基于液滴光谱特性的低压喷灌系统的液压性能

《Biosystems Engineering》：Hydraulic performance in low-pressure sprinkler based on droplet spectrum characteristics

低压力喷头水喷射性能研究通过2D-Video-Distrometer技术对比固定盘、旋转盘、摆动盘三种喷头的雨滴谱特征、动能分布及土壤入渗影响，发现旋转盘因离心破碎显著提升单位体积动能且呈指数增长，摆动盘虽射程减少但均匀性达95%以上，同时揭示大直径水滴（>4mm）贡献21.19%-24.69%总动能，固定盘导致土壤入渗率下降80%，而摆动盘可控制在10%以内。该研究为精准选型及优化设计提供科学依据。

　　

赵浩宇|葛茂生|张庆燕|胡辉|纳扎罗夫·胡达伊贝尔迪|吴普特|孙彩辉

中国西北农林科技大学水资源与建筑工程学院，杨凌，712100

摘要

低压喷头是大规模移动喷灌系统中的关键组成部分。然而，关于其喷水性能的综合性定量研究仍然有限，不同类型喷头（固定盘式、旋转盘式、摆动盘式）的雨滴光谱特性、动能分布及其对土壤渗透影响的系统比较也尚未充分进行。本研究利用高精度2D视频测速仪技术，系统地量化了三种喷头（固定盘式D3000、旋转盘式R3000/S3000和摆动盘式O3000）之间的喷水性能差异。结果表明，旋转喷头通过离心破碎作用显著提高了单位体积动能（KE_v），且KE_v沿喷水范围呈指数增长。摆动喷头通过三维射流实现了最高的均匀性（≥95%），但喷水范围减少了15%-20%。使用自然指数函数构建的动能模型（R² ≥ 0.92）表明，大直径水滴（d > 4 mm）占总动能的21.19%-24.69%。固定喷头由于动能集中导致土壤渗透率降低了80.24%，而摆动喷头通过减少动能冲击缓解了这一效应，将渗透率下降控制在10%以内，并表现出更强的抗侵蚀能力。本研究为低压喷头的精确选型提供了科学依据，并提出了一种通过雨滴光谱分析优化喷头设计的新方法。

引言

低压喷头是大型移动喷灌系统的关键组成部分。它们的水力性能和喷水均匀性显著影响灌溉水的有效利用率以及对各种工作环境、土壤类型和作物品种的适应性，从而决定了整体灌溉质量（Sanchez, Meijide, Garcia, & Vallejo, 2010; Wang et al., 2020）。例如，喷头喷头的抗风能力主要取决于空气中水滴的大小、速度和轨迹（Dwomoh et al., 2020）。水滴的喷灌强度和动能影响地表土壤的冲击程度，导致土壤渗透率降低和地表积水，这些都是喷灌引起的侵蚀的关键因素（Al-Kayssi & Mustafa, 2016; Yan et al., 2011b）。此外，喷灌过程中形成的密集结壳层会降低作物出苗率，而水滴对幼嫩作物的冲击可能导致叶片损伤（Anzooman et al., 2018）。附着在叶片表面的土壤颗粒会阻碍光合作用，妨碍作物健康生长（Contreras et al., 2020; Qu & Wu, 2016）。因此，选择适合气象条件、土壤特性、作物类型和生长阶段的适当低压喷头对于实现高效喷灌和提高作物产量至关重要（Guan et al., 2013）。

低压喷头的初步研发旨在降低系统能耗，并替代移动灌溉设备中的中压喷头。几十年来，全球制造商不断开发出具有不同类型和结构设计的低压喷头，为用户提供了多种选择（Mohamoud et al., 1992）。根据喷板的运行状态，低压喷头可分为三种类型：固定式、水平旋转式和摆动式（Chen et al., 2017; Hui et al., 2021）。由于喷板上水流破碎和附着方式的显著差异，这三种类型的喷头在喷水过程中的水力性能存在明显差别（Pan et al., 2024）。

这三种喷头通常适用于不同的工作场景。然而，制造商提供的有限的水力性能参数（主要集中在压力-流量-湿润半径关系上）给用户选择合适喷嘴带来了挑战。例如，在2005年至2015年间，中国引入了大量中心支轴灌溉系统，其中90%以上配备了固定喷板喷头（Li et al., 2020; Yan et al., 2020）。在某些地区，这些喷头的使用导致了土壤侵蚀和幼苗受损等问题（Silva, 2007; Yan et al., 2011），因此需要将固定喷板喷头更换为旋转喷头。近年来，越来越多的研究关注不同低压喷头的水力性能差异。Faci等人（2001）指出，对低压下固定喷板喷头（FSPS）和旋转喷板喷头（RSPS）的水分布特性进行比较分析后发现，RSPS在较大间距下可以实现更高的喷水均匀性。然而，他们的研究没有使用2D视频测速仪（2DVD）来评估雨滴微观特性对动能分布的影响。Chen等人（2017）比较了旋转喷板喷头（R3000，Nelson Irrigation Corp., Walla Walla, WA, USA）和摆动喷头（O3000，Nelson Irrigation Corp., Walla Walla, WA, USA）的水分布特性和适用工作压力，但研究的低压喷头类型不够全面，且研究的水力性能指标也相对有限。Hui等人（2022）评估了三种常见低压喷头（D3000，Nelson Irrigation Corp., Walla Walla, WA, USA；R3000；Komet KPT，Komet Austria GmbH, Lienz, Tyrol, Austria）的水力性能，发现R3000产生的水滴直径较大，动能分布更广。尽管分析了三种喷头的水滴大小和动能，但研究并未将这些因素与土壤渗透率的动态变化系统地关联起来。总体而言，目前关于低压喷头的研究还不够全面，主要集中在水力性能指标上，缺乏对性能差异根本原因的系统和深入分析。

2DVD是一种高精度的光学仪器，用于大气测量，广泛应用于气象监测、气象雷达校准和大气物理学研究（Huang et al., 2015; Thurai et al., 2017）。该仪器可以自动记录整个降水过程中单个水滴的大小、形状、下落速度和角度等参数（Liu et al., 2018b, 2019）。这为深入研究喷水水滴的微观物理特性和分析不同喷头水力性能差异的原因提供了有效工具（Wang et al., 2022）。Jiang等人（2021）利用2DVD技术测量和分析了不同类型喷头喷水距离与速度之间的关系。Zhu等人（2024b, 2024a）使用2DVD量化了冠层覆盖对喷灌中水分布和水滴特性的影响，阐明了灌溉水滴的动能耗散机制。2DVD在喷灌系统中的应用使对其水力性能的深入研究成为可能。

本研究聚焦于三种类型的低压喷头：固定喷板式、旋转喷板式和摆动喷板式。研究假设通过引入2DVD分析低压喷头的水力性能，并分析高精度雨滴光谱，可以：（1）研究喷板运行对灌溉强度、喷水均匀性、水滴动能分布和土壤渗透率的影响；（2）阐明喷头之间水力特性差异的根本原因；（3）开发一种简化的低压喷头水滴动能分布计算模型。

测试选定的喷头

本研究选择了四种低压喷头，具体为D3000、R3000、S3000（Nelson Irrigation Corporation, Walla Walla, WA, USA）和O3000（图1）。D3000是固定喷板喷头，而R3000和S3000是水平旋转喷头，S3000的旋转速度是R3000的3.9至5.1倍。O3000是摆动喷头。所有喷头均配备#34孔径（喷嘴直径6.8 mm），并在相同条件下运行

流量和湿润半径

图4(a)展示了本研究选择的四种喷头在不同工作压力下的流量变化曲线。在喷头直径和工作压力相同的情况下，各喷头之间的流量偏差保持在0.3%以内。所有喷头的流量随工作压力的增加而呈对数增长。在工作压力范围50-150 kPa内，喷头流量从1.40 m³ h^?1增加到2.48 m³ h^?1。喷头的湿润半径

结论

鉴于低压喷头的多样性以及对其喷水水力性能的综合性定量研究不足，本研究解决了为不同生产场景选择合适喷头的挑战。具体而言，本研究重点关注了三种广泛使用的低压喷头类型：利用高精度雨滴光谱光学测量技术，分析了固定喷板（D3000）和旋转喷头的水力性能

作者贡献声明

赵浩宇：撰写——原始稿件、方法论、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。葛茂生：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、正式分析。张庆燕：撰写——审稿与编辑、正式分析。胡辉：撰写——审稿与编辑、正式分析。纳扎罗夫·胡达伊贝尔迪：撰写——审稿与编辑、监督。吴普特：撰写——审稿与编辑、资源协调。孙彩辉：撰写——审稿与

数据可用性声明

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生成式AI声明

在本研究的概念、设计、执行、分析或撰写过程中，未使用任何生成式AI工具或AI辅助技术。包括实验设计、数据处理和统计分析、手稿起草、关键修订以及结果可视化在内的所有工作均由列出的作者独立完成。在手稿准备和提交过程的任何阶段，均未涉及自动化的生成式或AI辅助输入。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2025YFE0104600）和国家自然科学基金（52279045）的支持，以及新疆干旱地区农业研究院的科技创新专项（XJHQNY-2025-3）的支持。