动态水压坡地喷灌水量分布计算模型与技术参数优化

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坡耕地约占我国总耕地面积的1/3,在我国农业生产中占有重要地位,对保障我国粮食安全具有重要作用,但干旱缺水导致坡耕地作物产量低而不稳。补充灌溉是作物增产和稳产的重要措施,然而由于地形坡度存在,传统地面灌溉在坡耕地难以实施。喷灌是坡地常用的灌溉方式之一,但存在喷灌水量分布均匀性较差、灌溉水分利用率不高的问题。为此,融合现代先进的动态水压供水技术,通过试验揭示了动态水压坡地喷灌水量分布特性,在此基础上,基于有限元思想和水量守恒原理,构建了动态水压坡地喷灌水量分布计算模型,综合考虑系统成本、喷灌质量等,通过多目标优化方法,确定了动态水压坡地喷灌适宜的技术参数,以推动喷灌技术在坡地应用。获得如下主要结论:(1)揭示了动态水压坡地喷灌水量分布特性。采用动态水压供水不仅不会降低喷头供水能力,而且对于提高坡地喷灌质量具有一定的积极作用。对于单喷头,动态水压供水缩短了喷头上坡与下坡射程差距,上下坡平均喷灌强度差值减小,改善了单喷头喷洒域内的水量分布均匀性,与恒定水压喷灌相比,均匀度能够提高6%~11%;对于组合喷灌,动态水压供水改善了喷洒域中部区域水量分布较少的状况,喷灌均匀度平均提高了4.06%。在90%的置信度下,喷头间距和布置方式对平均喷灌强度影响显著,动压振幅、函数类型和周期对其影响不显著,影响顺序为:喷头间距>布置方式>动压振幅>动压函数类型>动压周期;喷头间距、布置方式和动压振幅对喷灌均匀度影响显著,动压函数类型和周期对其影响不显著,影响顺序为:喷头间距>动压振幅>布置方式>动压函数类型>动压周期。(2)构建了动态水压坡地喷灌水量分布计算模型。以实测平地喷头径向水量分布数据为基础,基于有限元思想和水量守恒原理,结合动态水压周期与喷头旋转速度的耦合关系,构建了动态水压坡地喷灌水量分布计算模型,通过试验验证了模型的准确性。应用该模型研究了地形坡度、喷头间距、布置方式和动压参数对喷灌水量分布的影响,结果表明:随着地形坡度和喷头间距的增加,喷洒域内喷灌强度低值区(<6mm/h)面积逐渐增加,而均匀度逐渐降低,采用雨鸟R5000喷头进行动态水压喷灌地形坡度不宜大于11.31°;提高动态水压基础水压,能够提高坡地水量分布均匀性,但均匀度增加速率小于基础水压增加速率,对改善坡地喷灌水量分布均匀性的作用效果逐渐减弱;喷头采用正三角形布置均匀性最佳,其次是长方形和正方形。(3)建立了多目标动态水压坡地喷灌技术参数优化方法。应用数据包络分析法,结合对抗型交叉评价,以喷头间距、布置方式和动压参数(基础水压、振幅)等技术参数为投入指标,以平均喷灌强度、喷灌均匀度、初始投资和年运行费为产出指标,构建了动态水压坡地喷灌技术参数优化方法。以种植面积为1hm2苜蓿、坡度为5.71°的坡地为例,进行喷灌系统田间工程设计,若采用雨鸟R5000喷头,最终优选出适宜的动态水压坡地喷灌技术参数为:喷头间距为8m,布置方式为正方形,基础水压为300k Pa,振幅为50 k Pa,采用以上技术参数条件时,喷灌系统组合喷灌强度为10.0mm/h,均匀度为89.7%,初始投资为33749元,年运行费为5405元。
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