一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及节水灌溉喷灌系统中水量分布模型的建立方法，特别是一种变转速喷 头三维动态水量分布模型建立方法。
【背景技术】
[0002] 节水灌溉不仅是我国国民经济和社会可持续发展所要求的，也是我国农业资源， 尤其是水资源短缺、水土资源配置失衡等严峻形势所决定的。喷灌作为一种先进的节水灌 溉技术，能提高灌溉水利用率，具有广阔的发展空间。喷灌均匀度是指在喷灌面积上水量分 布的均匀程度，它是喷灌系统的重要性能，是衡量喷灌质量的重要指标和喷灌系统规划设 计中的重要参数。喷洒的水量分布是决定喷洒均匀性重要因素之一，影响作物的品质，而影 响喷洒水量分布的因素众多，主要包括：喷头的流量、工作压力、喷头的转动均匀性、喷洒时 间、风速风向、喷嘴结构形式等。现有喷灌水量分布模型多采用线性回归的方法，在距喷头 的距离与喷灌强度的二维空间建立。然而，水量分布模型应结合不同影响因素，建立相应的 径向、周向与喷灌强度随时间变化的三维水量分布模型，会更接近不同类型喷头的实际喷 洒情况，更准确地预测出灌水效率等参数，使模型更具有普遍适用性。因此提出一种变转速 喷头三维动态水量分布模型确定方法具有重要意义。
[0003] 经检索，目前还没有相关的申报专利。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种变转速喷头三维动态水量分布模型 建立方法。
[0005] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006] -种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，包括以下步骤，
[0007] 1. -种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，其特征在于，设计方法按下 列步骤进行：
[0008] 步骤一，确定喷头型号：
[0009] 选定喷头型号，确定选定喷头的工作压力范围，以及喷头旋转一圈转速的变化次 数；
[0010] 步骤二，确定喷洒试验收集方法及布置方式：
[0011] 使用通用的雨量筒进行水量收集，并采用径向布置的方式排列雨量筒；
[0012] 步骤三，确定单喷头的水量分布的影响因素并进行试验：
[0013] 通过径向分布的雨量筒法收集不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi、雨滴直径 D、雨滴累积频率f的试验数据，其中水量分布由喷灌强度hi得到，水滴分布由雨滴直径D 与雨滴累积频率f得到；
[0014] 步骤四，确定喷头组合方式和组合间距：
[0015] 采用矩形组合，喷头与喷头间横向距离为lm，纵向距离为Im ;
[0016] 步骤五，利用单喷头的水量分布实验数据，计算出组合喷灌均匀度：
[0017] 使用三次样条插值法处理单喷头组合的数据，然后利用克里斯琴森均匀度计算公 式进行计算得到组合喷灌均匀度；
[0018] 三次样条差值法的计算模型如图1所示，三次样条插值法的计算方法为：
[0019] 计算喷灌区域内任意一点P的水深，通过径向插值分别计算出各辐射线上与网格 点P距喷头相同远处Ai的降水深Di(i = 1、2.....6)，利用同一圆周上的数据采用与径向 插值方法相同的插值方法计算出所求网格点P的降水深Dp ;
[0020] 进行径向插值，通过LiQ = 1、2、"·、6)上测得的雨量筒数据Ui = 1、2、…、6 ; j = 1、2、···、!〇,其中η为每条辐射线上雨量筒的个数，选用一种插值方法，分别求出A1Q =1、2、..·、6)点的降水深 D1:Di = F1(ClljJ) (i = 1、2、."、6 ;j = 1、2、…、η)，式中=F1-径向插值函数；
[0021] 进行周向插值，通过上一步得到的Ai点的降水深DiQ = 1、2、…、6)，对极角α采 用与径向相同的插值方法进行周向插值，求出P点的降水深DP:D = F(D ,，a ) (i = 1、2、…、 6)，式中，F-径向插值函数；
[0022] 划分区间[a，b]，其中，Δ :a = x0〈xl〈…<xn = b，同时建立在区间[a，b]上的函 数f (X)，若函数分别满足下列条件：
[0023] -致通过 n+1 个型值点（xi，yi)，即 s(xi) = f(xi) = yi (i = 0, 1，2, · · ·，η);
[0024] 二阶导数连续，即 s(x) e c [a, b];
[0025] 三次分段，即在每一个小区间[xi-1，xi]上均为三次多项式，
[0026] 这样的s(x)称为[a, b]上以xi (i = 0, 1，2, ···，η)为节点的三次插值样条函数， 三次插值样条函数的几何图形称为三次样条曲线，S(X)的公式如下：
[0027]
[0028] 将处理后的数据代入克里斯琴森均匀度计算公式，
[0029]
[0030] 式中Cu-喷灌均匀系数 [0031 ] Ii1-第i个测点的降水深
[0032] h-喷洒面积上各测点平均降水深
[0033] η-测点数目。
[0034] 步骤六，建立影响因素的数值关系式：
[0035] 分析不同压力ρ，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r、喷头仰角α，安装高度H因素下 组合喷灌均匀度数据，使用非线性工具、多维尺度分析，进行非线性回归分析，依据组间均 方差与组内均方差之比最大的原则来进行判别，确定主要影响因素，次要影响因素及各个 因子直接的互作关系，建立各因素的线性函数X(P，r)，其中：p，r是相互影响的，关系式为： F (X) = f (X (p，r)，d，μ，a，h);
[0036] 步骤七，建立三维动态水量分布模型：
[0037] 在不同因素下，单喷头水量分布实验，通过三次样条插值法计算出矩形组合下的 喷灌均匀强度，利用SPSS软件分析主要、次要影响因素及互助关系建立水量分布模型，之 后考虑相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化，继续使用SPSS软件，拟合出从三维水量 分布模型，F(x) = f(X(p，r)，d，μ，a，h，t)，并最终确定各因素的影响大小。
[0038] 本发明的技术效果是：1.本发明涉及一种变转速喷头三维动态水量分布模型建 立方法，能结合不同影响因素，建立相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化的三维水量分 布模型，会更接近不同类型喷头的实际喷洒情况，使模型更具有普遍适用性；2.根据模型 建立方法可以计算出不同类型喷头的三维动态水量分布，有利于喷灌前沿科学合理的选择 合适的喷头。
【附图说明】
[0039] 图1为三次三次样条插值法的计算模型图。
[0040] 图2为喷头喷洒试验雨量筒径向布置示意图。
[0041] 图3为试验系统示意图。
[0042] 图4为喷头矩形组合方式示意图。
[0043] 图5为模型建立流程图。
[0044] 附图标记说明如下：1.储水槽2.离心栗3.输水管4.流量计5.压力表6.喷 头7.雨量筒。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0046] 本发明是一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，以尼尔森R33喷头建 立三维动态水量分布模型为例，该方法的步骤包括：
[0047] 步骤一：确定喷头型号
[0048] 使用HR33喷头，该喷头的特点是工作压力范围为150kPa_350kPa，，每旋转一圈内 转速变化大于6次。
[0049] 步骤二：确定喷洒试验收集方法及布置方式
[0050] 使用雨量筒收集，雨量筒的布置方式为径向布置。雨量筒与雨量筒的间距为lm。 如图1
[0051] 步骤三：设计在不同影响因素下单喷头的水量分布的试验。
[0052] 如图2所示，通过径向分布的雨量筒法收集不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi 的实验数据如下表1，表2。水量分布由喷灌强度hi得到。
[0053] 表1不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi