快速斷水型地埋式自升降取水設(shè)備研發(fā)

謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，陳 娟，謝瑞環(huán)

(1.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 100054；3.河海大學(xué)，南京 210098； 4.揚(yáng)州大學(xué)，揚(yáng)州 225000；5.中灌潤茵(北京)節(jié)水灌溉設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 101302)

1 研發(fā)目的

目前灌溉領(lǐng)域，一般采用取水設(shè)備分別與位于地下的輸水管道以及位于地上的灌溉系統(tǒng)連接的方式，例如管灌、噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉系統(tǒng)連接，將輸水管道中的水輸送至灌溉系統(tǒng)中對作物進(jìn)行灌溉。因此提供一種簡單可靠且不影響耕作的取水設(shè)備十分必要。

目前使用廣泛的取水設(shè)備為給水栓[1,2]，該類設(shè)備通常固定在特定位置處并高于地面一定的距離，在田地的正常耕作和收獲時，需要將其拆卸保存并在灌溉時再重新安裝，使用不便且勞動強(qiáng)度高。此外，頻繁的拆卸和安裝容易對立管造成損壞，并造成倉儲的困難?；诖?，中國灌溉排水發(fā)展中心等單位于2013年研制了一種地埋式滴灌專用自動伸縮取水器[3,4]，它可用于滴灌、管灌、噴灌等不同取水需求，解決了傳統(tǒng)給水栓影響耕作、使用不便等問題，但與地面灌溉系統(tǒng)連接時需先切斷水源，才能將三通與伸縮管連接，其使用不便且不利于大面積取水。

因此，亟須研制一種無需斷水就能連接灌溉系統(tǒng)且使用方便的取水設(shè)備，同時還應(yīng)不影響田間的正常耕作和收獲，降低勞動強(qiáng)度。考慮田間可使用環(huán)境以及作物生長可能對升降設(shè)備的影響，所研制的設(shè)備應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單，而作為出水口，只要求能夠頂出地面即可，無需再套用多節(jié)伸縮管，若人為地將簡單的出水口變成復(fù)雜的取水裝置，是沒有意義的。同時必須考慮在多種應(yīng)用條件下的頂出功能，這種頂出不僅應(yīng)在正常的工作壓力之下完成，而且也不能依賴于在土壤松軟狀態(tài)下形成的頂出通道來完成。這樣的取水設(shè)備不僅減少了工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，而且能確保頂出功能長久可靠。因此，必須依靠科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計來完成設(shè)備的研制，確保設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研發(fā)的快速斷水型地埋式自升降取水設(shè)備，包括錐形管1，內(nèi)管2，外管3，固定桿4，空心球5，長三通6，密封蓋7，第一密封圈8，第二密封圈9，如圖1所示。

如圖1所示，錐形管1的錐形端部設(shè)置有出水口11，依靠此孔形成高速水流，切割并液化上層土壤，確保頂出；空心球5的直徑大于內(nèi)管2的管內(nèi)徑，且小于外管3的管內(nèi)徑，空心球5上設(shè)置有穿過球心的通孔51以及與通孔51連通的凹槽52；固定桿4包括桿體41、設(shè)置在桿體41上端的第一擋塊42、設(shè)置在桿體41下端的支架43，第一擋塊42與凹槽52相抵配合；長三通6包括位于下部的下管體61和位于兩側(cè)的側(cè)管體62；內(nèi)管2設(shè)置在外管3的內(nèi)部，且與外管3的上端密封接觸，內(nèi)管2可相對外管3軸向運(yùn)動；空心球5與內(nèi)管2的下端接觸；固定桿4通過支架43固定在外管3的內(nèi)部；固定桿4的桿體41自下而上順次穿過空心球5的通孔51和凹槽52，且通孔51的內(nèi)徑大于桿體41的外徑；外管3的下端與輸水管道連接；長三通6的側(cè)管體62與灌溉系統(tǒng)連接；內(nèi)管2位于地下時，錐形管1設(shè)置在內(nèi)管2的上端，且位于外管3的外部；內(nèi)管2位于地上且取水設(shè)備處于斷水狀態(tài)時，空心球5上的凹槽52與固定桿4上的第一擋塊42相抵配合；內(nèi)管2位于地上且取水設(shè)備處于取水狀態(tài)時，長三通6的下管體61伸入內(nèi)管2的內(nèi)部并與空心球5接觸，空心球5上的凹槽52與固定桿4上的第一擋塊42脫離。

圖1 快速斷水型地埋式自升降取水設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作過程 1-錐形管；11-出水口；2-內(nèi)管；21-第二擋塊；3-外管；4-固定桿；41-桿體；42-第一擋塊；43-支架；5-空心球； 51-通孔；52-凹槽；6-長三通；61-下管體；62-側(cè)管體；7-密封蓋；8-第一密封圈；9-第二密封圈

其中，取水設(shè)備還包括密封裝置，通過密封裝置使內(nèi)管2與外管3的上端密封接觸，密封裝置為相配合的第一密封圈8和密封蓋7，取水設(shè)備還包括第二密封圈9，第二密封圈9設(shè)置在長三通6的下管體61與內(nèi)管2上端的連接處，通過螺紋連接使錐形管1設(shè)置在內(nèi)管2的上端，內(nèi)管2還包括第二擋塊21，第二擋塊21設(shè)置在內(nèi)管2下端相對的側(cè)部，用于防止內(nèi)管2滑出外管3；支架43為十字型支架，十字型支架包括4個長度相同的支撐臂，4個支撐臂的端部均設(shè)置在外管3下端的內(nèi)部側(cè)壁上，4個支撐臂的連接點(diǎn)與桿體41的下端連接；通孔51的內(nèi)徑與桿體41的外徑的長度比為1.3-2:1；空心球5材質(zhì)為聚丙烯、聚乙烯或聚偏氟乙烯。

由此可知，依靠錐形管及其出水口形成的高速水流是保證本設(shè)備具備地埋鉆土功能的關(guān)鍵技術(shù)，而空心球則是實(shí)現(xiàn)自斷水功能的關(guān)鍵設(shè)施。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

快速斷水型地埋式自升降取水設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：一是本設(shè)備升起后自斷水源，無需關(guān)泵，方便三通等設(shè)備的連接；二是本設(shè)備在非灌溉狀態(tài)時埋于地下，不會影響田地的正常耕作以及其他農(nóng)事活動；三是大大減輕了勞動強(qiáng)度，降低了灌溉成本；四是結(jié)構(gòu)上只考慮頂出地面，只需一級伸縮管，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本，運(yùn)行可靠。

3 工作原理

快速斷水型地埋式自升降取水設(shè)備在非灌溉狀態(tài)時埋于地下，不會影響耕作。而在灌溉狀態(tài)時，通過空心球上的凹槽與固定桿上的第一擋塊相抵配合，使該狀態(tài)下的空心球成為上下不連通的阻擋件，進(jìn)而阻斷內(nèi)管與外管之間的水流通道，從而在無需切斷水源的情況下即可將錐形管從內(nèi)管的上端拆卸并使長三通的下管體伸入內(nèi)管的內(nèi)部，具有自斷水功能。通過長三通推動空心球使其上的凹槽脫離第一擋塊，從而使本取水設(shè)備恢復(fù)取水功能，實(shí)現(xiàn)田間灌溉。

在非灌溉狀態(tài)時，本取水設(shè)備埋于地下特定深度處，例如位于地下0.3～0.4 m處，以避免影響地上正常耕作及其他農(nóng)事活動。

在灌溉狀態(tài)時，由于外管3下端與地下的輸水管道相連接，輸水管道中的水進(jìn)入外管3，并頂托空心球5驅(qū)動內(nèi)管2在外管3內(nèi)沿固定桿4向上運(yùn)動。由于通孔51的內(nèi)徑大于桿體41的外徑，此時水流在頂托空心球5向上運(yùn)動的同時，部分水流將通過通孔51進(jìn)入內(nèi)管2，并從設(shè)置在錐形管1錐形端部的出水口11射出，形成高速水流。該高速水流具有沖擊并切割上部土壤的能力，使得錐形管1上部的土壤被該高速水流切割并沖出地表，進(jìn)而使向上運(yùn)動的錐形管1乃至部分內(nèi)管2暴露于地表。如圖1(b)所示，待空心球5向上運(yùn)動至其上的凹槽52與第一擋塊42相抵配合接觸時，內(nèi)管2停止運(yùn)動，且通過此狀態(tài)下的空心球?qū)?nèi)管2與外管3隔開，水流將無法由外管3進(jìn)入內(nèi)管2，進(jìn)而無水流從錐形管1的出水口11射出，此時本取水設(shè)備處于斷水狀態(tài)。

在如圖1(b)所示的斷水狀態(tài)下，進(jìn)一步地如圖1(c)所示，將錐形管從內(nèi)管2的上端拆卸下來，使長三通6的下管體61伸入內(nèi)管2內(nèi)部并推動空心球5向下運(yùn)動，直至空心球5上的凹槽52脫離第一擋塊42。此時，內(nèi)管2與外管3處于相連通的狀態(tài)，水流將重新進(jìn)入內(nèi)管2并通過內(nèi)管2進(jìn)入長三通6，此時該取水設(shè)備處于取水狀態(tài)，取水設(shè)備自動恢復(fù)了取水功能。將長三通6的側(cè)管體62與位于地上的灌溉系統(tǒng)連接，水流通過長三通6的下管體61分配到側(cè)管體62并進(jìn)入灌溉系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)田間灌溉。

當(dāng)灌溉結(jié)束后，將長三通6從內(nèi)管2中拆下，再次將錐形管1安裝到內(nèi)管2的上端，并借助較小的外力將內(nèi)管2壓回至外管3內(nèi)部，此時本取水設(shè)備將重新位于地下，恢復(fù)至非灌溉狀態(tài)。

由上述工作過程可知，本取水設(shè)備在非灌溉狀態(tài)時位于地下，不會影響田地的正常耕作以及其他農(nóng)事活動。而在灌溉狀態(tài)時，本發(fā)取水設(shè)備恢復(fù)取水功能，實(shí)現(xiàn)田間灌溉?？梢?，本取水設(shè)備不僅使用方便，且不會影響正常耕作，不會對輸水管道上的立管造成破壞。如此一來，大大減輕了勞動強(qiáng)度且降低了灌溉成本。

4 技術(shù)規(guī)格及設(shè)備安裝

地埋式自動升起型取水設(shè)備的技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1。本設(shè)備安裝較為方便，一般安裝在地表以下0.35～0.4 m，安裝前先確定所需控制的灌溉面積(一套設(shè)備控制20畝為宜)。

表1 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格參數(shù)

本設(shè)備的安裝過程及方法詳見參考文獻(xiàn)[3]、[4]。

經(jīng)檢測，本產(chǎn)品達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22999的要求，其中取水器的整體密封性能：泄漏量不大于試驗壓力下出水流量的1%；鉆土器錐形管接口密封性：泄漏量不大于設(shè)計流量的0.25%；耐壓性能：在2倍最大工作壓力下保持1h，不出現(xiàn)損傷，密封部位無泄漏；工作壓力：0.1～0.4 MPa。

目前，本設(shè)備已在浙江、河北等地進(jìn)行了推廣應(yīng)用，受到了用戶的認(rèn)可，市場前景十分廣闊。

5 結(jié) 語

本設(shè)備已取得國家授權(quán)專利，可廣泛應(yīng)用于滴灌、管灌、噴灌等取水需求。與傳統(tǒng)取水設(shè)備相比，本取水設(shè)備連接地面灌溉系統(tǒng)時無需斷水，使用方便，有利于大面積取水需求。由于設(shè)備安裝在耕作層以下，不會影響正常耕作及其他農(nóng)事活動，不會對輸水管道上的立管造成破壞。更由于其結(jié)構(gòu)簡單，單一的伸縮管大大提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。減輕了勞動強(qiáng)度且降低了灌溉成本。

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

[2] 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.

[3] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動升起型取水設(shè)備研發(fā)[J]. 節(jié)水灌溉,2014,(6):75-77,81.

[4] 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.

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

[6] 王留運(yùn),姚宛艷,韓 棟,等. 我國微灌企業(yè)和設(shè)備產(chǎn)品存在的問題及整改舉措建議[J]. 節(jié)水灌溉,2008,(7):46-48.

[7] 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.