旋轉(zhuǎn)折射式噴頭移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型構(gòu)建與應(yīng)用

薛紹鵬，葛茂生*，魏福強(qiáng)，張騫文，張廷寧

?灌溉技術(shù)與裝備?

旋轉(zhuǎn)折射式噴頭移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型構(gòu)建與應(yīng)用

薛紹鵬1,2，葛茂生1,2*，魏福強(qiáng)1,2，張騫文1,2，張廷寧1,2

（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) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

【目的】探討旋轉(zhuǎn)折射式噴頭移動(dòng)噴灑水力特性，優(yōu)化噴灌機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和配置。【方法】采用噴灌強(qiáng)度等效拉伸法，構(gòu)建了基于一次正交多項(xiàng)式擬合的移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型，應(yīng)用該模型對(duì)R3000、S3000、O3000噴頭進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了工作壓力（50～150 kPa）、移動(dòng)速度（20～45 m/h）和組合間距（1.2～6 m）對(duì)3種噴頭移動(dòng)噴灑水量分布和均勻度的影響?！窘Y(jié)果】①模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差在5%以內(nèi)，模型精度較高。②R3000、S3000、O3000噴頭移動(dòng)降水深隨距噴頭距離的增加而減小，3種噴頭移動(dòng)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(shì)，最大降低幅度達(dá)35.66%，平均降水深和均勻度隨移動(dòng)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(shuō)明移動(dòng)速度對(duì)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(dòng)下降的趨勢(shì)。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(nèi)取得較高的移動(dòng)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(jié)論】等效拉伸法降低了模型構(gòu)建過(guò)程中的擬合次數(shù)，提高了計(jì)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(dòng)噴灑均勻度。

低壓噴頭；水量分布；均勻度；移動(dòng)噴灑；數(shù)學(xué)模型；組合間距

0 引 言

【研究意義】旋轉(zhuǎn)折射式噴頭一般指有壓噴灌水流經(jīng)噴嘴射出，沖擊并帶動(dòng)阻尼噴盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)水流通過(guò)噴盤上具有專門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型時(shí)針式與平移式噴灌機(jī)等各類移動(dòng)式噴灌機(jī)組[1]。旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的噴灑水力特性決定了噴灌機(jī)組的灌水質(zhì)量，前人進(jìn)行了大量的關(guān)于旋轉(zhuǎn)折射式噴頭噴灑水力特性的研究，包括工作壓力、噴盤轉(zhuǎn)速、安裝高度等對(duì)噴頭噴灑水量分布和打擊動(dòng)能分布特性等方面的影響[2-4]。噴灌機(jī)原位實(shí)測(cè)或室內(nèi)模擬試驗(yàn)是獲得噴灌機(jī)組移動(dòng)噴灑水量分布特性的重要手段，但是移動(dòng)噴灑水量實(shí)測(cè)易受場(chǎng)地、環(huán)境等的限制，且人力與時(shí)間投入成本高，難以推廣到試驗(yàn)因素較多或試驗(yàn)條件要求較高的情況[5]。因此，嘗試通過(guò)構(gòu)建移動(dòng)噴灑水量疊加模型進(jìn)行水量分布的模擬計(jì)算具有重要意義。

【研究進(jìn)展】旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的徑向水量分布常呈現(xiàn)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(jìn)行水量疊加[7]。陳震等[8]在實(shí)測(cè)單噴頭水量分布的基礎(chǔ)上，通過(guò)MALTLAB編程模擬了組合疊加噴灑水量分布特性。朱興業(yè)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(shù)。但除了沿供水干管方向進(jìn)行水量疊加外，噴灌機(jī)組在行進(jìn)過(guò)程中，還要沿機(jī)組移動(dòng)方向進(jìn)行水量的疊加，灌溉區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的實(shí)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(guò)對(duì)噴灌和軟管灌溉兩用機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，得到了低能耗平移式噴灌機(jī)的水量分布和噴灌均勻度變化特征。張以升等[11]實(shí)測(cè)了特定灌水定額下輕小型平移式噴灌機(jī)的移動(dòng)水量分布特性，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)整噴頭組合間距和機(jī)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(yàn)發(fā)現(xiàn)振蕩波動(dòng)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(jìn)行移動(dòng)噴灑水量計(jì)算的基礎(chǔ)[13]，Zhang等[5]基于實(shí)測(cè)徑向水量分布數(shù)據(jù)，建立了固定折射式噴頭的移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型，但其模型的計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，不利于推廣應(yīng)用。Dukes[14]研究中曾將噴頭徑向水量分布簡(jiǎn)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(shè)，建立了配備固定折射式噴頭的平移式噴灌機(jī)移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型，但大量噴灑實(shí)測(cè)結(jié)果表明，噴頭的徑向水量分布形狀較為復(fù)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(guī)則變化[6]，依據(jù)簡(jiǎn)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(yōu)化方法，能夠更真實(shí)地反應(yīng)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(dòng)噴灑均勻度計(jì)算模型，但基于最小二乘法擬合的多項(xiàng)式往往具有較高的階數(shù)，增加了過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)[16]。

【切入點(diǎn)】旋轉(zhuǎn)折射式噴頭在移動(dòng)噴灑條件下的水量分布與噴灑均勻度存在實(shí)測(cè)工作量大、易受環(huán)境影響，模擬計(jì)算精度低、過(guò)程煩瑣等問(wèn)題。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，以平移式噴灌機(jī)組中應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭（Nelson R3000、S3000、O3000噴頭）為研究對(duì)象，采用噴灌強(qiáng)度等效拉伸法，構(gòu)建基于一次正交多項(xiàng)式擬合的移動(dòng)噴灑水量計(jì)算模型并驗(yàn)證模型精度，將構(gòu)建模型用于分析噴頭工作壓力、組合間距、機(jī)組移動(dòng)速度等對(duì)移動(dòng)噴灑水量分布的影響，為優(yōu)化機(jī)組配置和運(yùn)行參數(shù)，提高移動(dòng)式噴灌機(jī)組運(yùn)行效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型構(gòu)建

1.1 徑向水量分布特征曲線

本文以實(shí)測(cè)水量到擬合曲線正交距離平方和最小為準(zhǔn)則，對(duì)噴頭徑向水量分布特征曲線進(jìn)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(shù)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(cè)點(diǎn)到噴頭的距離（m）；()為距噴頭距離處的噴灌強(qiáng)度（mm/h）；a為正交多項(xiàng)式回歸系數(shù)，可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用SPSS或MATLAB軟件擬合得到；為正交多項(xiàng)式的階數(shù)；為多項(xiàng)式階數(shù)。利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)編寫了正交多項(xiàng)式水量分布擬合程序，便于研究和后續(xù)計(jì)算。

針對(duì)江都三站情況，泵站在水輪機(jī)工況電機(jī)不變極運(yùn)行時(shí)，年平均發(fā)電量只略小于電機(jī)變極和變頻兩種運(yùn)行方式，但所需投資大大減少。因此江都三站在選擇反向發(fā)電運(yùn)行方式時(shí)應(yīng)首先考慮采用電機(jī)不變極、水泵葉片安放角盡可能小的運(yùn)行方式，既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單可行。上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司根據(jù)已有成功經(jīng)驗(yàn)，確定兩種配置模式作設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析擇優(yōu)使用。兩種模式的方案如下：

1.2 移動(dòng)噴灑水量計(jì)算

R3000噴頭和S3000噴頭為水平旋轉(zhuǎn)折射式噴頭，與固定折射式噴頭相比，其旋轉(zhuǎn)帶來(lái)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(zhuǎn)速度更快。O3000噴頭是震蕩旋轉(zhuǎn)折射式噴頭，噴盤在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中同時(shí)保持一個(gè)較小的傾角，使得水流上下振蕩，有較為優(yōu)越的水力性能[8]。為保證相同的噴灑流量，各試驗(yàn)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(dòng)物分組：75只雄性Sprague-Dawley大鼠按照數(shù)字表法隨機(jī)均分成假手術(shù)組、模型組、有氧運(yùn)動(dòng)預(yù)處理組、HBO處理組和有氧運(yùn)動(dòng)+HBO處理組，每組15只。

旋轉(zhuǎn)折射式噴頭噴灑范圍為圓形，且移動(dòng)過(guò)程中噴頭的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)大于機(jī)組的行走速度[11]，故此處可作2點(diǎn)假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算：①距噴頭距離相等的各點(diǎn)處有相同的噴灌強(qiáng)度；②任意1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)落在噴灑域某點(diǎn)的水量相同。若噴頭所在位置為點(diǎn)，方向?yàn)闄C(jī)組行進(jìn)方向，假設(shè)噴頭位置不動(dòng)，為測(cè)點(diǎn)移動(dòng)方向，則軸上任意點(diǎn)的移動(dòng)噴灑總受水量為該點(diǎn)進(jìn)入噴灑域的起始點(diǎn)start到完全離開噴灑域的終末點(diǎn)end的總受水量，如圖1所示，受水過(guò)程可以簡(jiǎn)化為以該點(diǎn)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(shí)降水量總和，虛線段可稱為噴灑路徑。

圖1 移動(dòng)噴灌示意

圖1中為噴頭位置；為測(cè)點(diǎn)到噴頭行進(jìn)線的距離（m）；為噴灑半徑（m）；start為受水起點(diǎn)；end為受水終點(diǎn)；為噴灌機(jī)移動(dòng)速度（m/h）；為邊緣受水點(diǎn)與噴頭的夾角（0°<<90°）

1.2.2 等效拉伸系數(shù)

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(diǎn)和點(diǎn)，如圖2所示。根據(jù)基本假設(shè)，點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度數(shù)值相等，因此可將點(diǎn)稱為一對(duì)等效強(qiáng)度點(diǎn)。顯然，在噴灑路徑上的每一點(diǎn)，均能夠在上找到對(duì)應(yīng)的等效強(qiáng)度點(diǎn)，而上任意點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度均可通過(guò)徑向水量分布特征曲線得出，進(jìn)而可得到噴灑路徑上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴灌強(qiáng)度。定義點(diǎn)到噴灑路徑和徑向線上各等效強(qiáng)度點(diǎn)距離的比值為等效拉伸系數(shù)。

圖2 移動(dòng)路徑上等效水量分布假設(shè)

圖2中為噴頭位置點(diǎn)；為測(cè)點(diǎn)到噴頭行進(jìn)線的距離（m）；為噴灑半徑（m）；為點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度等效點(diǎn)；1231、23點(diǎn)為噴灌強(qiáng)度等效點(diǎn)。

在噴灌機(jī)組行進(jìn)過(guò)程中，設(shè)噴灌機(jī)從軸上距噴頭距離為的一點(diǎn)出發(fā)，其受水區(qū)間為start到end的1/2，設(shè)機(jī)組移動(dòng)速度為，則任意行進(jìn)時(shí)間時(shí)，受水點(diǎn)距軸的距離為，則此時(shí)該點(diǎn)距噴頭的距離X為：

王維曰“色空無(wú)礙，不物物也，默默無(wú)際，不言言也?！彼远U宗“空”為基礎(chǔ)創(chuàng)作的山水詩(shī)納萬(wàn)象而神韻天成，鳶飛草長(zhǎng)而川流不息。契合了禪宗“色即是空，空即是色”的圓融無(wú)礙的境界。被王漁陽(yáng)譽(yù)為“字字入禪”的輞川絕句，完整地詮釋了中國(guó)禪宗對(duì)王維詩(shī)歌的影響。

設(shè)此時(shí)該點(diǎn)在軸上的等效強(qiáng)度點(diǎn)距點(diǎn)距離為Δ，計(jì)算式為：

根據(jù)對(duì)等效拉伸系數(shù)的定義，可得在噴灑路徑上任意時(shí)刻對(duì)應(yīng)的等效拉伸系數(shù)為：

對(duì)式（4）變形可得：

——美國(guó)調(diào)查機(jī)構(gòu)稱中國(guó)網(wǎng)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(wú)望和內(nèi)心焦慮。

2.細(xì)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(fā)性大腸桿菌病)和仔豬白痢(遲發(fā)性大腸桿菌病)。

1.2.3 移動(dòng)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(dòng)下降趨勢(shì)，在2.4 m噴頭組合間距時(shí)，有多個(gè)噴頭的水量分布在典型疊加區(qū)域內(nèi)疊加，使得疊加區(qū)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(gè)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(dāng)噴頭組合間距為3.6 m時(shí)，R3000、S3000噴頭典型疊加區(qū)域內(nèi)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(shí)R3000、S3000噴頭均勻度的大幅降低，降低幅度達(dá)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(xù)增大（≥3.6 m），能夠覆蓋典型疊加區(qū)域內(nèi)的噴頭數(shù)僅剩2個(gè)，此時(shí)區(qū)域內(nèi)水量分布呈隨組合間距增大而波動(dòng)起伏的變化趨勢(shì)，由于各噴頭結(jié)構(gòu)差異，呈現(xiàn)的效果差異明顯，R3000、O3000噴頭在4.8 m噴頭組合間距時(shí)均勻度大幅度下降，S3000噴頭在6 m噴頭組合間距時(shí)均勻度大幅下降。故組合間距傾向于較小的配置，此時(shí)可以獲得更好的均勻度，但同時(shí)也意味著較高的降水深和更大的投資。

則移動(dòng)路徑上的水量分布函數(shù)L()為：

由式（6）和式（7）可得：

隨移動(dòng)路徑上各位置點(diǎn)的拉伸不同，但總的拉伸長(zhǎng)度相同，以和長(zhǎng)度比（式（9））計(jì)算整段移動(dòng)路徑在拉伸后的初始時(shí)間和終了時(shí)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(cè)輸出，圖4(c)和圖4(d)為循環(huán)譜檢測(cè)法頻率為0Hz時(shí)的盲檢測(cè)輸出，圖4(e)和圖4(f)為四階累積量盲檢測(cè)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(xiàn)象，此現(xiàn)象將導(dǎo)致非合作方檢測(cè)到接收信號(hào)中信號(hào)成分不唯一，除大信號(hào)殘留外還存在其它信號(hào)，進(jìn)而機(jī)密信號(hào)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(shù)特性符合大信號(hào)參數(shù)特征，機(jī)密信號(hào)得到隱藏，具有抗盲檢測(cè)能力.

對(duì)噴灌機(jī)在受水區(qū)間內(nèi)的總受水時(shí)間進(jìn)行積分，可得在軸任意一點(diǎn)處噴灌機(jī)移動(dòng)受水總量()的上半部分，由基本假設(shè)可得，上下部分受水量相同，即積分值的2倍即是該受水點(diǎn)的歷時(shí)受水總量。設(shè)置不變，僅改變值即可得到噴灑路徑上任一受水點(diǎn)的歷時(shí)水量。

1.3 移動(dòng)組合噴灑均勻度

在單噴頭移動(dòng)噴灑水量分布的基礎(chǔ)上，沿供水干管方向進(jìn)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(diǎn)位置處的疊加水量計(jì)算式[18]為：

亞里士多德十分關(guān)注守法所會(huì)造成的心靈品質(zhì)。從政治的目的而言，由于法律對(duì)人們的行為而言是一種最普遍而又最正規(guī)的約束和引導(dǎo)，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(shuō)，城邦法律應(yīng)該引導(dǎo)人們行事公正，并且關(guān)注人們美德的成長(zhǎng)。所謂公正，就是指人們?cè)诔前钪?，能夠“各自按照自己?yīng)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(dòng)水量分布函數(shù)；R為噴灑半徑（m）；d為組合間距（m）；x為組合間距內(nèi)任一點(diǎn)距首個(gè)噴頭的距離（m）。

根據(jù)組合疊加后各點(diǎn)的水量分布，可進(jìn)一步計(jì)算出旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的移動(dòng)組合疊加噴灑均勻度，以Christiansen均勻系數(shù)表示，計(jì)算式為：

式中：為均勻系數(shù)（%）；h為測(cè)點(diǎn)水深（mm）；`為平均水深（mm）；為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

單噴頭的水量分布是機(jī)組的行進(jìn)噴灑均勻度計(jì)算或者噴頭配置的技術(shù)依據(jù)。應(yīng)用本文構(gòu)建的移動(dòng)噴灑計(jì)算模型對(duì)R3000、S3000、O3000噴頭在110 kPa工作壓力下的移動(dòng)噴灑水量分布進(jìn)行計(jì)算，并和定噴水量分布數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)試驗(yàn)大廳進(jìn)行，移動(dòng)噴灌試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示，試驗(yàn)場(chǎng)地平整，試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)無(wú)風(fēng)，溫度適宜。以Nelson S3000噴頭為例對(duì)模型計(jì)算精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)過(guò)程參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/27612.3—2011》[19]和《GB/T 19797—2012》[20]。

圖4 試驗(yàn)裝置示意

測(cè)試噴頭安裝在固定支架上，支架下方裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和軌道輪，可驅(qū)動(dòng)噴灌裝置行走，此裝置可用于噴頭固定與移動(dòng)噴灑水量分布測(cè)定試驗(yàn)。固定噴灑水量分布測(cè)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(cè)試時(shí)間為10 min。移動(dòng)噴灑水量分布測(cè)試采用垂直機(jī)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(shè)計(jì)移動(dòng)時(shí)速為30 m/h。

噴灑完成后，采用稱質(zhì)量法計(jì)量各測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度和歷時(shí)降水深，以所布置3列雨量筒所測(cè)得的平均噴灌強(qiáng)度確定為該測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度。

工作壓力是影響噴灌機(jī)灌溉質(zhì)量的重要因素[2]，但生產(chǎn)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(duì)噴頭的應(yīng)用和選配缺乏有效指導(dǎo)。結(jié)合上文構(gòu)建的移動(dòng)噴灌水量分布計(jì)算模型，分別計(jì)算了R3000、S3000、O3000噴頭在50、70、90、110、130、150 kPa工作壓力下的移動(dòng)噴灑水量分布，以及噴灑均勻度系數(shù)（圖8）。

2.2 S3000噴頭徑向水量分布

通過(guò)固定噴灑水量分布測(cè)定試驗(yàn)測(cè)試得到了S3000噴頭在110、130、150 kPa工作壓力下的噴灌強(qiáng)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(shù)和決定系數(shù)。

根據(jù)涌流理論，當(dāng)三個(gè)條件（挑戰(zhàn)性-技巧平衡、清晰的目標(biāo)和明確的反饋）具備時(shí)，涌流體驗(yàn)產(chǎn)生。在口譯的過(guò)程當(dāng)中，譯員的目標(biāo)十分清晰，簡(jiǎn)而言之，即將聽到的語(yǔ)言譯成另一種語(yǔ)言使雙方達(dá)到溝通的目標(biāo)；另外，當(dāng)譯員在譯時(shí)接受到及時(shí)的反饋（如觀眾的反應(yīng)、演講人的眼神等）同時(shí)認(rèn)為自己的口譯能力能夠勝任要求的時(shí)候，理論上譯員會(huì)進(jìn)入涌流狀態(tài)。

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(shù)

2.3 模型驗(yàn)證結(jié)果與分析

將擬合系數(shù)及噴灑半徑、移動(dòng)速度等相關(guān)參數(shù)代入式（13）所構(gòu)建的移動(dòng)噴灑計(jì)算模型計(jì)算出徑向各點(diǎn)的降水深，初始時(shí)間X終點(diǎn)時(shí)間L和等效拉伸系數(shù)由式（10）、式（11）、式（12）計(jì)算，同時(shí)與二次擬合移動(dòng)噴灑計(jì)算模型[13]的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。圖6為線性移動(dòng)水量分布模型驗(yàn)證結(jié)果。

由圖6可知，本研究所構(gòu)建的單次擬合模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合度較高，在相應(yīng)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(shí)最大誤差分別為0.68、0.85 mm，而110 kPa工作壓力時(shí)最大誤差達(dá)到2.13 mm，這主要是由水量分布曲線分段擬合對(duì)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(shí)測(cè)值相比平均相對(duì)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(jì)算值和實(shí)測(cè)值偏差可達(dá)1.99、2.32、2.61 mm。由此可知，基于一次正交多項(xiàng)式擬合的移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型通過(guò)減少擬合次數(shù)，可有效提升模型計(jì)算精度。

圖6 線性移動(dòng)水量分布模型驗(yàn)證

3 模型應(yīng)用

3.1 噴頭選用

低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭是廣泛應(yīng)用于移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)的噴頭類型，根據(jù)噴頭噴盤旋轉(zhuǎn)所在的平面又可分為水平旋轉(zhuǎn)和震蕩旋轉(zhuǎn)噴頭，其中最具代表性的是美國(guó)Nelson公司生產(chǎn)的R3000、S3000、O3000噴頭。

1.2.1 基本假設(shè)

在我國(guó)，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(fā)生不正當(dāng)性行為所生的子女”。(最高人民法院《關(guān)于對(duì)非婚生子女解釋的復(fù)函》(［74］法辦研字第8號(hào)))，然而，非婚生子女的認(rèn)領(lǐng)制度卻經(jīng)歷了一個(gè)從有(1950年《婚姻法》第15條第2款)到無(wú)(1980年《婚姻法》第19條第2款、現(xiàn)行《婚姻法》第25條第2款)的過(guò)程。那么，我國(guó)是否應(yīng)重建或恢復(fù)認(rèn)領(lǐng)制度呢?如果應(yīng)該，則應(yīng)如何建立呢?本文擬回答這些問(wèn)題。

表2 噴頭類型及基本特征

3.2 固定與移動(dòng)噴灑水量分布

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

圖7 固定噴灑與移動(dòng)噴灑水量分布對(duì)比

由圖7可知，移動(dòng)噴灑水量分布呈拋物線分布，移動(dòng)降水深隨距噴頭距離的增加呈減小趨勢(shì)，與固定噴灑噴水量分布曲線的雙峰分布相比，移動(dòng)噴灑極大削弱了峰值水量分布，移動(dòng)噴灑過(guò)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(dòng)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(duì)土壤沖刷的風(fēng)險(xiǎn)和地表積水形成的可能。R3000、S3000、O3000噴頭移動(dòng)噴灑均勻度分別為75.42%、65.26%、58.00%，與固定噴灑相比，移動(dòng)噴灑3種噴頭噴灑均勻度分別提高11.17%、10.72%、2.36%，說(shuō)明機(jī)組行進(jìn)方向的水量疊加過(guò)程可有效提升噴灑均勻度。

3.3 工作壓力對(duì)移動(dòng)噴灑水量分布特性的影響

蕭飛羽按住轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼環(huán)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?yàn)樗l(fā)現(xiàn)蕭飛羽的目光就像歷經(jīng)滄桑般的沉靜、事故、精明、睿智，以致他甚至懷疑面對(duì)的不是蕭飛羽，而是一座見證過(guò)古往今來(lái)風(fēng)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(dòng)降水深曲線均呈拋物線型分布，移動(dòng)降水深隨距噴頭距離的增大逐漸減小，旋轉(zhuǎn)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(dòng)過(guò)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(shì)，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(shì)類似，與R3000、S3000噴頭相比，O3000噴頭降水深的增長(zhǎng)幅度較低，可能與振蕩射流形式有關(guān)，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(shì)。在130 kPa工作壓力下，噴頭均勻度呈增加趨勢(shì)，最大增加段在S3000噴頭110～130 kPa處，最大增加幅度為21.21%。而當(dāng)工作壓力高于130 kPa時(shí)，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(shí)達(dá)到最大均勻度71.62%，S3000噴頭在130 kPa工作壓力時(shí)達(dá)到最大均勻度72.86%，O3000噴頭在90 kPa工作壓力時(shí)達(dá)到最大均勻度60.15%。

圖8 各噴頭不同工作壓力下移動(dòng)降水深和水力性能指標(biāo)

3.4 移動(dòng)速度對(duì)噴灑均勻度的影響

從圖9可以看出，隨著移動(dòng)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(duì)數(shù)逐漸降低。當(dāng)移動(dòng)速度較低時(shí)，各噴頭平均降水深較高（移動(dòng)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(cè)點(diǎn)處的移動(dòng)降水深隨移動(dòng)速度的增大而減小，且減小幅度隨移動(dòng)速度的增加而降低，移動(dòng)速度在20～25 m/h時(shí)，R3000、S3000、O3000噴頭處移動(dòng)降水深減小幅度最大，分別為19.9%、15.82%、20.15%，隨著移動(dòng)速度的增大，各測(cè)點(diǎn)的降水歷時(shí)逐漸減小，使得疊加在該測(cè)點(diǎn)的水量減小。

圖9 110 kPa工作壓力下3種噴頭移動(dòng)降水深和噴灑均勻度

R3000、S3000、O3000噴頭噴灑均勻度隨移動(dòng)速度的增大而減小，當(dāng)移動(dòng)速度為20 m/h時(shí)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(shuō)明移動(dòng)速度對(duì)噴灑均勻度的影響較小。綜上可知，在根據(jù)需求平均降水深進(jìn)行噴灌機(jī)移動(dòng)速度設(shè)計(jì)時(shí)，由于平均降水深在低移動(dòng)速度時(shí)下降幅度較大和均勻度較高的特性，故可適度降低設(shè)計(jì)移動(dòng)速度，以提高降水均勻度和平衡由于機(jī)組運(yùn)行和蒸發(fā)漂移帶來(lái)的水量損失。

3.5 組合間距對(duì)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(dòng)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(qū)域?yàn)榈湫童B加區(qū)域，移動(dòng)過(guò)程的徑向降水深簡(jiǎn)化為多個(gè)噴頭在典型疊加區(qū)域內(nèi)的徑向降水深之和。各噴頭的組合移動(dòng)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(shè)固定噴灑徑向水量分布的擬合函數(shù)為()，移動(dòng)路徑上的水量分布函數(shù)為f()，將等效拉伸系數(shù)帶入固定噴灑水量分布函數(shù)，設(shè)為噴灌機(jī)在噴灑路徑上任意時(shí)刻點(diǎn)到軸的距離。

烏龍磯水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程生產(chǎn)生活區(qū)現(xiàn)狀為耕地，施工前，對(duì)可能受到污染、硬化的混凝土拌和場(chǎng)、機(jī)械維修廠等場(chǎng)地進(jìn)行表土剝離，剝離厚度按0.5 m考慮，先堆放于場(chǎng)地一角，并采取彩條布遮蓋防塵措施。對(duì)生產(chǎn)生活區(qū)，采取開挖土質(zhì)排水溝等措施，排出場(chǎng)地雨水和生產(chǎn)生活污水，防治水土流失。施工機(jī)械設(shè)備沖洗水等施工用水盡量集中排放，通過(guò)環(huán)保工程設(shè)置的沉淀池處理后循環(huán)使用或沉淀處理達(dá)標(biāo)后排入下游河道。生產(chǎn)生活區(qū)在結(jié)束使用后，需要按要求及時(shí)進(jìn)行施工跡地清理，恢復(fù)原有土地功能。

3.6 多參數(shù)評(píng)價(jià)

不同組合間距和工作壓力下移動(dòng)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(guī)定的移動(dòng)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(dòng)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(duì)移動(dòng)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(jī)機(jī)組配置，R3000噴頭的最優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(dòng)噴灑水量分布模型的誤差來(lái)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(xiàn)馬鞍形、單峰、雙峰等不規(guī)則變化[6]，本研究構(gòu)建的移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型基于固定噴灑水量分布數(shù)據(jù)，與Liu等[15]基于橢圓、三角和拋物線型水量分布假設(shè)建立的平移式噴灌機(jī)移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型相比，模型精度提高。表明通過(guò)水量分布曲線擬合較假設(shè)水量分布形式能夠進(jìn)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(shù)和更高的擬合精度[17]，本研究基于正交最小二乘法構(gòu)建的移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型，模擬精度達(dá)95.24%，與葛茂生等[13]基于普通最小二乘法擬合建立的移動(dòng)噴灑均勻度計(jì)算模型相比，模型精度提高0.73%，本研究更為真實(shí)地反映了噴頭徑向水量分布的峰谷特征[6]。此外，應(yīng)用本研究模型僅進(jìn)行了1次擬合，極大降低了擬合誤差和過(guò)擬合的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高了模型精度，降低計(jì)算難度。

(2)混凝土底板對(duì)組合梁的變形具有一定的抑制作用，但溫度應(yīng)力在某些部位仍然較大，所以應(yīng)當(dāng)重視組合箱梁溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。

本研究中固定噴灑水量分布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基于穩(wěn)定和可控的室內(nèi)條件，而實(shí)際噴灌機(jī)應(yīng)用的大田環(huán)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(huán)境的影響，但根據(jù)朱興業(yè)等[21]對(duì)旋轉(zhuǎn)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(jī)配置因素對(duì)移動(dòng)噴灑均勻度的影響

噴灌機(jī)移動(dòng)速度是機(jī)組配置的重要因素和變量，對(duì)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(dòng)速度的增大，噴頭降水深曲線趨于平緩，平均降水深呈對(duì)數(shù)逐漸降低，這與Zhang等[12]研究結(jié)果一致，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴灌機(jī)行走速度與平均降水深負(fù)相關(guān)，且移動(dòng)速度對(duì)均勻度的影響較小。Zhang等[5]的研究結(jié)論表明了這一觀點(diǎn)，但不同的是，Zhang等[5]是在特定灌水定額下，而本研究中設(shè)定為同一工作壓力。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作壓力高于130 kPa時(shí)，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(guò)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(shì)，這與Mateos[7]和朱興業(yè)等[21]的研究結(jié)論一致，同時(shí)朱興業(yè)等[21]認(rèn)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?jī)H針對(duì)組合間距、移動(dòng)速度和工作壓力對(duì)低壓折射式噴頭移動(dòng)噴灑水量分布的影響進(jìn)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(zhì)量的重要因素。同時(shí)，復(fù)雜的大田環(huán)境如風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等造成的蒸發(fā)和飄逸損失也是研究的重點(diǎn)，后續(xù)將根據(jù)田間應(yīng)用對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)充。

5 結(jié) 論

1）與固定噴灑相比，移動(dòng)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(dòng)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(dāng)工作壓力高于130 kPa時(shí)，3個(gè)噴頭均勻度最高降幅達(dá)35.66%；R3000、S3000、O3000噴頭均勻度隨移動(dòng)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(dòng)速度對(duì)均勻度的影響較??；隨著組合間距的不斷增大，均勻度呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。

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(shí)，噴灑均勻度最高。

2014年，青海鹽湖工業(yè)股份有限公司調(diào)整總體經(jīng)營(yíng)思路，在鞏固既有市場(chǎng)、擴(kuò)大市場(chǎng)份額的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)思路，上接資源、下接市場(chǎng)，按照不同區(qū)域和品種，聯(lián)合市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)資源分別與行業(yè)龍頭企業(yè)組建了六大聯(lián)營(yíng)公司。其中，四川鹽湖化工銷售有限公司就是青海鹽湖工業(yè)股份有限公司和新希望集團(tuán)有限公司成立的混合所有制公司，已成為中國(guó)最大的鉀化學(xué)品市場(chǎng)營(yíng)銷、物流配送和客戶服務(wù)的專業(yè)經(jīng)營(yíng)公司。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)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(qiáng), 等. 旋轉(zhuǎn)折射式噴頭移動(dòng)噴灑水量分布計(jì)算模型構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52279045）；陜西省青年科技新星項(xiàng)目（2023KJXX-011）

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

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

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：白芳芳