水资源短缺和能源短缺日益加剧。降低喷灌系统工作压力,发展低压喷灌是农业绿色发展的重要途径。与传统喷灌相比,低压喷灌系统喷头的水力性能、水滴特征、灌水均匀度及灌溉强度等都发生显著变化,喷洒水分土壤入渗运移过程、土壤水分分布特征、作物生长水分利用机制等都需要进行探索和突破。为此,本文以节水节能为目标,以低压喷灌水分多过程运动为主线,综合利用室内试验、数值模拟和理论分析等方法,阐明了低压喷灌水滴特征及水量、动能分布规律,揭示了低压喷灌土壤水分入渗过程及土壤水分运动特性,构建了低压喷灌系统均匀度计算模型,探讨了低压喷灌均匀度对作物产量的影响机制,确定了低压喷灌系统均匀度的合理取值范围。主要内容及创新点如下:（1）研究了工作压力和喷头结构等参数对低压喷头喷洒水滴特征的影响。以移动式喷灌机中常用的低压折射式喷头（圆形喷嘴）和固定式喷灌系统中常用的低压旋转阻尼喷头（圆形和异形喷嘴）为研究对象,利用2DVD雨滴谱仪测试了喷头喷洒水滴的直径、速度等参数,计算得到喷头单位体积水滴动能分布情况。结果显示,随着喷头工作压力的降低,喷洒水滴的直径增大,水滴直径与喷嘴直径成正比;水滴速度和水滴直径呈对数函数关系。喷头工作压力和流量相同时,旋转式喷头圆形喷嘴的水滴直径是异形喷嘴（不规则形状）的1.01-1.90倍;喷盘流道尺寸较大（流道边缘深度为3.5 mm）的折射式喷头的水滴直径是喷盘流道尺寸较小（流道边缘深度为1.2 mm）喷头的1.15–2.24倍。低压下,水滴直径较大、水滴速度较大,导致了单位体积水滴动能较大。（2）研究了工作压力和喷头结构对喷灌水量和动能分布的影响。开展了低压折射式喷头和旋转阻尼喷头的水量喷洒试验,并结合水滴直径等参数计算得到了喷头的动能强度。结果显示在200 k Pa的低压下,旋转式喷头圆形喷嘴的峰值喷灌强度和动能强度分别是异形喷嘴的1.76–1.93倍和1.11–1.80倍。提出了一种针对平移式喷灌系统的折射式喷头移动喷洒累积水深和动能的计算模型,两种喷头的计算值与实测值的偏差分别为5.52%和20.0%。评估了压力和组合间距对喷灌均匀度的影响。对于移动式喷灌系统,在喷头间距为1 m时,喷盘流道尺寸较大（流道边缘深度为3.5 mm）和喷盘流道尺寸较小（流道边缘深度为1.2 mm）的折射式喷头的行喷均匀度分别为69.6%–99.2%、85.5%–99.6%。对于固定式喷灌系统,在喷头间距小于11 m时,圆形喷嘴在大于250 k Pa、异形喷嘴在大于150 k Pa的工作压力下,组合喷灌均匀度均大于80%。考虑喷头水力性能,旋转式喷头圆形喷嘴的工作压力不宜低于250 k Pa,异形喷嘴的工作压力不宜低于150 k Pa。（3）探明了低压喷灌水滴动能、喷灌强度对表层土壤水力及物理特征的影响规律。针对低压喷灌水滴动能较大的问题,开展了室内土柱试验,分析了不同喷灌强度和水滴动能下,地表径流发生、土壤侵蚀过程及表土板结的变化。结果显示,地表径流发生时间、径流发生前的累积入渗水深,与喷灌强度、动能强度、单位面积动能呈负指数幂函数关系。当动能强度大于0.4 W/m~2时,灌水后,地表迅速产生径流,此时最终径流速率约为喷灌强度的80%。土壤水分入渗速率与单位面积动能、动能强度呈负相关。累积土壤流失量与动能强度、喷灌强度、单位面积动能呈幂函数关系。灌水结束后的地表结皮容重与动能强度、单位面积动能呈正相关。考虑土壤水分入渗速率及径流损失,以粉黏壤土为例,低压喷灌条件下,喷头的喷灌强度不应大于60 mm/h,动能强度不应高于0.2 W/m~2。（4）建立了喷灌条件下土壤水分运动模型,阐明了低压喷灌条件下土壤水分运动特征。针对低压喷灌水量分布均匀性差的问题,研究了土壤含水率分布均匀性对喷灌均匀度的响应规律。采用COMSOL软件数值模拟与试验研究相结合的方法,探明了喷灌条件下3种典型土壤（黏壤土、壤土、砂土）中土壤水分的运动特性。结果表明土壤质地和初始含水率对土壤水分运动影响显著,灌水结束至结束后24 h,土壤水分运动剧烈,随后土壤水分运动变缓。土壤水分具有再分布特性,喷灌均匀度为40.74%时,土壤含水率均匀度大于87%。建立了喷灌均匀度、土壤含水率均匀度与土壤质地（土壤粒径分级）之间的数学关系。考虑低压喷灌下土壤水分运动特征,R33LP喷头的工作压力不应低于150 k Pa,当工作压力为100 k Pa时,喷灌均匀度低至40%,在壤砂土中极易发生深层渗漏等问题。（5）提出了低压喷灌系统均匀度计算方法,构建了喷灌系统有限元水力计算模型。基于谐波分析法,提出了一种描述单喷头水量分布的函数模型,建立了工作压力、喷嘴直径与模型系数间的关系。通过引入衡量作物根系交错和喷头组合喷洒效应的权重系数,建立了多喷头组合喷洒均匀度的推导模型。结合喷灌系统有限元水力计算模型,分析了喷灌系统技术参数对系统能量损失、喷头工作压力和系统均匀度的影响。结果显示三角函数模型可以有效预测单喷头的水量分布;权重系数可有效预测多喷头组合喷灌均匀度。入口工作压力、喷嘴直径、喷头间距和喷灌系统管径对移动式喷灌系统组合喷灌均匀度的影响显著。（6）建立了喷灌均匀度与玉米产量的关系,提出了低压喷灌均匀度的合理取值范围。基于作物水分生产函数,建立了作物产量估算模型,以典型作物玉米为例,分析了不同灌水量和降雨量条件下喷灌均匀度对产量的影响。结果显示随着喷灌灌水量的增大,灌水不均匀造成的作物减产的程度增大;降雨量越大,喷灌均匀度对产量的影响越小。在综合考虑作物产量和喷灌系统总费用的前提下,分析了喷灌技术参数对系统产投比和均匀度的影响。结果显示喷头个数、间距、管径对系统投资费用影响较大;系统入口压力对运行费用影响较大;喷头间距对系统投资、运行费和水费均有较大影响。随着喷灌均匀度的提高,系统产投比先升高后降低。对于喷嘴直径为1.79、4.76、7.94 mm的折射式喷头,其设计均匀度阈值范围分别为:0.81–0.89、0.83–0.92和0.85–0.95。