龚 艳，张 晓，王 果，等．基于农田环境因子模拟农药雾滴飘移特性［Ｊ］．江苏农业科学，２０１８，４６（１１）：２０５－２０８．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１８．１１．０５２ 基于农田环境因子模拟农药雾滴飘移特性
龚 艳，张 晓，王 果，陈 晓
（农业部南京农业机械化研究所，江苏南京２１００１４） 摘要：农药飘移污染辐射面广，极易造成非靶标区农作物药害、环境污染、生态平衡破坏等。开展雾滴飘移特性研究，对研发精准施药装备、优化喷雾参数具有重要的科学意义和指导意义。野外环境因素的多样性与多变性使得田间雾滴飘移特性研究复杂困难，试验结果存在不确定性。因此，基于低速风洞对温度、湿度、风场等农田环境因子的精准模拟，针对风速、雾滴粒径、雾滴释放高度等３个影响雾滴飘移特性的主要因素开展试验研究，探讨其对雾滴运动规律的影响。结果表明，增大雾滴粒径有助于减少雾滴飘移；随着风速的增大，雾滴飘失量与飘移距离呈明显的递增趋势，且小粒径雾滴的飘移更易受风速影响；作业时喷头高度过高，会使雾滴更易于向远处飘移。 关键词：低速风洞；雾滴飘移；环境污染；雾滴粒径；风速；雾滴释放高度
中图分类号：Ｓ４９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０１８）１１－０２０５－０３
收稿日期：２０１７－１０－１０
基金项目：国家重点研发计划（编号：２０１７ＹＦＤ０２００３０３）；国家自然科
学基金（编号：
３１４０１２９６）。作者简介：龚 艳（１９７６—），女，海南琼海人，硕士，研究员，硕士生导师，主要从事植保施药技术与装备研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２５４４８２４６０＠ｑｑ．ｃｏｍ。
在农作物病虫草害化学防治过程中，受自然环境、施药方法与施药装备等因素影响，实际沉积于靶标作物上的农药仅占总喷施量的３
０％左右，其余农药则流失、飘失或直接被喷洒到土壤、水体、空气中，造成严重的农业面源污染。飘失的农药雾滴可随风做长时间、长距离的迁移，由靶标区到非靶标区，由农业区到非农业区，即使在从未使用过化学农药的珠穆
朗玛峰，其积雪中也有持久性农药六六六被检出［
１－２］
。飘失的农药雾滴进入大气后，可以通过呼吸直接进入人体及其他生物体，或通过干湿沉降落于各处，造成人畜中毒以及靶标区外农作物药害，甚至对整个生态系统的结构和功能造成不可
逆转的破坏［
３］蚀刻因子
。对玉米等单子叶作物田间喷洒除草剂，造成邻近地块豆类、瓜果等作物遭受药害甚至是绝收的事件时有发生。在蚕桑、蜜蜂、水产养殖区周边甚至是数千米之外的农田喷施吡虫啉、毒死蜱、氟虫腈等农药，导致桑蚕、蜜蜂、鱼虾大面积死亡的报道也屡见不鲜。可见在农药的几个污染途径中，飘移污染辐射面最广
［４－５］
，严重影响环境安全、生态安全、
农产品质量安全和国民的身体健康。因此，控制农药飘移一直是施药技术及植物保护机械领域的研究重点
［６－７］
。
雾滴的飘移是一个复杂的物理过程，农药飘移与喷雾参数（雾滴粒径、雾滴释放高度）、气象环境（风速、风向、温度）等因素有关
［８－９］
电子鱼竿
。野外环境因素的多样性与多变性致使
田间的雾滴飘移特性研究复杂困难，试验结果存在较大的不确定性。而在风洞可控环境下，通过对农药喷施现场（田间）近地风场的精确模拟，开展农药雾滴飘移特性试验研究，可避免田间试验研究的诸多弊端
［１０－１１］
。因此，本研究针对风速、
雾滴粒径、雾滴释放高度等３个影响雾滴飘移特性的主要因素，在低速风洞内对飘移雾滴沿顺风方向的水平沉积分布
与垂直沉积分布进行定量测试，研究不同风速、雾滴粒径、雾滴释放高度下的雾滴飘移规律，以期为不同环境因子及喷雾参数下的农药飘移风险评估提供参考，有助于避免因农药飘移造成的非靶标区药害、生态环境污染等问题。１ 材料与方法１．１ 试验材料与设备
低速风洞为直线开式风洞，主要由风洞主体、驱动系统和测量控制系统组成。风洞主体包括气流稳定段、收缩段、试验段、动力段、扩散段等５个部份，其中试验段为有效测试段。该风洞主体总长２
０ｍ，试验段长×宽×高为８．０ｍ×１．２ｍ×１．０ｍ，试验段风速范围为０．５～１０．０ｍ／ｓ，无级可调，气流紊流度≤１％。风洞驱动系统由风机、变频器、变频调速电动机等组成，测量控制系统由控制柜、计算机、传感器（压力、风速、温湿度）、数据采集卡、测控软件、激光粒度分析仪、多光谱像机、流体分析软件等组成。
试验采用的喷头为离心雾化喷头，该喷头的转速与喷雾高度可分别通过低速风洞内的变频调速电机与升降机构进行调控，以获取不同粒径、不同释放高度的雾滴。试验时间为２０１６年１２月，试验地点为农业部南京农业机械化研究所植保工程实验室。１．２ 试验方法
１．２．１ 雾滴飘移量测定试验 试验采用０．２ｇ／Ｌ荧光示踪剂水溶液作为喷雾母液，采用直径为２ｍｍ的聚乙烯线收集飘失的雾滴，用以分析雾滴的飘移量。
试验前，将喷头安装在风洞内的喷雾管路末端，喷雾方向垂直向下。如图１所示，
沿顺风水平方向，在距离地面０．１ｍ的位置以１ｍ的间距分别放置６根收集线，用来收集距离喷头喷口（即雾滴释放口）１～６ｍ范围内飘失的雾滴；在距离喷头喷口１ｍ处的垂直平面内，以０．１ｍ的间距放置５根收集线，用来收集距地面０．１～０．５ｍ范围内飘失的雾滴。收集线距地最小距离设置为０．１ｍ，是为了减少雾滴撞击地面后的反弹与飞溅对收集线的污染，并避免近地风的湍流对试验
结果产生不利影响。同时在风洞的地面覆盖人造草皮以减少雾滴与地面撞击后的反弹与飞溅
［１２］
。
试验时，按照试验设计将风洞试验段内的风速以及喷头喷口的离地高度（即雾滴释放高度）调至试验所需，喷头在设定参数下喷雾１０ｓ，待收集线上的雾滴干燥后逐根收集，并
用超声波洗涤器将收集线上的荧光剂洗脱［
１３］
。采用荧光分光光度计（
ＲＦ－５３０１ＰＣ，岛津公司）测定洗脱液中的荧光剂含量。取３次重复试验的平均值作为最终数据。
１．２．２ 雾滴飘移距离测定试验 试验采用０．２ｇ／Ｌ诱惑红示踪剂水溶液作为喷雾母液，用以分析雾滴的飘移距离。雾滴采样纸卡采用直径为９ｍ
ｍ的滤纸（图２），沿顺风水平方向进行布样。试验前，将喷头安装在风洞内的喷雾管路末端，喷雾方向垂直向下。沿顺风水平方向，在地面以１ｍ的间距固定雾滴采样纸卡，布样长度为６０ｍ，其中０～１８ｍ的采样纸卡布置在风洞内，
１９～６０ｍ的采样纸卡布置在开式风洞外。试验时，按照试验设计将风洞试验段内的风速以及喷头喷口的离地高度（即雾滴释放高度）调至试验所需，喷头在设定参数下喷雾１
０ｓ，待雾滴采样纸卡上的雾滴干燥后进行分析。试验设置３组重复取样点，取３
立方体拼图组数据的平均值作为最终数据。
１．３ 试验设计
在风洞可控环境下，针对风速、雾滴粒径、雾滴释放高度等３
个影响雾滴飘移特性的主要因素，设计不同因素水平的对比试验，定量测试不同因素水平下飘移雾滴沿顺风方向的水平沉积分布与垂直沉积分布，研究不同风速、雾滴粒径、雾滴释放高度下的雾滴飘移规律。具体试验参数如表１所示。１．４ 收集线的飘移指数计算
ｄｉ＝Ｖｉ·Ｃｉ
。（１）
手摇甘蔗榨汁机
式中：ｄｉ代表第ｉ根收集线上示踪剂的沉积量，μｇ；Ｖｉ代表第ｉ根收集线上示踪剂的洗脱液体积，Ｌ；Ｃｉ代表第ｉ根收集线上示踪剂的浓度，μ
ｇ／Ｌ。表１ 试验因素设计
编号风速
（ｍ／ｓ）雾滴粒径
（μｍ）雾滴释放高度
（ｃｍ）
１１５０５０２２１００６０３４
１５０７０４
２００
８０
Ｔ＝Ｖ·Ｃ。
（２）
式中：Ｔ代表喷施示踪剂的总量，μ
ｇ；Ｖ代表示踪剂喷雾体积，Ｌ；Ｃ代表示踪剂浓度，μ
ｇ／Ｌ。Ｓｉ＝ｄｉ
Ｔ
×１００％。（３）
式中：Ｓｉ代表单根收集线沉积量占喷施示踪剂总量的百分
比，即单根收集线的飘移指数。２ 结果与分析
２．１ 雾滴粒径对雾滴飘移特性的影响
将试验喷头固定在离地５０ｃｍ处，在风速为２ｍ／ｓ的条件下，研究不同雾滴粒径（５０、１００、１５０、２００μｍ）对雾滴飘移特性的影响。由图３可知，
在水平方向上，粒径为５０μｍ的雾滴在４ｍ处飘移指数为３
．９％，而粒径为２００μｍ的雾滴在此处的飘移指数仅为０．８％，随着雾滴粒径的增大，雾滴的飘失量明显减少。由图４可知，在垂直方向上，距地面距离越大，收集线上的雾滴越少，且雾滴粒径越大，收集线上的雾滴越少，粒径为５０μｍ的雾滴在０．１ｍ处飘移指数为７．５％，而粒径为２００μｍ的雾滴在此处的飘移指数仅为２．０％
。
２．２ 风速对雾滴飘移特性的影响
将试验喷头固定在离地５０ｃｍ处，在雾滴粒径为１００μｍ条件下，研究不同风速（１、２、４ｍ／ｓ）对雾滴飘移特性的影响。由图５可知，在水平方向上，随着风速的增大，雾滴飘失量呈
明显的递增趋势，当风速为１ｍ／ｓ时，雾滴４ｍ处的飘移指数仅为０．０８％，５、６ｍ处未采集到雾滴；而风速达到４ｍ／ｓ时，４、５、６ｍ处的飘移指数分别为２．８％、１．５％、０．８％。由图６可知，在垂直方向上，任何风速下雾滴在０．１ｍ处的沉积量最
大；风速越高，雾滴沉积量越大，可见增大风速有助于药液在靶标作物上的沉积。适当的风速会增加雾滴在靶标作物上的沉积量，但风速过高会使雾滴产生较大的飘移距离。当风速为４ｍ／ｓ时，雾滴飘移量最大，
飘移距离最远。
２．３ 风速与雾滴粒径交互作用对雾滴飘移特性的影响
通过上述试验可知，风速和雾滴粒径是影响雾滴飘移的重要因素，为探明２种因素对雾滴飘移特性的交互影响，在雾滴粒径为５
０、１００、１５０、２００μｍ等４种条件下，研究不同风速（０．５～４．０ｍ／ｓ）对雾滴飘移特性的影响，其中试验喷头固定在离地５
０ｃｍ处。 由图７可知，随着风速的增大，雾滴飘移距离变远，且粒径小的雾滴更易飘移至远处；当雾滴粒径为２００μｍ时，由于雾滴自身重力的作用，不易受环境风速影响，其飘移曲线较为平缓。因此，风速过大时，不宜进行低量或超低量喷雾，不仅影响防效，还极易造成雾滴大量飘移，对周围非靶标区的生态
环境造成污染。
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２．４ 雾滴释放高度对雾滴飘移特性的影响
综合上述试验结果，在风速为２ｍ／ｓ，雾滴粒径为１００μｍ条件下，研究雾滴释放高度（５０、６０、７０、８０ｃｍ）对雾滴飘移特性的影响。由图８可知，在水平方向上，当雾滴释放高度为５０ｃｍ时，６ｍ处的飘移指数仅为０．０３％，而当雾滴释放高度为８０ｃｍ时，６ｍ处的飘移指数达到３．０％。由图９可知，在垂直方向上，当雾滴释放高度为５０ｃｍ时，０．３ｍ处的飘移指数为５
．０％，而当雾滴释放高度为８０ｃｍ时，０．３ｍ处的飘移指数仅为２．１％。可见随着雾滴释放位置的增高，雾滴在远处的飘移量明显增多，而向下的沉积量明显减少，由此可知，雾滴释放高度是影响药液在靶标作物上沉降的重要因素之一，且喷雾高度过高，会使雾滴更易于向远处飘移。３ 结论
本研究基于低速风洞对温度、湿度、
风场等农田环境因子
的精准模拟，设计了不同试验参数（风速、雾滴粒径、雾滴释放高度）的对比试验，探讨了其对雾滴飘移规律的影响，可
为不同环境因子及喷雾参数下的农药飘移风险评估提供参考，有助于避免因农药飘移造成的非靶标区
药害、生态环境污染等问题。通过研究结果可知，风速、雾滴粒径、雾滴释放高度是影响雾滴飘移的重要因素。在水平方向上，随着雾滴粒径的增大，雾滴的飘失量明显减少；在垂直方向上，距地面的距离越大，收集线上的雾滴越少，且雾滴粒径越大，收集线上的雾滴越少。在顺风水平方向上，随着风速的增大，同一采样点的雾滴飘失量呈明显的递增趋势；在垂直方向上，风速越大，沉积量越大，可见风速增大有助于药液在靶标作物上的沉积。当风速为４ｍ／
ｓ时，雾滴飘移量最多，飘移距离也最远。喷雾作业时，小粒径雾滴的飘移更易受风速影响，低量或超低量喷雾应尽量选择无风时进行作业，或选择合适的助剂以避免远距离飘移。喷雾高度过高，会使雾滴更易于向远处飘移，因此机具作业时喷头应与靶标作物保持合理的喷雾距离，以有效减少雾滴飘移。
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
参考文献：
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付兴兰，安晓飞，张兆国，等．基于单质点法的联合收割机谷物卸粮质量理论建模与分析［Ｊ］．江苏农业科学，２０１８，４６（１１）：２０８－２１１．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１８．１１．０５３
基于单质点法的联合收割机谷物卸粮
质量理论建模与分析
付兴兰１，２，３，安晓飞２，３，４，张兆国１，李晨源１，李立伟２，３，５，于佳杨１
，２，３
（１．昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明６５００００；２．国家农业智能装备工程技术研究中心，北京１０００９７；３．北京农业智能装备技术研究中心，北京１０００９７；４．农业智能装备技术北京市重点实验室，北京１０００９７；
５．农业部农业信息技术重点实验室，北京１０００９７）
摘要：针对目前联合收割机谷物产量计量采用卸粮后人工称量的方式费时费力的难题，在研究了谷物在收割机卸粮螺旋输送器运动规律的基础上，基于单质点法分析谷物在稳定状态时的力学与运动规
律，并考虑到收割机机器振动、背景噪声等因素的影响，提出采用双阈值均值滤波前值取代法进行传感器信号数据预处理。以螺旋输送量推算公式为基础模型，在中联重机ＴＢ６０型谷物联合收割机螺旋输送器上进行了螺旋输送器转速传感器性能试验与单质点谷物卸粮质量模型验证试验，建立分段式的谷物卸粮质量模型。结果表明，双阈值均值滤波前值取代法有效地消除了收割机振动、机身倾斜、背景噪声的影响，计量精度高，经过双阈值均值滤波前值取代法处理后，模型验证误差可以达到３
．９０％，满足实际生产需要。 关键词：单质点法；螺旋输送器；联合收割机；谷物；卸粮质量
中图分类号：Ｏ３１１．１；Ｓ１２９；Ｓ２２５．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０１８）１１－０２０８－０４
收稿日期：２０１６－１２－２３
基金项目：国家重点研发计划（编号：２０１６ＹＦＤ０２００６０５）；国家高技术研究发展计划（编号：２０１３ＡＡ１０２３０８）；北京市农林科学院青年基金（编号：钻机导管
ＱＮＪＪ２０１５２９）。作者简介：付兴兰（１９９１—），女，云南大理人，硕士研究生，主要从事农业信息化技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：１５８１４３３８６１＠ｑｑ．ｃｏｍ。
通信作者：张兆国，教授，主要从事农业装备设计与制造研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｇｕｏｚｈ
ａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。
谷物产量计量是谷物生产管理实施的关键步骤，国内外的研究人员提出了多种产量实时监测方法，如冲量法、光电容
积法、称重法和γ射线法等［
１－４］
。目前系统精度受到收割机田间工况引起的机器振动、机身倾斜、背景噪声等因素的影
响［
５－６］
，因此Ｒｏｂｅｒｔｓ等分别提出双自适应陷波滤波信号处理方法、倾角传感器修正机身倾斜法、加速度传感器测量由于地面凹凸不平等引起的非周期性干扰信号，来自适应补偿谷物
流量传感器的输出，消除外界的干扰［７－１０］
。为了进一步提高
谷物产量计量的精度，李新成等基于冲击式原理提出了一种基于电压／
升运器速度产量模型，比传统的质量－电压模型更能准确表征谷物运动的实际情况，均方根误差为
２．０３％［１１－１２］。
关于螺旋输送器输送量的研究有很多，Ｒｏｂｅｒｔｓ等采用量纲分析法及动力学相似理论，对颗粒涡旋运动建立理论模型，
豫公网安备41160202000603
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