雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備研發(fā)

謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，陳 娟，謝瑞環(huán)(.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 000；.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 000；.河海大學(xué)，南京 0098；.揚州大學(xué)，江蘇 揚州 000；.中灌潤茵(北京)節(jié)水灌溉設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 00)

1 研發(fā)目的

噴灌技術(shù)是一種農(nóng)田高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1,2]，其能夠使水噴灑均勻且能夠減輕人工勞動強度，在當(dāng)今農(nóng)事作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[3,4]。而噴灌裝置作為其中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與安放位置十分重要。為了解決傳統(tǒng)噴灌設(shè)備影響田間的正常耕作或收割等農(nóng)事作業(yè)的問題，地埋式自升降的噴灌裝置[5,6]應(yīng)運而生。但現(xiàn)有地埋式自升降噴灌裝置在安裝時需要依靠人工或機械來開挖安裝點上的土壤，這不僅使噴灌系統(tǒng)成本，特別是安裝成本較高，而且安裝質(zhì)量較難控制。同時，現(xiàn)有技術(shù)提供的噴灌裝置在單套供水系統(tǒng)的情況下只能實現(xiàn)自動升起，無法實現(xiàn)自動下降，在非灌溉季節(jié)需要依靠外力才能將其回縮至耕作層以下，無法實現(xiàn)全自動升起和下降，在勞動力特別緊缺和頻繁需要升降的情況下，其實際應(yīng)用受到一定限制。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，亟須研制一種施工挖方量小、穩(wěn)定可靠，并且依靠單套供水系統(tǒng)可進行自升降的噴灌裝置，該設(shè)備是現(xiàn)有地埋式自升降噴灌設(shè)備半自動和全自動的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

2 設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研發(fā)的雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備，包括地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭、內(nèi)管、外管、止球器、球體、支撐環(huán)、鉆頭，如圖1所示。

由圖1(a)可知，旋轉(zhuǎn)式噴頭的頂部設(shè)置有出水口；內(nèi)管的外徑小于外管的內(nèi)徑；外管的上部側(cè)壁上設(shè)置有進水/出水口，進水/出水口與輸水管道連接；止球器為圓盤，圓盤上設(shè)置有用于水流通過的通孔，通孔的個數(shù)至少為1個，通孔的孔徑以及支撐環(huán)的內(nèi)徑均小于球體的球徑； 支撐環(huán)為橡膠圓環(huán)；球體為圓球體或橢球體，球體為空心鋁球；鉆頭包括鉆桿和鉆頭本體，鉆桿的端部分別與外管的下端以及鉆頭本體連接，鉆桿上設(shè)置有螺旋狀排屑槽。

地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭設(shè)置在內(nèi)管的上端，且位于外管的外部；內(nèi)管套裝在外管的內(nèi)部，內(nèi)管與外管的上端密封接觸，且可相對外管軸向運動；止球器設(shè)置在內(nèi)管上端，且位于地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭的下方；球體設(shè)置在內(nèi)管的內(nèi)部，且可在支撐環(huán)與止球器之間軸向運動；支撐環(huán)設(shè)置在內(nèi)管的下端，且與內(nèi)管的側(cè)壁緊密接觸，形成內(nèi)管的底部；鉆頭設(shè)置在外管的下端；密封件蓋裝在內(nèi)管與外管上端的連接處；刮土器設(shè)置在密封件的上方；支撐臺設(shè)置在內(nèi)管下端相對的側(cè)部，呈對稱的楔形布置，通過支撐臺，支撐環(huán)與內(nèi)管的側(cè)壁緊密接觸。

1-地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭；11-出水口；2-內(nèi)管；3-外管；31-進水/出水口；4-止球器；5-球體；6-支撐環(huán)；7-鉆頭；8-密封件；9-刮土器；10-支撐臺圖1 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

由此可知，鉆頭和地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭及其出水口解決了設(shè)備的雙向鉆土問題，即“上鉆出地”、“下鉆安裝”，大大提高了安裝質(zhì)量。設(shè)計的球體是解決單管自升降問題的關(guān)鍵技術(shù)。通過單套管路實現(xiàn)自升降，大幅度節(jié)約公頃平均投資。雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備是地埋式自動升降型一體化噴灌設(shè)備的升級換代產(chǎn)品。

2.2 技術(shù)特點

雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備的優(yōu)點：一是本設(shè)備依靠自帶的下鉆頭直接入地到位安裝，無需因為安裝設(shè)備額外開挖，減少土壤的擾動，當(dāng)然，本設(shè)備也可以事先打孔安裝，其下鉆頭能夠方便地保證設(shè)備的穩(wěn)定性和垂直度等；二是本設(shè)備依靠負(fù)壓將伸縮管吸回耕作層以下，單純一套供水管道即可實現(xiàn)自動上下，節(jié)約了一套輔管系統(tǒng)，降低了成本；三是本設(shè)備為地埋式自升降，不影響耕作及其他農(nóng)事活動。

3 工作原理

本設(shè)備通過在外管下端設(shè)置鉆頭，能夠在進行安裝時依靠外力旋轉(zhuǎn)該噴灌裝置帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，使其邊切割土壤邊向下運動，直至該噴灌裝置下行到地下的指定安裝位置。可見，本裝置無需人工或機械開挖安裝點上的土壤，其通過自鉆進入地下，并保持在非灌溉狀態(tài)時位于地下，不僅顯著提高了安裝質(zhì)量及安裝效率，且避免了對土層造成擾動以及對地上正常耕作及其他農(nóng)事作業(yè)造成影響。

由圖1(a)可知，在非灌溉狀態(tài)時，內(nèi)管位于外管內(nèi)部，且由于內(nèi)管外徑小于外管內(nèi)徑，內(nèi)管和外管之間留有用于水流通過的空隙。此時，球體位于內(nèi)管下端的支撐環(huán)上?？梢岳斫獾氖?，支撐環(huán)的側(cè)部與內(nèi)管的側(cè)壁緊密接觸，以使支撐環(huán)與內(nèi)管接觸的部分處于密封狀態(tài)。而支撐環(huán)的中間環(huán)狀部分為圓孔狀，此時，由于球體的球徑大于支撐環(huán)的環(huán)內(nèi)徑，球體將位于該支撐環(huán)的內(nèi)環(huán)處，并與支撐環(huán)一起形成密封的整體。

由圖1(b)可知，在灌溉狀態(tài)時來自輸水管道的有壓水流由外管上的進水/出水口進入外管內(nèi)，并在內(nèi)管下端推動球體，使球體離開支撐環(huán)在內(nèi)管的內(nèi)部向上運動，直至被止球器阻擋并?？吭谥骨蚱鞯南露?。與此同時，有壓水流進入內(nèi)管并推動內(nèi)管和地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭向上運動。在此過程中，有壓水流進入地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭中并由其頂部的出水口噴出，形成高速水流。該地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭通過旋轉(zhuǎn)可以向上鉆土，且該高速水流具有沖擊并切割上部土壤的能力，如此作用下，更利于內(nèi)管和地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭在地下向上運動，直至暴露于地表，進行灌溉作業(yè)。

由圖1(c)可知，當(dāng)灌溉結(jié)束時輸水管道停止供水，球體將在自身重力作用下回落至內(nèi)管下端的支撐環(huán)上，與此同時，內(nèi)管中的水也隨之流回至外管。然后將外管中的水經(jīng)進水/出水口排出，此時，由于球體下端與支撐環(huán)密封接觸，將隔絕空氣進入外管內(nèi)部，從而使外管與外界形成氣壓差。該氣壓差將促使內(nèi)管向下運動，直至完全下降至外管內(nèi)部，恢復(fù)至非灌溉狀態(tài)時的地埋狀態(tài)。

由上述工作過程可知，本設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)向上鉆土及向下鉆土的雙向鉆土功能，利于提高安裝效率，減少對土層的擾動；在非灌溉狀態(tài)時埋于地下，不會影響地上的正常農(nóng)事作業(yè)；灌溉狀態(tài)時自動升起頂出地面到設(shè)計高度，完成灌溉作業(yè)。設(shè)備依靠單套供水系統(tǒng)即可進行自升降，有效提高了安裝效率、耕作效率和噴灌效率，大大降低了勞動強度及勞動成本。

4 技術(shù)規(guī)格

本設(shè)備的技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1，噴嘴規(guī)格、射程和流量等均可根據(jù)設(shè)計需要靈活選用。

圖2為雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備產(chǎn)品圖。經(jīng)檢測，本產(chǎn)品達到了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22999的要求，其中管道耐水壓性能：常溫條件下，噴頭保持2倍的最大工作壓力(即0.5 MPa)保持壓力1 h；管道及其零部件能承受試驗壓力而不損壞，噴體及其連接部位不出現(xiàn)泄漏，并且噴頭不與連接件脫開；升降性能：常溫條件下，噴頭在規(guī)定試驗壓力下(0.3 MPa)升出地面的時間≤10 s，斷水后噴頭回縮地下的時間≤60 s；有效噴灑半徑：有效噴灑半徑12～15 m，其偏差不大于±5%；噴頭流量：在規(guī)定試驗壓力(0.3 MPa)下噴頭流量的變化量不大于±5%；轉(zhuǎn)動速度均勻性：噴頭旋轉(zhuǎn)1/4圈所需的平均時間，相對于平均值的極限偏差率不大于士12%；轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性：將噴頭旋轉(zhuǎn)軸線偏離垂直線10°，在整個工作壓力范圍內(nèi)，噴頭能始終正常工作；啟動壓力：0.2 MPa。

表1 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備技術(shù)規(guī)格參數(shù)

圖2 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備產(chǎn)品圖

5 設(shè)備安裝

本設(shè)備安裝較為方便，一般安裝在地表以下0.35～0.40 m，具體埋深應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)馗鲗由疃鹊纫蛩貋泶_定，管道的埋深根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和施工條件來確定。安裝示意圖見圖3。

圖3 產(chǎn)品安裝示意圖

具體施工過程：在田塊中確定管網(wǎng)布置線路及設(shè)備安裝位置，利用人工或機械方式在選定線路上開挖出管網(wǎng)鋪設(shè)溝渠，深度應(yīng)達到設(shè)計要求；之后鋪設(shè)輸水管道，并在設(shè)計位置利用設(shè)備自帶的旋轉(zhuǎn)鉆頭向下鉆土安裝本設(shè)備，將進/出水口與輸水管道相連；最后，回填開挖出來的土壤直至填平，安裝完成。

如果地塊中已布設(shè)有輸水管網(wǎng)，可根據(jù)地形地勢和配水管道位置進行改造設(shè)計，確定設(shè)備安裝位置，用人工或機械方式開挖安裝點上的土壤直至露出輸水管道；之后進行本設(shè)備的安裝和土壤回填，此安裝程序與前面相同。

圖4為現(xiàn)場安裝施工，圖5為正常工作狀態(tài)。目前已在河

圖4 現(xiàn)場施工

圖5 正常工作

南、河北、北京、浙江等地使用推廣多達666.667 hm2，取得了較好的使用效果，得到了群眾的認(rèn)可。

6 結(jié) 語

雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備已取得國家授權(quán)專利，依靠本身的下鉆頭直接入地到位安裝，無需因為安裝設(shè)備額外開挖，減少了對土層的擾動，提高了安裝效率。在非灌溉時自動回縮至地下耕作層以下，灌溉時自動升起至設(shè)計高度，節(jié)約了一套管道系統(tǒng)，降低了成本，提高了灌溉效率，是地埋式自動升降型一體化噴灌設(shè)備的升級換代產(chǎn)品。

[1] 水利部農(nóng)村水利司，中國灌溉排水發(fā)展中心. 噴灌工程技術(shù)[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012.

[2] 李彩鳳,陳建中. 我國噴灌的發(fā)展概況和應(yīng)重視的問題[J]. 水利科技與經(jīng)濟,2008,(2):159-160.

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[4] 馬有國,燕在華,李長城. 灌溉取水口位置選擇時應(yīng)注意的幾個問題[J]. 節(jié)水灌溉,2001,(2)：17-18.

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[6] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動升降型一體化噴灌設(shè)備研發(fā)[J]. 節(jié)水灌溉,2014,(7):75-78,82.