坡地喷灌系统水量分布数学模拟与均匀度计算模型

Sprinkler irrigation uniformity is an important parameter for the sprinkler system design. Previous studies focused on water distribution for a single sprinkler or the compound uniformity for several sprinklers. Because of the lack of research on the sprinkler irrigation water application uniformity at the field scale, there are some deviations between the design uniformity and the actual uniformity in the field, especially to sprinkler irrigation on sloping lands. Therefore, the effect of slope on the water distribution for single sprinkler will be obtained by the experiment. The transformation model of water distribution from flat to sloping land will be established for single sprinkler using the trajectory theory and the principle of water balance. On the basis of experimental data of the water distribution for single sprinkler on the flat field, the model for sprinkler irrigation uniformity will be established at the field scale combining the hydraulic calculation of pipe network, mathematical interpolation and digital elevation map. The effect of sprinkler spacing, combination pattern, work pressure and other factors on the sprinkler irrigation system uniformity will be analyzed by the model, and optimum sprinkler spacing, combination pattern, and work pressure will be recommended for the sprinkler system design. The results not only enrich and perfect the theory of sprinkler system design, and provide the basis for technical parameters optimization of sprinkler irrigation, but also provide a reference for water application uniformity evaluation, operation and management of sprinkler system.

喷灌均匀度是喷灌系统设计的重要参数，以往研究主要集中在单喷头或若干喷头组合均匀度上，对大田尺度下喷灌系统均匀度关注较少，造成设计均匀度与大田实际情况存在一定偏差，对坡地喷灌，这种影响更为明显。为此，本项目拟通过试验，揭示单喷头水量分布对地形坡度的动态响应规律，并结合弹道理论，应用水量平衡原理，建立单喷头平地与坡地水量分布之间的转化模型；以此为基础，根据实测单喷头平地水量分布数据，结合管网水力学、数学插值和数字高程地图，计算系统中各喷头及整个田间的喷灌水量分布，最终构建坡地喷灌系统均匀度计算模型，并进行验证，从而使喷灌均匀度的计算更加符合大田实际情况。应用该模型分析不同喷头间距、组合形式和工作压力等对喷灌均匀度的影响，并对各技术参数进行优化，提出合理取值。该研究可丰富和完善喷灌系统设计理论，为各技术参数的确定提供参考，对已成喷灌系统的均匀性评价和运行管理也具有较强的实践价值。

坡耕地在我国农业生产中占有重要地位，但易受旱，且难以采用传统地面灌溉技术，因此产量低而不稳，是山区贫困的重要原因。坡地宜采用喷灌，然而受地形条件限制，实测坡地喷灌水量分布比较困难，坡地喷灌水量分布模拟和均匀度计算已成为坡地喷灌系统设计急需解决的一个重要问题。为此，本项目利用视频雨滴谱仪实时监测了不同坡度下喷洒水滴直径和速度信息，揭示了坡地喷灌水滴粒径和打击动能强度分布规律，分别建立了水滴平均直径、速度与坡度等因素之间的数学关系。分析了地形坡度和竖管布置方式对喷灌水量分布的影响，坡地喷灌水量分布图形大致为“鸡心形”，上部扁而凸，下部长而尖，且随着坡度增加，上部越来越扁，下部越来越尖；离喷头越近，水量分布越集中，且随着坡度的逐渐增大，水量有向上坡方向集中的趋势。提出了坡地旋转式喷头射程简易计算方法，建立了基于喷头射程的平-坡水量分布转化计算模型；基于弹道轨迹方程，考虑水滴运动蒸发，通过三维坐标系降维转化，计算出坡地喷灌水滴空间运动轨迹，以平地实测水量分布为基础，根据水量平衡原理，提出了坡地喷灌水量分布计算模型；并在此基础上，进一步构建了坡地喷灌系统均匀度计算模型。应用该模型，重点分析了地形坡度、喷头布置方式、间距和工作压力等因素对喷灌均匀度的影响，并结合水滴粒径和打击动能强度研究结果，提出了坡地喷灌系统适宜的技术参数。在坡地喷灌系统设计时，如果选用雨鸟LF1200喷头，建议将喷头竖管垂直于坡面，优先采用三角形布置，须保证喷头在正常工作压力下运行，不宜低压作业，在兼顾系统成本和喷灌质量时，建议喷头间距选用0.8R较为适宜，且不宜在15°以上的坡地进行喷灌。该研究可丰富和完善喷灌系统设计理论，为坡地喷灌系统各技术参数的确定提供参考，可在一定程度上推动坡地喷灌技术的发展，同时对已成喷灌系统的均匀性评价和运行管理也具有较强的实践价值。