基于多类型喷头布局的固定式喷灌系统全场均匀性评估方法研究

本研究针对传统固定式喷灌系统均匀性评估仅考虑全圆喷头布局(C型)而忽略边界半圆(H型)和四分之一圆(Q型)喷头影响的局限性，开发了结合三种布局类型的全场均匀性评估方法。研究人员通过Ador-Solid-Set软件对4个实验田进行252次全场模拟和7776次布局模拟，提出基于组合法的评估协议，使均匀性系数(CU)估计决定系数达97%，标准误差仅1.1%。该研究为精准评估喷灌系统性能提供了新范式，对优化水资源利用具有重要意义。

　　

在农业灌溉领域，固定式喷灌系统(solid-set sprinkler irrigation)因其自动化程度高、劳动力需求低等优势，已成为20-30公顷以下农田的主流选择。然而长期以来，业界对系统均匀性的评估存在明显缺陷——传统方法仅测量由四个全圆喷头(full-circle sprinklers)组成的C型布局，却忽视了边界处半圆(half-circle)和四分之一圆(quarter-circle)喷头构成的H型和Q型布局。这种评估偏差导致实际田间均匀性被高估，特别是在小型或不规则形状田块中，边界喷头占比可达80%（如EX实验田），造成严重的水资源浪费和均匀性误判。

西班牙高等农业研究委员会土壤与水研究所（EEAD-CSIC）的Enrique Playán团队在《Irrigation Science》发表的研究，通过耦合水力模型与弹道模型，开发出能完整评估固定式喷灌系统全场均匀性的新方法。研究团队首先建立了包含C、H、Q三种布局类型的评估体系，利用Ador-Solid-Set软件对4个实际田块（0.486-19.3公顷）进行252次全场模拟，并在6种理论布局下完成7776次模拟。通过引入布局频率参数s_H、s_Q和组合法(Combination method)，最终提出了一套精确评估协议，其均匀性系数(CU)估计值与实际模拟值的决定系数高达97%，标准误差仅1.1%。

关键技术方法包括：（1）采用EPANET软件构建管网水力模型；（2）基于弹道原理的Ador-Solid-Set模拟系统，考虑风速（0-7 m/s）、风向（3个主方向）和喷嘴压力（低中高3个水平）；（3）在25个3.6×3.6 m网格单元中计算灌溉深度；（4）通过组合法将不同布局的模拟数据按出现频率加权整合，构建10,000个数据点的评估阵列。

【布局参数特征】研究发现，在规则田块中Q型布局出现频率s_Q随面积增大迅速趋近于0（E3田块仅0.005），而实际田块中H型喷头占比显著高于Q型（CA田块r_H=0.276 vs r_Q=0.009）。当田块面积超过3公顷时，可用喷头比例参数r替代布局参数s进行简化评估。

【均匀性差异】模拟显示C型布局CU值普遍高于H型（平均差8.2%）和Q型（平均差18.7%），且边界喷头的灌溉深度显著更高。例如在CA田块，相同压力下Q型布局灌溉量比C型高34%，这解释了为何传统单一布局评估会系统性高估全场均匀性。

【评估方法验证】组合法表现最优（R²=96.9%），显著优于线性加权法（R²=84.9%）。当s_Q≤0.01时，仅用C、H型布局评估仍能保持82.1%的准确性，大幅减少评估工作量。

【压力影响】与预期相反，低压条件下H/Q型布局的CU反而更高（差值达5%），这是因为强风更易将低压水滴吹出评估区域，造成更大的不均匀性。

研究最终提出了一套标准化评估协议：通过计算s参数确定布局比例，在代表性区域布置25个雨量计进行C、H（及必要时Q型）布局实测，按比例组合测量数据计算全场CU值。该成果不仅修正了沿用四十余年的评估标准（Merriam and Keller 1978），更对灌溉系统的设计优化具有重要指导意义——特别是在当前全球水资源紧缺背景下，精确评估可帮助农民减少10-15%的边界过量灌溉，实现真正精准灌溉。研究同时建议重新审视传统CU评价标准（如经济作物85%的阈值），因新方法评估值普遍比传统单布局评估低3-5个百分点。未来研究可结合无人机遥感等技术，进一步简化大面积评估的实施难度。