圓形噴灌機噴頭配置方法及灌溉方法與流程

2023-06-14 15:22:47 2

本發明涉及灌溉技術領域，特別涉及一種圓形噴灌機噴頭配置方法及灌溉方法。

背景技術：

圓形噴灌機也稱中心支軸式噴灌機，具有自動化程度高、適用範圍廣等優點，在農業灌溉中得到了廣泛應用。圓形噴灌機包括主輸水管，主輸水管上安裝有多根下垂管，每根下垂管的下端安裝有配重管和噴頭。在圓形噴灌機運行時，主輸水管繞中心點旋轉，水流通過主輸水管輸送至各下垂管，再由噴頭噴出對作物進行灌溉。由於圓形噴灌機的運行軌跡為圓形，為了保證圓形噴灌機灌溉的均勻性，需要合理配置距離中心點不同位置處的噴頭的型號。

目前對圓形噴灌機噴頭進行配置的方法主要為：根據不同型號噴頭在距離地面固定高度下(例如1.2米)的水量分布特性，選擇合適的噴頭組合，使距離圓形噴灌機中心點不同位置處的灌溉水量均勻分布。

在實現本發明的過程中，本發明人發現現有技術中至少存在以下問題：通過現有的噴頭配置方法只能保證噴頭距離地面固定高度下的圓形噴灌機的灌溉均勻性，但是在實際灌溉過程中，噴頭的高度需要根據作物冠層高度來確定，從而導致採用現有噴頭配置方法配置的噴頭在實際灌溉時的灌溉均勻性達不到要求。

技術實現要素：

為了解決上述的技術問題，本發明實施例提供一種使圓形噴灌機在灌溉不同冠層高度作物時能夠具有良好的灌溉均勻性的圓形噴灌機噴頭配置方法。

具體而言，包括以下的技術方案：

第一方面，本發明實施例提供一種圓形噴灌機噴頭配置方法，所述配置方法包括：

獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性；所述安裝高度為噴頭距離地面的高度；

根據每個型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統。

進一步地，所述配置方法中，所述根據每個型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統之後，還包括：

在所述目標作物的最小冠層高度和最大冠層高度之間的高度範圍內選取多個預設高度值；

獲取當前建立的噴頭系統中每個噴頭在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性；

根據每個噴頭在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性，模擬計算所述當前建立的噴頭系統在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度，並與預設灌溉均勻度進行比較；

當所述當前建立的噴頭系統在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度均大於或者等於預設灌溉均勻度時，以所述當前建立的噴頭系統對所述目標作物進行灌溉。

進一步地，所述目標作物生長過程中的目標冠層高度為所述目標作物的最大冠層高度。

進一步地，所述獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，具體包括：

建立不同型號噴頭的水量分布模型的資料庫，所述水量分布模型用於表徵噴頭的水量分布特性與安裝高度之間的關係；

從所述資料庫中所述獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性。

進一步地，所述建立不同型號噴頭的水量分布模型的資料庫，具體包括：

統計適用於圓形噴灌機灌溉的作物類型及每種作物的最大冠層高度；

按照預設規則布置量雨筒，以所有適用於圓形噴灌機灌溉的作物的最大冠層高度中的最大值作為噴頭距離量雨筒頂部的標準高度，獲取各型號噴頭的單噴頭水量分布特性數據；

根據水滴運移彈道模型和所述單噴頭水量分布特性數據，獲取不同型號噴頭的水量分布模型。

第二方面，本發明實施例提供一種圓形噴灌機的灌溉方法，所述灌溉方法包括以下步驟：

獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性；

在所述目標作物的最小冠層高度和最大冠層高度之間的高度範圍內選取多個預設高度值；

獲取當前建立的噴頭系統中每個噴頭在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性；

根據每個噴頭在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性，模擬計算所述當前建立的噴頭系統在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度，並與預設灌溉均勻度進行比較；

當所述當前建立的噴頭系統在以每個所述預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度均大於或者等於預設灌溉均勻度時，以所述當前建立的噴頭系統對所述目標作物進行灌溉；

根據所述目標作物生長過程中冠層高度的變化，調整噴頭安裝高度。

進一步地，所述灌溉方法採用噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機實施。

進一步地，所述噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機包括：

主輸水管，安裝在所述主輸水管上的多根下垂管，安裝在所述下垂管下端的配重管，安裝在所述配重管下端的噴頭，以及用於固定所述下垂管和所述配重管的連接帽；

所述配重管的外徑略小於所述下垂管的內徑，所述下垂管的下端的外表面加工有外螺紋，所述配重管長度方向上的一部分位於所述下垂管的內部，所述連接帽套設在下垂管和所述配重管外部，且所述連接帽的內表面設置有與所述下垂管的外螺紋相配合的內螺紋；所述下垂管的下端沿所述下垂管的圓周方向還設置有多塊連接片，所述多塊連接片可在所述連接帽的作用下緊密包覆在所述配重管的外表面。

進一步地，所述配重管與所述噴頭通過螺紋連接。

本發明實施例提供的技術方案的有益效果：

本發明實施例提供的圓形噴灌機噴頭配置方法中，通過獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，並根據每個型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性來建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統，採用通過上述配置方法建立的噴頭系統進行灌溉，能夠有效保證灌溉的均勻性，同時提高灌溉水的利用率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種圓形噴灌機噴頭配置方法的流程圖；

圖2為本發明實施例提供的另一種圓形噴灌機噴頭配置方法的流程圖；

圖3為本發明實施例提供的一種圓形噴灌機的灌溉方法的流程圖；

圖4為本發明實施例提供的圓形噴灌機中下垂管和配重管的連接方式的示意圖。

圖中附圖標記分別表示：

1-下垂管；

2-配重管；

3-連接帽；

4-連接片。

具體實施方式

為使本發明的技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。除非另有定義，本發明實施例所用的所有技術術語均具有與本領域技術人員通常理解的相同的含義。

圓形噴灌機在運行時，主輸水管繞中心點旋轉，水流通過主輸水管輸送至與主輸水管相連的各下垂管中，再通過與各下垂管連接的噴頭噴出，對作物進行灌溉。水量分布特性是噴頭性能的重要指標，也是灌溉均勻性的重要影響因素。不同型號的噴頭在不同安裝高度處的水量分布特性各不相同，圓形噴灌機中，距離旋轉中心點不同位置處對噴頭水量分布特性的要求也不相同，因此，為了保證圓形噴灌機的灌溉均勻性，需要對圓形噴灌機的噴頭系統進行合理配置。根據不同型號的噴頭在一定安裝高度下的水量分布特性，合理配置距離中心點不同位置處的噴頭的型號，建立圓形噴灌機的噴頭系統。

基於以上所述，本發明實施例提供了一種圓形噴灌機噴頭配置方法及相應的灌溉方法，並且還提供了一種噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機，從而保證灌溉均勻性，提高灌溉水利用率。

參見圖1，圖1示出了本發明實施例提供的一種圓形噴灌機噴頭配置方法，該配置方法包括以下步驟：

步驟101，獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性；安裝高度為噴頭距離地面的高度。

步驟102，根據每個型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統。

本發明實施例提供的圓形噴灌機噴頭配置方法中，噴頭系統的建立是依據每個型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，舉例來說，當需要對冠層高度為2米的作物進行灌溉時，則根據每個型號的噴頭在2米的安裝高度時的水量分布特性，來確定距離圓形噴灌機旋轉中心點不同位置處的噴頭的型號，從而建立相應的噴頭系統。利用由此建立的噴頭系統進行灌溉，一方面能夠保證灌溉的均勻性，另一方面能夠使噴頭剛好位於作物冠層頂部，減少水流的蒸發，提高灌溉水利用率。

上述目標冠層高度可以是目標作物生長過程中任意的冠層高度值，在本發明實施例一種較為優選的實施方式中，目標作物生長過程中的目標冠層高度為目標作物生長過程中所能達到的最大冠層高度。

步驟102中，對於根據每個型號的噴頭的水量分布特性建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統的具體方法，本發明實施例不作特殊限定，採用現有的圓形噴灌機噴頭系統配置方法即可，例如可以通過噴頭配置軟體進行噴頭配置。

參見圖2，圖2示出了本發明實施例提供的另一種圓形噴灌機噴頭配置方法，該配置方法是一種基於單噴頭水滴運移模型的噴頭優化配置方法，通過該配置方法得到的噴頭系統的灌溉均勻性對噴頭的安裝高度不敏感，即可在作物生長過程中根據作物株高變化實時調整噴頭安裝高度，一方面在作物株高增大時防止作物冠層對噴灑水滴的遮擋作用和對噴頭的傷害，另一方面在作物株高較小時減少風對噴灑水滴的蒸發影響，有效保證作物不同生長時期的灌溉均勻性，並提高灌溉水利用率。

具體來說，該配置方法包括以下步驟：

步驟201，建立不同型號噴頭的水量分布模型的資料庫，水量分布模型用於表徵噴頭的水量分布特性與安裝高度之間的關係，安裝高度為噴頭距離地面的高度。

其中，不同型號噴頭的水量分布模型的資料庫具體可以通過以下步驟建立：

步驟2011，統計適用於圓形噴灌機灌溉的作物類型及每種作物的最大冠層高度。

不同作物適用的噴灌機類型有所不同，在本發明實施例提供的配置方法中，僅對適用於圓形噴灌機灌溉的作物生長過程中的最大冠層高度進行統計。

步驟2012，按照預設規則布置量雨筒，以所有適用於圓形噴灌機灌溉的作物的最大冠層高度中的最大值作為噴頭距離量雨筒頂部的標準高度，獲取各型號噴頭的單噴頭水量分布特性數據，包括噴灑半徑、出射角度和出射速度等。

在該步驟中，按照預設布置量雨筒，根據每個量雨筒中接收到的水的量來分別獲取每個型號各自的單噴頭水量分布特性數據。

可以按照中華人民共和國國家標準gb/t27612.3-2011《農業灌溉設備噴頭第3部分水量分布特性和試驗方法》中的有關規定布置量雨筒以及獲取各個型號噴頭的單噴頭水量分布特性數據。

步驟2013，根據水滴運移彈道模型和單噴頭水量分布特性數據，獲取不同型號噴頭的水量分布模型。

水滴運移彈道模型是建立水滴三維運動模型的基本方程，結合單噴頭水量分布特性數據、水滴蒸發模型、初始水滴直徑、水物理參數和溫溼度等環境參數，可用於模擬計算噴頭噴灑半徑範圍內的水滴粒徑分布狀況，結合不同粒徑水滴對應的水量，即可得到單噴頭水量在地面的分布。

基於水滴運移彈道模型，可得到每個型號噴頭在不同安裝高度時各自的水量分布特性，從而建立不同型號噴頭的水量分布資料庫。對於通過水滴運移彈道模型來得到噴頭在不同安裝高度的水量分布特性的具體過程，可以參見《噴灌機械原理·設計·應用》(作者：許一飛、許炳華，中國農業機械出版社出版)第二章第七節的記載。

本領域技術人員可以理解的是，並不是每次進行圓形噴灌機的噴頭配置時都需要建立上述資料庫。只需在第一次進行噴頭配置時建立資料庫，之後直接從資料庫中調取數據即可。

步驟202，從資料庫中獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性。

步驟203，根據每個型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統。

本領域技術人員可以理解的是，上述適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統是指採用該噴頭系統能夠使距離圓形噴灌機中心點不同位置處的灌溉水量均勻分布。

對於根據每個型號的噴頭的水量分布特性建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統的具體方法，本發明實施例不作特殊限定，採用現有的圓形噴灌機噴頭系統配置方法即可，例如可以通過噴頭配置軟體進行噴頭配置。

為了能夠在作物生長過程中根據作物株高變化實時調整噴頭安裝高度而不影響噴頭系統的灌溉均勻性，在噴頭系統建立後，對當前建立的噴頭系統的灌溉均勻性對噴頭安裝高度的敏感性進行分析。具體步驟如下：

步驟204，目標作物的最小冠層高度和最大冠層高度之間的高度範圍內選取多個預設高度值。

上述最小冠層高度是指目標作物生長過程中的最小冠層高度，該最小冠層高度可以是0。多個預設高度值之間的梯度本發明實施例不作特殊限定，本領域技術人員可以根據實際情況進行選擇，例如根據目標作物的生長的不同階段的冠層高度來確定各個預設高度值的具體數值。

步驟205，獲取當前建立的噴頭系統中每個噴頭在以每個預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性。

上述每個噴頭在以每個預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性從步驟201中建立的不同型號噴頭的水量分布模型的資料庫中獲取。

步驟206，根據每個噴頭在以每個預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性，模擬計算當前建立的噴頭系統在以每個預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度，並與預設灌溉均勻度進行比較。噹噹前建立的噴頭系統在以每個預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度均大於或者等於預設灌溉均勻度時，以當前建立的噴頭系統對目標作物進行灌溉。

上述灌溉均勻度是指噴灑範圍內，水量分布的均勻程度，用克裡斯琴森均勻係數表示(以百分數的形式表示)。

本領域技術人員可以理解的是，如果當前建立的噴頭系統在以步驟205確定的每個預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度均大於或者等於預設灌溉均勻度時，說明當前建立的噴頭系統的灌溉均勻度對噴頭安裝高度不敏感，也即以當前建立的噴頭系統對目標作物進行灌溉時，可以根據作物的冠層高度調整噴頭的安裝高度，使噴頭始終能夠位於作物冠層頂部。

如圖2所示，如果當前建立的噴頭系統在以每個預設高度值中的至少一個高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度小於預設灌溉均勻度，也即當前建立的噴頭系統在某個或者某些安裝高度的灌溉均勻度達不到要求，則按照步驟203的方法，以該灌溉均勻度達不到要求的高度值作為噴頭的安裝高度重新建立噴頭系統，例如可以通過更換噴頭型號、調整噴嘴直徑等方式來重新建立噴頭系統。進一步地，可以按照步驟206的方法，再對重新建立的噴頭系統的灌溉均勻度對安裝高度的敏感程度進行分析，直至建立得到灌溉均勻度對噴頭安裝高度不敏感的噴頭系統。

上述預設灌溉均勻度數值的具體數值本發明實施例不作特殊限定，本領域技術人員可以根據實際情況進行設定，可以按照有關標準設定(gb/t50085-2007，噴灌工程技術規範)，例如可以為85％。

對當前建立的噴頭系統在以每個預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度進行模擬計算的方法本發明實施例不作特殊限定，本領域常規方法均可，例如可以採用相關軟體進行模擬計算。

在本發明實施例提供的配置方法中，目標作物生長過程中的目標冠層高度優選為目標作物的最大冠層高度。基於此，上述步驟202具體可以為從資料庫中獲取不同型號的噴頭在以目標作物的最大冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性。上述步驟203，具體可以為根據每個型號的噴頭在以目標作物的最大冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性，建立適用於目標作物生長過程中的目標冠層高度的噴頭系統。

參見圖3，圖3示出了本發明實施例提供的一種圓形噴灌機的灌溉方法的流程示意圖，該灌溉方法是基於上述噴頭配置方法實現的，首先建立一個灌溉均勻度隨噴頭安裝高度變化不敏感的噴頭系統，再利用該噴頭系統對目標作物進行灌溉，在灌溉過程中，根據目標作物冠層高度的變化實時調整噴頭安裝高度。

具體包括以下步驟：

步驟301，獲取不同型號的噴頭在以目標作物生長過程中的目標冠層高度作為安裝高度時的水量分布特性。

步驟302，在目標作物的最小冠層高度和最大冠層高度之間的高度範圍內選取多個預設高度值。

步驟303，獲取當前建立的噴頭系統中每個噴頭在以每個預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性。

步驟304，根據每個噴頭在以每個預設高度值作為安裝高度時的水量分布特性，模擬計算當前建立的噴頭系統在以每個預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度，並與預設灌溉均勻度進行比較。

步驟305，噹噹前建立的噴頭系統在以每個預設高度值作為安裝高度時的灌溉均勻度均大於或者等於預設灌溉均勻度時，以當前建立的噴頭系統對目標作物進行灌溉。

步驟306，根據目標作物生長過程中冠層高度的變化，調整噴頭安裝高度。

對於上述步驟301～步驟305的具體實現方式，參照上文對步驟201～步驟206的說明即可，在此不再贅述。

進一步地，採用噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機來實現在目標作物生長過程中實時調整噴頭安裝高度。

如圖4所示，在本發明實施例一種較為優選的實施方式中，上述噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機包括：主輸水管(圖中未示出)，安裝在主輸水管上的多根下垂管1，安裝在下垂管1下端的配重管2，安裝在配重管下端的噴頭(圖中未示出)，以及用於固定下垂管和配重管的連接帽3。其中，配重管2的外徑略小於下垂管1的內徑，下垂管1的下端的外表面加工有外螺紋，配重管2長度方向上的一部分位於下垂管1內部，連接帽3套設在下垂管1和配重管2外部，且連接帽3的內表面設置有與下垂管1的外螺紋相配合的內螺紋；下垂管1的下端沿下垂管1的圓周方向還設置有多塊連接片4，多塊連接片4可在連接帽3的作用下緊密包覆在配重管2的外表面。配重管2也與噴頭通過螺紋連接。

在需要對噴頭安裝高度進行調整時，將連接帽3旋鬆，之後向外將配重管2從下垂管1內拉出一定長度，或者將配重管2向下垂管1內推入一定距離，從而帶動與配重1連接的噴頭上提或者下放，實現對噴頭安裝高度的調節。當將噴頭調節至合適的安裝高度後，再旋緊連接帽，使下垂管1下端的連接片緊密包覆在配重管2外表面，將配重管2與下垂管1固定。

為了進一步提高下垂管1與配重管2連接的強度，可以在配重管2的外表面也設置外螺紋，並將連接帽3的內部設計為階梯孔的形式，階梯孔的上端設置與下垂管1外表面的外螺紋相配合的內螺紋，階梯孔的下端設置與配重管2外表面的外螺紋相配合的內螺紋，也即連接帽3的上下兩端分別與下垂管1和配重管2通過螺紋連接。

需要說明的是，目前現有的圓形噴灌機中，配重管是固定在下垂管的外部的，僅僅是起到配重、使下垂管保持豎直的作用，而本發明實施例提供的圓形噴灌中，將配重管長度方向的一部分設置在下垂管內部，即配重管採用內置的形式，並通過連接帽的設置以及對下垂管下端結構的簡單改進，在保留配重管配重功能的前提下，實現調整噴頭安裝高度的功能。並且，本發明實施例提供的圓形噴灌機僅需在現有圓形噴灌機的基礎上做簡單改進即可，成本較低。

本發明實施例中，對於主輸水管的安裝、下垂管與主輸水管的連接方式等不作特殊限定，本領域常規技術手段均可。

本發明實施例中，也可採用其他方式實現對噴頭安裝高度的調整。

綜上，本發明實施例提供了一種灌溉均勻度隨噴頭安裝高度變化不敏感的圓形噴灌機噴頭配置方法，以及基於該配置方法的灌溉方法，同時還提供了一種用於實現上述灌溉方法的噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機，在作物生長過程中，根據作物冠層高度變化實時調整噴頭安裝高度，使噴頭始終位於作物冠層頂部，在作物株高增大時防止作物冠層對噴灑水滴的遮擋作用和對噴頭的傷害，在作物株高較小時減少風對噴灑水滴的蒸發影響，有效保證作物不同生長時期的灌溉均勻性，提高灌溉水利用率。並且，本發明實施例提供的噴頭安裝高度可調的圓形噴灌機結構簡單，僅需對現有的圓形噴灌機做簡單改進即可，成本較低。

以上所述僅是為了便於本領域的技術人員理解本發明的技術方案，並不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。