圆形喷灌机喷头配置方法及灌溉方法与流程

本发明涉及灌溉技术领域，特别涉及一种圆形喷灌机喷头配置方法及灌溉方法。

背景技术：

圆形喷灌机也称中心支轴式喷灌机，具有自动化程度高、适用范围广等优点，在农业灌溉中得到了广泛应用。圆形喷灌机包括主输水管，主输水管上安装有多根下垂管，每根下垂管的下端安装有配重管和喷头。在圆形喷灌机运行时，主输水管绕中心点旋转，水流通过主输水管输送至各下垂管，再由喷头喷出对作物进行灌溉。由于圆形喷灌机的运行轨迹为圆形，为了保证圆形喷灌机灌溉的均匀性，需要合理配置距离中心点不同位置处的喷头的型号。

目前对圆形喷灌机喷头进行配置的方法主要为：根据不同型号喷头在距离地面固定高度下(例如1.2米)的水量分布特性，选择合适的喷头组合，使距离圆形喷灌机中心点不同位置处的灌溉水量均匀分布。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：通过现有的喷头配置方法只能保证喷头距离地面固定高度下的圆形喷灌机的灌溉均匀性，但是在实际灌溉过程中，喷头的高度需要根据作物冠层高度来确定，从而导致采用现有喷头配置方法配置的喷头在实际灌溉时的灌溉均匀性达不到要求。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明实施例提供一种使圆形喷灌机在灌溉不同冠层高度作物时能够具有良好的灌溉均匀性的圆形喷灌机喷头配置方法。

具体而言，包括以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种圆形喷灌机喷头配置方法，所述配置方法包括：

获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性；所述安装高度为喷头距离地面的高度；

根据每个型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统。

进一步地，所述配置方法中，所述根据每个型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统之后，还包括：

在所述目标作物的最小冠层高度和最大冠层高度之间的高度范围内选取多个预设高度值；

获取当前建立的喷头系统中每个喷头在以每个所述预设高度值作为安装高度时的水量分布特性；

根据每个喷头在以每个所述预设高度值作为安装高度时的水量分布特性，模拟计算所述当前建立的喷头系统在以每个所述预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度，并与预设灌溉均匀度进行比较；

当所述当前建立的喷头系统在以每个所述预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度均大于或者等于预设灌溉均匀度时，以所述当前建立的喷头系统对所述目标作物进行灌溉。

进一步地，所述目标作物生长过程中的目标冠层高度为所述目标作物的最大冠层高度。

进一步地，所述获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，具体包括：

建立不同型号喷头的水量分布模型的数据库，所述水量分布模型用于表征喷头的水量分布特性与安装高度之间的关系；

从所述数据库中所述获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性。

进一步地，所述建立不同型号喷头的水量分布模型的数据库，具体包括：

统计适用于圆形喷灌机灌溉的作物类型及每种作物的最大冠层高度；

按照预设规则布置量雨筒，以所有适用于圆形喷灌机灌溉的作物的最大冠层高度中的最大值作为喷头距离量雨筒顶部的标准高度，获取各型号喷头的单喷头水量分布特性数据；

根据水滴运移弹道模型和所述单喷头水量分布特性数据，获取不同型号喷头的水量分布模型。

第二方面，本发明实施例提供一种圆形喷灌机的灌溉方法，所述灌溉方法包括以下步骤：

获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性；

在所述目标作物的最小冠层高度和最大冠层高度之间的高度范围内选取多个预设高度值；

获取当前建立的喷头系统中每个喷头在以每个所述预设高度值作为安装高度时的水量分布特性；

根据每个喷头在以每个所述预设高度值作为安装高度时的水量分布特性，模拟计算所述当前建立的喷头系统在以每个所述预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度，并与预设灌溉均匀度进行比较；

当所述当前建立的喷头系统在以每个所述预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度均大于或者等于预设灌溉均匀度时，以所述当前建立的喷头系统对所述目标作物进行灌溉；

根据所述目标作物生长过程中冠层高度的变化，调整喷头安装高度。

进一步地，所述灌溉方法采用喷头安装高度可调的圆形喷灌机实施。

进一步地，所述喷头安装高度可调的圆形喷灌机包括：

主输水管，安装在所述主输水管上的多根下垂管，安装在所述下垂管下端的配重管，安装在所述配重管下端的喷头，以及用于固定所述下垂管和所述配重管的连接帽；

所述配重管的外径略小于所述下垂管的内径，所述下垂管的下端的外表面加工有外螺纹，所述配重管长度方向上的一部分位于所述下垂管的内部，所述连接帽套设在下垂管和所述配重管外部，且所述连接帽的内表面设置有与所述下垂管的外螺纹相配合的内螺纹；所述下垂管的下端沿所述下垂管的圆周方向还设置有多块连接片，所述多块连接片可在所述连接帽的作用下紧密包覆在所述配重管的外表面。

进一步地，所述配重管与所述喷头通过螺纹连接。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例提供的圆形喷灌机喷头配置方法中，通过获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，并根据每个型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性来建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统，采用通过上述配置方法建立的喷头系统进行灌溉，能够有效保证灌溉的均匀性，同时提高灌溉水的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种圆形喷灌机喷头配置方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种圆形喷灌机喷头配置方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种圆形喷灌机的灌溉方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的圆形喷灌机中下垂管和配重管的连接方式的示意图。

图中附图标记分别表示：

1-下垂管；

2-配重管；

3-连接帽；

4-连接片。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

圆形喷灌机在运行时，主输水管绕中心点旋转，水流通过主输水管输送至与主输水管相连的各下垂管中，再通过与各下垂管连接的喷头喷出，对作物进行灌溉。水量分布特性是喷头性能的重要指标，也是灌溉均匀性的重要影响因素。不同型号的喷头在不同安装高度处的水量分布特性各不相同，圆形喷灌机中，距离旋转中心点不同位置处对喷头水量分布特性的要求也不相同，因此，为了保证圆形喷灌机的灌溉均匀性，需要对圆形喷灌机的喷头系统进行合理配置。根据不同型号的喷头在一定安装高度下的水量分布特性，合理配置距离中心点不同位置处的喷头的型号，建立圆形喷灌机的喷头系统。

基于以上所述，本发明实施例提供了一种圆形喷灌机喷头配置方法及相应的灌溉方法，并且还提供了一种喷头安装高度可调的圆形喷灌机，从而保证灌溉均匀性，提高灌溉水利用率。

参见图1，图1示出了本发明实施例提供的一种圆形喷灌机喷头配置方法，该配置方法包括以下步骤：

步骤101，获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性；安装高度为喷头距离地面的高度。

步骤102，根据每个型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统。

本发明实施例提供的圆形喷灌机喷头配置方法中，喷头系统的建立是依据每个型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，举例来说，当需要对冠层高度为2米的作物进行灌溉时，则根据每个型号的喷头在2米的安装高度时的水量分布特性，来确定距离圆形喷灌机旋转中心点不同位置处的喷头的型号，从而建立相应的喷头系统。利用由此建立的喷头系统进行灌溉，一方面能够保证灌溉的均匀性，另一方面能够使喷头刚好位于作物冠层顶部，减少水流的蒸发，提高灌溉水利用率。

上述目标冠层高度可以是目标作物生长过程中任意的冠层高度值，在本发明实施例一种较为优选的实施方式中，目标作物生长过程中的目标冠层高度为目标作物生长过程中所能达到的最大冠层高度。

步骤102中，对于根据每个型号的喷头的水量分布特性建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统的具体方法，本发明实施例不作特殊限定，采用现有的圆形喷灌机喷头系统配置方法即可，例如可以通过喷头配置软件进行喷头配置。

参见图2，图2示出了本发明实施例提供的另一种圆形喷灌机喷头配置方法，该配置方法是一种基于单喷头水滴运移模型的喷头优化配置方法，通过该配置方法得到的喷头系统的灌溉均匀性对喷头的安装高度不敏感，即可在作物生长过程中根据作物株高变化实时调整喷头安装高度，一方面在作物株高增大时防止作物冠层对喷洒水滴的遮挡作用和对喷头的伤害，另一方面在作物株高较小时减少风对喷洒水滴的蒸发影响，有效保证作物不同生长时期的灌溉均匀性，并提高灌溉水利用率。

具体来说，该配置方法包括以下步骤：

步骤201，建立不同型号喷头的水量分布模型的数据库，水量分布模型用于表征喷头的水量分布特性与安装高度之间的关系，安装高度为喷头距离地面的高度。

其中，不同型号喷头的水量分布模型的数据库具体可以通过以下步骤建立：

步骤2011，统计适用于圆形喷灌机灌溉的作物类型及每种作物的最大冠层高度。

不同作物适用的喷灌机类型有所不同，在本发明实施例提供的配置方法中，仅对适用于圆形喷灌机灌溉的作物生长过程中的最大冠层高度进行统计。

步骤2012，按照预设规则布置量雨筒，以所有适用于圆形喷灌机灌溉的作物的最大冠层高度中的最大值作为喷头距离量雨筒顶部的标准高度，获取各型号喷头的单喷头水量分布特性数据，包括喷洒半径、出射角度和出射速度等。

在该步骤中，按照预设布置量雨筒，根据每个量雨筒中接收到的水的量来分别获取每个型号各自的单喷头水量分布特性数据。

可以按照中华人民共和国国家标准gb/t27612.3-2011《农业灌溉设备喷头第3部分水量分布特性和试验方法》中的有关规定布置量雨筒以及获取各个型号喷头的单喷头水量分布特性数据。

步骤2013，根据水滴运移弹道模型和单喷头水量分布特性数据，获取不同型号喷头的水量分布模型。

水滴运移弹道模型是建立水滴三维运动模型的基本方程，结合单喷头水量分布特性数据、水滴蒸发模型、初始水滴直径、水物理参数和温湿度等环境参数，可用于模拟计算喷头喷洒半径范围内的水滴粒径分布状况，结合不同粒径水滴对应的水量，即可得到单喷头水量在地面的分布。

基于水滴运移弹道模型，可得到每个型号喷头在不同安装高度时各自的水量分布特性，从而建立不同型号喷头的水量分布数据库。对于通过水滴运移弹道模型来得到喷头在不同安装高度的水量分布特性的具体过程，可以参见《喷灌机械原理·设计·应用》(作者：许一飞、许炳华，中国农业机械出版社出版)第二章第七节的记载。

本领域技术人员可以理解的是，并不是每次进行圆形喷灌机的喷头配置时都需要建立上述数据库。只需在第一次进行喷头配置时建立数据库，之后直接从数据库中调取数据即可。

步骤202，从数据库中获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性。

步骤203，根据每个型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统。

本领域技术人员可以理解的是，上述适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统是指采用该喷头系统能够使距离圆形喷灌机中心点不同位置处的灌溉水量均匀分布。

对于根据每个型号的喷头的水量分布特性建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统的具体方法，本发明实施例不作特殊限定，采用现有的圆形喷灌机喷头系统配置方法即可，例如可以通过喷头配置软件进行喷头配置。

为了能够在作物生长过程中根据作物株高变化实时调整喷头安装高度而不影响喷头系统的灌溉均匀性，在喷头系统建立后，对当前建立的喷头系统的灌溉均匀性对喷头安装高度的敏感性进行分析。具体步骤如下：

步骤204，目标作物的最小冠层高度和最大冠层高度之间的高度范围内选取多个预设高度值。

上述最小冠层高度是指目标作物生长过程中的最小冠层高度，该最小冠层高度可以是0。多个预设高度值之间的梯度本发明实施例不作特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，例如根据目标作物的生长的不同阶段的冠层高度来确定各个预设高度值的具体数值。

步骤205，获取当前建立的喷头系统中每个喷头在以每个预设高度值作为安装高度时的水量分布特性。

上述每个喷头在以每个预设高度值作为安装高度时的水量分布特性从步骤201中建立的不同型号喷头的水量分布模型的数据库中获取。

步骤206，根据每个喷头在以每个预设高度值作为安装高度时的水量分布特性，模拟计算当前建立的喷头系统在以每个预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度，并与预设灌溉均匀度进行比较。当当前建立的喷头系统在以每个预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度均大于或者等于预设灌溉均匀度时，以当前建立的喷头系统对目标作物进行灌溉。

上述灌溉均匀度是指喷洒范围内，水量分布的均匀程度，用克里斯琴森均匀系数表示(以百分数的形式表示)。

本领域技术人员可以理解的是，如果当前建立的喷头系统在以步骤205确定的每个预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度均大于或者等于预设灌溉均匀度时，说明当前建立的喷头系统的灌溉均匀度对喷头安装高度不敏感，也即以当前建立的喷头系统对目标作物进行灌溉时，可以根据作物的冠层高度调整喷头的安装高度，使喷头始终能够位于作物冠层顶部。

如图2所示，如果当前建立的喷头系统在以每个预设高度值中的至少一个高度值作为安装高度时的灌溉均匀度小于预设灌溉均匀度，也即当前建立的喷头系统在某个或者某些安装高度的灌溉均匀度达不到要求，则按照步骤203的方法，以该灌溉均匀度达不到要求的高度值作为喷头的安装高度重新建立喷头系统，例如可以通过更换喷头型号、调整喷嘴直径等方式来重新建立喷头系统。进一步地，可以按照步骤206的方法，再对重新建立的喷头系统的灌溉均匀度对安装高度的敏感程度进行分析，直至建立得到灌溉均匀度对喷头安装高度不敏感的喷头系统。

上述预设灌溉均匀度数值的具体数值本发明实施例不作特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，可以按照有关标准设定(gb/t50085-2007，喷灌工程技术规范)，例如可以为85％。

对当前建立的喷头系统在以每个预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度进行模拟计算的方法本发明实施例不作特殊限定，本领域常规方法均可，例如可以采用相关软件进行模拟计算。

在本发明实施例提供的配置方法中，目标作物生长过程中的目标冠层高度优选为目标作物的最大冠层高度。基于此，上述步骤202具体可以为从数据库中获取不同型号的喷头在以目标作物的最大冠层高度作为安装高度时的水量分布特性。上述步骤203，具体可以为根据每个型号的喷头在以目标作物的最大冠层高度作为安装高度时的水量分布特性，建立适用于目标作物生长过程中的目标冠层高度的喷头系统。

参见图3，图3示出了本发明实施例提供的一种圆形喷灌机的灌溉方法的流程示意图，该灌溉方法是基于上述喷头配置方法实现的，首先建立一个灌溉均匀度随喷头安装高度变化不敏感的喷头系统，再利用该喷头系统对目标作物进行灌溉，在灌溉过程中，根据目标作物冠层高度的变化实时调整喷头安装高度。

具体包括以下步骤：

步骤301，获取不同型号的喷头在以目标作物生长过程中的目标冠层高度作为安装高度时的水量分布特性。

步骤302，在目标作物的最小冠层高度和最大冠层高度之间的高度范围内选取多个预设高度值。

步骤303，获取当前建立的喷头系统中每个喷头在以每个预设高度值作为安装高度时的水量分布特性。

步骤304，根据每个喷头在以每个预设高度值作为安装高度时的水量分布特性，模拟计算当前建立的喷头系统在以每个预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度，并与预设灌溉均匀度进行比较。

步骤305，当当前建立的喷头系统在以每个预设高度值作为安装高度时的灌溉均匀度均大于或者等于预设灌溉均匀度时，以当前建立的喷头系统对目标作物进行灌溉。

步骤306，根据目标作物生长过程中冠层高度的变化，调整喷头安装高度。

对于上述步骤301～步骤305的具体实现方式，参照上文对步骤201～步骤206的说明即可，在此不再赘述。

进一步地，采用喷头安装高度可调的圆形喷灌机来实现在目标作物生长过程中实时调整喷头安装高度。

如图4所示，在本发明实施例一种较为优选的实施方式中，上述喷头安装高度可调的圆形喷灌机包括：主输水管(图中未示出)，安装在主输水管上的多根下垂管1，安装在下垂管1下端的配重管2，安装在配重管下端的喷头(图中未示出)，以及用于固定下垂管和配重管的连接帽3。其中，配重管2的外径略小于下垂管1的内径，下垂管1的下端的外表面加工有外螺纹，配重管2长度方向上的一部分位于下垂管1内部，连接帽3套设在下垂管1和配重管2外部，且连接帽3的内表面设置有与下垂管1的外螺纹相配合的内螺纹；下垂管1的下端沿下垂管1的圆周方向还设置有多块连接片4，多块连接片4可在连接帽3的作用下紧密包覆在配重管2的外表面。配重管2也与喷头通过螺纹连接。

在需要对喷头安装高度进行调整时，将连接帽3旋松，之后向外将配重管2从下垂管1内拉出一定长度，或者将配重管2向下垂管1内推入一定距离，从而带动与配重1连接的喷头上提或者下放，实现对喷头安装高度的调节。当将喷头调节至合适的安装高度后，再旋紧连接帽，使下垂管1下端的连接片紧密包覆在配重管2外表面，将配重管2与下垂管1固定。

为了进一步提高下垂管1与配重管2连接的强度，可以在配重管2的外表面也设置外螺纹，并将连接帽3的内部设计为阶梯孔的形式，阶梯孔的上端设置与下垂管1外表面的外螺纹相配合的内螺纹，阶梯孔的下端设置与配重管2外表面的外螺纹相配合的内螺纹，也即连接帽3的上下两端分别与下垂管1和配重管2通过螺纹连接。

需要说明的是，目前现有的圆形喷灌机中，配重管是固定在下垂管的外部的，仅仅是起到配重、使下垂管保持竖直的作用，而本发明实施例提供的圆形喷灌中，将配重管长度方向的一部分设置在下垂管内部，即配重管采用内置的形式，并通过连接帽的设置以及对下垂管下端结构的简单改进，在保留配重管配重功能的前提下，实现调整喷头安装高度的功能。并且，本发明实施例提供的圆形喷灌机仅需在现有圆形喷灌机的基础上做简单改进即可，成本较低。

本发明实施例中，对于主输水管的安装、下垂管与主输水管的连接方式等不作特殊限定，本领域常规技术手段均可。

本发明实施例中，也可采用其他方式实现对喷头安装高度的调整。

综上，本发明实施例提供了一种灌溉均匀度随喷头安装高度变化不敏感的圆形喷灌机喷头配置方法，以及基于该配置方法的灌溉方法，同时还提供了一种用于实现上述灌溉方法的喷头安装高度可调的圆形喷灌机，在作物生长过程中，根据作物冠层高度变化实时调整喷头安装高度，使喷头始终位于作物冠层顶部，在作物株高增大时防止作物冠层对喷洒水滴的遮挡作用和对喷头的伤害，在作物株高较小时减少风对喷洒水滴的蒸发影响，有效保证作物不同生长时期的灌溉均匀性，提高灌溉水利用率。并且，本发明实施例提供的喷头安装高度可调的圆形喷灌机结构简单，仅需对现有的圆形喷灌机做简单改进即可，成本较低。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。