基于正交試驗(yàn)法下對(duì)噴灌均勻性影響因子的綜合分析

唐玉婷，楊盛翔，楊進(jìn)平，郭依劍，袁壽其*

(1． 江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

噴灌在節(jié)水灌溉中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位,同時(shí)，應(yīng)用水肥一體化技術(shù)能達(dá)到節(jié)水節(jié)肥和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的目標(biāo)[1-2].但是，目前評(píng)價(jià)水肥一體化技術(shù)效益的指標(biāo)不足，主要集中在水均勻性層面，缺少對(duì)肥液的均勻性評(píng)價(jià)，以及其與噴頭高度、噴頭車行走速度、施肥濃度等因素的相關(guān)性及綜合性研究.

噴灌均勻度是衡量噴灑區(qū)域內(nèi)水量分布均勻程度的指標(biāo)，是評(píng)價(jià)噴灌系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[3].TANG等[4]研究發(fā)現(xiàn)施肥濃度對(duì)灌水均勻性的影響較小，但對(duì)施肥均勻性影響顯著.PEI等[5]發(fā)現(xiàn)在灌溉初始階段，滴灌灌水器流量差異率及灌水均勻性存在5%的波動(dòng).ZHU等[6]對(duì)噴頭安裝高度、安裝間距、噴嘴直徑、運(yùn)行速度進(jìn)行正交試驗(yàn)，提出了對(duì)噴灌均勻性的影響因子排序.張文平等[7]建立了考慮肥液濃度變化的土壤水力特性參數(shù)估算式，為水肥管理提供了依據(jù).

施肥濃度對(duì)肥液均勻系數(shù)的影響較小，而對(duì)肥液分布均勻系數(shù)以及施肥量分布均勻系數(shù)影響很大[8-10].趙常[11]進(jìn)行了卷盤式噴灌機(jī)噴頭肥液濃度一致性試驗(yàn)，通過計(jì)算，肥液濃度的變異系數(shù)為1.8%，反映混肥效果較好.噴灌機(jī)灌水質(zhì)量與噴頭安裝高度有關(guān)[12-13].萬景紅等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)行止速度比噴灌分布均勻性影響小，但是對(duì)噴灌強(qiáng)度具有顯著性影響.

輕小型平移式噴灌機(jī)組由于施肥濃度、噴灌高度和行走速度影響肥液灌溉均勻性程度不同，存在一組最佳施肥灌溉性能水平組合.

因此，文中對(duì)輕小型平移式噴灌機(jī)組的噴灌性能，利用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)；之后利用極差分析以及SPSS進(jìn)行方差分析的方法，得到施肥濃度、噴灌高度和行走速度對(duì)輕小型平移式噴灌機(jī)組噴灌性能CU和DU的影響因子，以及最優(yōu)灌溉技術(shù)下的水平組合.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

水肥一體化水力性能影響試驗(yàn)于江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心圓形噴灌實(shí)驗(yàn)大廳實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度為15～20 ℃，濕度為70%～80%,每組試驗(yàn)平均風(fēng)速均小于1.5 m/s，蒸發(fā)損失可忽略不計(jì).試驗(yàn)以江蘇大學(xué)自行研制的輕小型平移式噴灌機(jī)組為研究對(duì)象，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由平移式噴灌機(jī)組噴頭車、比例施肥泵、卷盤驅(qū)動(dòng)機(jī)等組成.試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，噴頭車結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 輕小型平移式噴灌機(jī)組系統(tǒng)Fig.1 System of light and small translational sprinkler irrigation unit

圖2 噴頭車結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural drawing of sprinkler truck

試驗(yàn)所用肥料為氯化鉀，配制肥料用水為生活自來水.測(cè)量?jī)x器包括電磁流量計(jì)、雨量筒(口徑為20 cm)和電導(dǎo)率儀等.選用低壓折射型噴頭(Nelson D3000噴頭)，藍(lán)色噴盤(36流道)、噴嘴為46#型噴嘴，噴頭工作壓力設(shè)為0.25 MPa，組合噴頭間距為3 m，共3個(gè)噴頭.動(dòng)力設(shè)備采用水渦輪驅(qū)動(dòng)，速比為40.采用法國多壽公司(DOSATRON)生產(chǎn)的比例施肥泵注肥，型號(hào)為D8R，施肥比例為0.2%～2.0%，施肥泵進(jìn)出口壓力均設(shè)置為0.22 MPa.肥液濃度采用量程為0～9 999 μS/cm、精密等級(jí)為±2%的電導(dǎo)率儀測(cè)量.噴頭處精密壓力表精度等級(jí)為0.4級(jí).電磁流量計(jì)精度為0.5級(jí).收集肥液的雨量筒沿以噴頭為中心同一水平面上徑線布置，試驗(yàn)中設(shè)置雨量筒間距為0.4 m.比例施肥泵進(jìn)出口處安裝有耐震壓力表，避免比例施肥泵正常工作時(shí)震動(dòng)帶來的讀數(shù)不穩(wěn)定情況.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

文中主要研究施肥濃度、噴頭安裝高度以及噴頭車行走速度對(duì)輕小型平移式噴灌機(jī)組水肥一體化的肥液濃度均勻度(CU1)、肥液濃度分布均勻度(DU1)以及肥液質(zhì)量均勻度(CU2)及肥液質(zhì)量分布均勻度(DU2)的影響.選取施肥質(zhì)量濃度FC、噴頭安裝高度h、噴頭車行走速度v3個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素，選用L9(33)三因素三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，見表1.

表1 噴灌作業(yè)參數(shù)因素水平表Tab.1 Level table of sprinkler irrigation parameters

本試驗(yàn)采用調(diào)整比例施肥泵吸肥比例的方法調(diào)節(jié)比例施肥泵施肥濃度.肥液桶中配置的肥液質(zhì)量濃度為50 g/L,計(jì)算比例施肥泵混肥濃度為

Cout=Ck，

(1)

式中：Cout為比例施肥泵混肥質(zhì)量濃度；C為母液質(zhì)量濃度；k為比例施肥泵吸肥比例.

由涂琴等[8]研究施肥濃度對(duì)噴灌施肥均勻性的影響規(guī)律，得到在吸肥比例為1.2%的情況下，母液質(zhì)量濃度在35 g/L時(shí)，肥液和肥液量均勻性最高.此項(xiàng)研究為文中試驗(yàn)設(shè)置施肥參數(shù)提供了理論依據(jù).試驗(yàn)設(shè)置施肥質(zhì)量濃度3個(gè)水平分別為0.4，0.6，0.8 g/L，分別對(duì)應(yīng)的吸肥比例為0.8%，1.2%，1.6%.在給定壓力下，通過改變灌水流量從而改變噴灌機(jī)的行走速度.結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，輕小型平移式噴灌機(jī)行走速度常設(shè)置在10～60 m/h，故試驗(yàn)設(shè)置噴灌機(jī)行走速度的3個(gè)水平分別為15，30，40 m/h.田坤[15]研究得到輕小型平移式噴灌機(jī)組在噴頭組合間距為3 m，安裝高度為1 m的試驗(yàn)條件下，組合均勻性系數(shù)較高，且運(yùn)行穩(wěn)定、波動(dòng)小，這為試驗(yàn)噴頭安裝高度水平的設(shè)置提供了依據(jù).試驗(yàn)設(shè)置噴頭安裝高度分別為1.1，1.2，1.3 m 3個(gè)水平.將以上3個(gè)影響因素設(shè)計(jì)成正交試驗(yàn)，共9種工況，每種工況下做3次重復(fù)試驗(yàn)，減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差.

為了避免機(jī)器運(yùn)行不穩(wěn)定造成的系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)前清水噴灑5 min.每次試驗(yàn)結(jié)束后繼續(xù)清水噴灌5 min，清洗管道，以免殘余肥液對(duì)后面試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響.試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的肥液質(zhì)量、肥液電導(dǎo)率.

M=Qt=nqt，

(2)

式中：M為噴灑水總量，m3；Q為噴灌機(jī)總出水流量，m3/h；t為噴灌機(jī)工作運(yùn)行時(shí)間，h；n為噴頭個(gè)數(shù)；q為單噴頭流量，m3/h.

輕小型平移式噴灌機(jī)噴灑面積為

S=SLvt，

(3)

式中：S為噴灌面積，m2；SL為噴灌機(jī)噴幅，m；v為噴灌機(jī)行走速度，m/h.

輕小型平移式噴灌機(jī)組平均灌水量為

(4)

式中：I為噴灌機(jī)平均灌水量，mm.

1.3 噴灌施肥均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮到肥液濃度較低時(shí)的肥液密度近似于水的密度，使用電子秤稱量結(jié)果比讀取肥液高度的方式更加精確，試驗(yàn)選用評(píng)價(jià)肥液質(zhì)量灌溉均勻度.

采用Christiansen計(jì)算法[16]計(jì)算肥液濃度均勻度(CU1)和肥液質(zhì)量均勻度(CU2)，計(jì)算公式為

(5)

肥液濃度分布均勻度(DU1)和肥液質(zhì)量分布均勻度(DU2)計(jì)算式為

(6)

2 結(jié)果及討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

肥液電導(dǎo)率與濃度的線性關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式[8]為

y=1 651x+447.6，

(7)

式中：y為電導(dǎo)率EC值；x為雨量筒中肥液質(zhì)量濃度值.

通過計(jì)算得到正交試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal test

2.2 徑向肥液分布情況

2.2.1 徑向肥液質(zhì)量分布

在噴頭工作壓力為0.25 MPa，比例施肥泵進(jìn)出口壓力為0.22 MPa時(shí)進(jìn)行正交試驗(yàn)，共9次.每次試驗(yàn)工況下Nelson D3000噴頭徑向肥液質(zhì)量m分布如圖3所示，圖中a為測(cè)點(diǎn)位置.

圖3 徑向肥液質(zhì)量分布的影響Fig.3 Effect of radial direction on mass distribution of fertilizer solution

由圖3可知，在第6組和第8組的試驗(yàn)工況下，徑向各測(cè)點(diǎn)處的肥液質(zhì)量分布波動(dòng)較大.徑向肥液質(zhì)量分布整體上呈下降趨勢(shì)，而在中心區(qū)域，由于水量的疊加導(dǎo)致肥液質(zhì)量增加，在1～2 m測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)峰值.

造成各個(gè)測(cè)點(diǎn)處肥液質(zhì)量有差距的主要原因是Nelson D3000噴頭(鋸齒狀噴盤)組合噴灑時(shí)噴頭射流的影響劇烈，水量分布集中點(diǎn)的位置因射流軌跡的變化而產(chǎn)生偏移[17].第1、第6和第8組合試驗(yàn)工況下，速度均為15 m/s，徑向肥液質(zhì)量分布呈現(xiàn)較大波動(dòng)，分別為73.105%，71.024%和74.515%，造成這一現(xiàn)象的主要原因是通過調(diào)節(jié)小流量實(shí)現(xiàn)較低的運(yùn)行速度，在相同的噴頭壓力作用下，水滴粒徑較小，主要集中在中間處.

2.2.2 徑向肥液濃度分布

基于正交試驗(yàn)由電導(dǎo)率與肥液濃度之間的擬合關(guān)系式(7)，作出不同試驗(yàn)工況下徑向肥液質(zhì)量濃度ρ分布，如圖4所示.

圖4 徑向肥液濃度分布的影響Fig.4 Influence of radial fertilizer concentration distribution

TANG等[4]研究表明滴灌施肥均勻性隨著施肥濃度增加而降低，由于肥液黏度的影響，會(huì)加劇肥液質(zhì)量濃度在輸送管道中的流動(dòng)損失.由圖4分析，在不同試驗(yàn)工況下，徑向肥液濃度小范圍波動(dòng)，均值穩(wěn)定在各組試驗(yàn)的施肥濃度.施肥質(zhì)量濃度為0.8 g/L時(shí)，徑向肥液質(zhì)量濃度分布曲線波動(dòng)最大，最高值達(dá)到0.91 g/L，最小值達(dá)到0.72 g/L.施肥質(zhì)量濃度為0.6 g/L時(shí)，曲線趨于平穩(wěn)，徑向肥液分布均勻性達(dá)到最佳.

2.3 正交試驗(yàn)分析

采用極差分析方法進(jìn)行分析，可以較為直觀地比較出試驗(yàn)的主次因素，并通過簡(jiǎn)單對(duì)比找出最優(yōu)水平組合.對(duì)于指標(biāo)CU1，DU1,CU2和DU2，最優(yōu)水平組合分別為A1B2C1，A1B2C3，A1B2C2，A1B2C2，此即為按照單指標(biāo)分析的結(jié)果得到了4個(gè)較好的組合.這樣，3個(gè)指標(biāo)分析出的“好條件”有些差異，需進(jìn)行綜合平衡.A1和B2對(duì)4個(gè)指標(biāo)都是好條件，比較一致；C2對(duì)指標(biāo)CU2及DU2是好條件，只對(duì)CU1和DU1稍差，考慮到C并非CU1及DU1的最主要因素，故選擇C2.綜合考慮4個(gè)指標(biāo)，A1B2C2為試驗(yàn)理論最佳水平組合.

但這種因素對(duì)試驗(yàn)是否顯著需要依靠方差分析方法進(jìn)行分析.基于SPSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算各個(gè)參數(shù)對(duì)4個(gè)指標(biāo)的顯著性系數(shù)，見表3和表4.

表3 各參數(shù)與肥液濃度均勻性、肥液濃度分布均勻度影響的顯著性系數(shù)

對(duì)表3中3個(gè)參數(shù)與CU1的顯著性分析，噴灌高度影響因子的顯著性為0.029，小于0.05，對(duì)CU1的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；施肥濃度和行走速度對(duì)CU1的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.分析3個(gè)參數(shù)與DU1影響的顯著性，得到噴灌高度對(duì)DU1影響在置信度為0.05情況下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但影響較小.在進(jìn)行水肥一體化噴灌作業(yè)時(shí)，可以通過調(diào)整合適的噴灌高度以改善肥液濃度低值區(qū)的情況.

表4 各參數(shù)與肥液質(zhì)量均勻性、肥液質(zhì)量分布均勻度影響的顯著性系數(shù)

由表4可知，噴灌高度和行走速度對(duì)CU2的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P值分別達(dá)到了0.042和0.020.施肥濃度對(duì)CU2的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.噴頭安裝高度對(duì)肥液質(zhì)量分布均勻度的影響與張以升等[18]研究關(guān)于不同安裝高度時(shí)的單噴頭水量分布結(jié)果相同，噴頭安裝高度決定了水珠在空中的擴(kuò)散情況，從而影響雨量筒實(shí)際接收水量的分布情況.在試驗(yàn)設(shè)置的工況參數(shù)范圍內(nèi)，施肥濃度、噴灌高度和行走速度對(duì)DU2的影響可以忽略不計(jì).

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析施肥濃度、噴灌高度和噴頭車行走速度對(duì)噴灌施肥均勻度影響的主次順序及評(píng)價(jià)出最優(yōu)水平組合，選取肥液濃度均勻度CU1、肥液濃度分布均勻度DU1、肥液質(zhì)量均勻度CU2和肥液質(zhì)量分布均勻度DU24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).得到以下主要結(jié)論.

1) 影響肥液濃度均勻度CU1以及肥液濃度分布均勻度DU1的最主要影響因素均為噴灌高度，顯著性分別為0.029和0.043.

2) 影響肥液質(zhì)量均勻度CU2的主要影響因素是噴灌高度和行走速度，施肥濃度對(duì)指標(biāo)肥液質(zhì)量均勻度CU2的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

3) 對(duì)于4個(gè)指標(biāo)最優(yōu)施肥技術(shù)水平組合為A1B2C2，即施肥質(zhì)量濃度為0.4 g/L、噴灌高度為1.2 m、行走速度為30 m/h.