理領(lǐng)域中常用的多指標(biāo)綜合評價(jià)方法(Multi-criteria Analysis，MCA)在灌溉系統(tǒng)、尤其是噴灌系統(tǒng)中應(yīng)用較少。多指標(biāo)綜合評價(jià)方法主要包括層次分析法[31]、主成分分析法[32,33]和灰色關(guān)聯(lián)法[34]等方法。通過這些方法能有效地從大量信息中得出多項(xiàng)選擇中的最優(yōu)方案。其中灰色關(guān)聯(lián)法的應(yīng)用日益廣泛。

灰色關(guān)聯(lián)理論的創(chuàng)立始于鄧聚龍教授于1982年發(fā)表的論文《灰色系統(tǒng)控制》，此后灰色系統(tǒng)理論不斷完善[35,36]?；疑P(guān)聯(lián)法(Grey Relational Analysis，GRA)是系統(tǒng)決策方法之一，它是根據(jù)比較數(shù)列與參考數(shù)列所構(gòu)成的曲線間的幾何相似度，來判別數(shù)據(jù)系列之間的聯(lián)系[37]。與傳統(tǒng)的回歸分析、方差分析等系統(tǒng)分析方法相比，灰色關(guān)聯(lián)法對樣本大小、概率分布規(guī)律等方面要求較低[37]。它可以對不完全的信息進(jìn)行處理，各因素指標(biāo)也不需要相互獨(dú)立，因而應(yīng)用較廣[38]?；疑P(guān)聯(lián)法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，多集中于灌溉管理決策及集雨灌溉規(guī)劃方案優(yōu)選，但在噴灌系統(tǒng)性能評價(jià)中應(yīng)用甚少[39]。將灰色關(guān)聯(lián)法應(yīng)用于輕小型噴灌機(jī)組的多因素多目標(biāo)評價(jià)中可以為噴灌機(jī)組的比選，及機(jī)組各項(xiàng)性能分析提供有效的工具。

4 結(jié) 語

(1)加強(qiáng)輕小型噴灌機(jī)組形式的設(shè)計(jì)和管道水力計(jì)算等方面的研究。

(2)采用合理的能耗評價(jià)指標(biāo)，對優(yōu)化機(jī)組配置、降低系統(tǒng)能耗和噴灌工程綜合評價(jià)實(shí)施都有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

(3)研究室外試驗(yàn)條件下機(jī)組配置參數(shù)、管道布置情況及運(yùn)行條件、環(huán)境因素等因素及其交互作用對噴灌系統(tǒng)灑均勻性的影響十分必要。

(4)研究出適用于輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組的一套綜合評價(jià)理論與方法。

(5)將灰色關(guān)聯(lián)法應(yīng)用于輕小型噴灌機(jī)組的多因素多目標(biāo)評價(jià)中可以為噴灌機(jī)組的比選和機(jī)組各項(xiàng)性能分析提供有效的工具。

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