淺析地埋式自動伸縮噴滴灌系統(tǒng)的技術(shù)特點

朱海燕

（甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州730000）

1 前言

高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)通常包括水源工程、首部樞紐、地埋管網(wǎng)、地面設備四部分。由于地面設備（如噴頭及支架、給水栓或其保護裝置）位于田間地表，農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時容易造成刮碰損壞。雖然可以通過提高農(nóng)機駕駛員的技術(shù)水平或者采用移動式地面設備避免機械耕作帶來的不便，但因此也增加了勞動成本［1-2］。為解決上述問題，中國灌溉排水發(fā)展中心與中灌潤茵（北京）節(jié)水灌溉設備有限責任公司等聯(lián)合研發(fā)了便于機耕、節(jié)能、省工的地埋式自動伸縮噴滴灌設備，為破解高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)地面設備影響機耕作業(yè)問題提供了新的技術(shù)解決方案。地埋式自動伸縮噴滴灌設備主要由套管、伸縮管、鉆土器（或噴頭）三部分組成，根據(jù)應用范圍不同，具體可分為：地埋式自動伸縮取水器（SD-01/SD-02）和地埋式自動伸縮一體化噴灌設備（SD-03/SD-04）兩種類型［1，3］，設備性能及質(zhì)量標準均已達到了國家標準GB/T 22999的要求。本文系統(tǒng)總結(jié)了地埋式自動伸縮噴滴灌系統(tǒng)的技術(shù)特點，以期更好地服務于工程實踐。

2 工作原理介紹

地埋式自動伸縮噴滴灌設備灌溉間歇期多埋于耕作層以下。開始灌溉時鉆土器（或噴頭）頂端的出水口開始形成射流，隨著鉆土器（或噴頭）頂端周圍土體含水率逐漸增加，抗剪強度迅速由0.7 MPa下降至0.15 MPa以下；同時，鉆土器（或噴頭）在灌溉系統(tǒng)內(nèi)水壓力作用下，對上部土體產(chǎn)生向上的頂推力。當鉆土器（或噴頭）所受阻力（主要包括剪切力和摩擦力）逐漸下降，達到頂推力時，土體結(jié)構(gòu)開始破壞，鉆土器（或噴頭）開始向上運動，實現(xiàn)破土出地（圖1）［1］。

鉆土器（或噴頭）破土的過程可用以下三個力學狀態(tài)公式來表示：

①靜止狀態(tài)：W＜T+G+f

②臨界狀態(tài)：W=T+G+f

③運動狀態(tài)：W＞T+G+f

式中：W為伸縮管向上的有效頂推力；T為伸縮管周圍土體的剪切力；G為鉆土器（或噴頭）頂部土體的重力；f為伸縮管周圍土體產(chǎn)生的摩擦力。

圖1 鉆土器（或噴頭）頂出原理示意圖

3 工作流程

地埋式自動伸縮噴滴灌設備工作過程包括：初始、上升、工作、回縮［4-7］四個階段。具體為：

①初始階段：伸縮管及噴頭處于完全回縮狀態(tài)，設備全部埋于耕作層以下。裝置開始充水，在灌溉系統(tǒng)內(nèi)水壓力作用下，鉆土器（或噴頭）頂端開始噴射高壓水流。水流濕潤、沖切鉆土器（或噴頭）頂部周圍土體，土體結(jié)構(gòu)隨之逐漸破壞，抗剪強度迅速下降。

②上升階段：隨著土體軟化，裝置達到力學臨界狀態(tài)，鉆土器（或噴頭）開始向上運動，持續(xù)上升直至露出地面時停止上升。此時，對于地埋式自動伸縮取水器（SD-01和SD-02）本階段結(jié)束；對于地埋式自動伸縮一體化噴灌設備（SD-03和SD-04），升降式噴頭在內(nèi)水壓力作用下繼續(xù)上升并伸出伸縮管外，噴頭頂端的噴嘴逐漸調(diào)整向四周散射。

圖2 地埋式噴滴灌裝置不同工作狀態(tài)

③工作階段：對于地埋式自動伸縮取水器（SD-01和SD-02），摘除鉆土器，安裝高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)連接裝置，實現(xiàn)田間取水。對于地埋式自動伸縮一體化噴灌設備（SD-03和SD-04），噴頭鉆出地面后逐漸上升至最大行程時停止上升，噴頭射程逐步增大直至噴灑半徑，開始進行正常工作。

④回縮階段：單次灌水完成后，取下三通出水口并安裝鉆土器（僅限于地埋式自動伸縮取水器），打開支管末端排水閥，在外力（人工按壓）或反向內(nèi)水壓力作用下，伸縮管緩慢下降，直至全部縮回套管，裝置恢復到初始狀態(tài)。

4 系統(tǒng)類型及技術(shù)特點

（1）產(chǎn)品性能及質(zhì)量標準

本產(chǎn)品全系列（SD-01、SD-02、SD-03、SD-04）性能及質(zhì)量標準見表1。

表1 地埋式自動伸縮噴滴灌設備技術(shù)規(guī)格參數(shù)

SD-01、SD-02系列產(chǎn)品，取水器和鉆土器密封性：滲漏量分別不大于設計流量的1%和0.25%；耐壓性能：在2倍的最大工作壓力下，零部件保持1 h不損壞，密封處滲漏量小于規(guī)定值；工作壓力：0.1 MPa～0.4 MPa。

SD-03、SD-04系列產(chǎn)品，噴頭和接口密封性：泄漏量分別不大于設計流量的2%和0.25%；耐壓性能：在2倍的最大工作壓力下，零部件保持1 h不損壞，密封處滲漏量小于規(guī)定值；噴灑半徑：誤差不大于±5%；噴頭流量：誤差不大于±5%；水量分布特性：符合GB/T 19795.1規(guī)定；壓力流量關系：流量隨壓力波動變化不大，根據(jù)實測點擬合經(jīng)驗公式Q=0.0537H0.5488（相關系數(shù)r=0.9989）；旋轉(zhuǎn)均勻性：誤差不超過±12%；工作壓力：0.2 MPa～0.4 MPa。

（2）系統(tǒng)類型及技術(shù)特點

根據(jù)伸縮管回縮方式，地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)可分為：雙管路地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)、單管路地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)、單管路地埋式自升人降噴灌系統(tǒng)三種類型。各類型系統(tǒng)優(yōu)缺點如下：

Ⅰ型雙管路地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)：系統(tǒng)支管采用雙管路布置，即一條支管平行配套一條輔助管，每條管道進出口均設一組閥門。噴頭回縮時，通過調(diào)整閥門組的開關組合便能夠調(diào)整水壓方向，在反向內(nèi)水壓力作用下伸縮管縮回套管內(nèi)。該類型系統(tǒng)可實現(xiàn)自動升降，自動化程度高，運行便利；但由于增加了一條輔助管，工程造價較高，與單管路地埋式自升人降噴灌系統(tǒng)相比，造價約高出50%～80%。

Ⅱ型單管路地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)：系統(tǒng)管網(wǎng)布置與傳統(tǒng)固定管道式噴灌系統(tǒng)類似。系統(tǒng)首部或干管分水處增設負壓泵。灌溉結(jié)束時，開啟負壓泵，依靠負壓將噴頭回縮地下。該類型系統(tǒng)可實現(xiàn)自動升降，運行便利；工程造價適中，與單管路地埋式自升人降噴灌系統(tǒng)相比，造價約高出5%～15%；但在噴頭回縮時，系統(tǒng)受負壓影響，大管徑（或環(huán)剛度較低）管道存在吸扁破壞的風險。

Ⅲ型單管路地埋式自升人降噴灌系統(tǒng)：系統(tǒng)管網(wǎng)布置與傳統(tǒng)固定管道式噴灌系統(tǒng)類似。噴頭依靠內(nèi)水壓力鉆出地面，人工按壓縮回地下。該類型系統(tǒng)無需其他輔助設備，結(jié)構(gòu)型式最簡單、可靠性最好，工程造價最省；但由于需要人工回縮，對于需要頻繁農(nóng)機作業(yè)的作物，人工勞動強度相對較大。

表2 地埋式自動伸縮一體化噴灌系統(tǒng)布設類型、工作原理及優(yōu)缺點分析

圖3 地埋式自自動伸縮一體化噴灌系統(tǒng)布設類型示意圖

5 結(jié)語

（1）地埋式自動伸縮噴滴灌設備專利產(chǎn)品包括：地埋式自動伸縮取水器和地埋式自動伸縮一體化噴灌設備兩種類型，性能及質(zhì)量標準均達到了國家標準GB/T 22999的要求。

（2）與傳統(tǒng)噴頭（給水栓）相比，噴頭（給水栓）等地面設備僅在灌溉期升出地面實施灌溉作業(yè)。灌溉完成后縮回地下，有效解決了高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)地面設備與農(nóng)機作業(yè)相互干擾的問題。

（3）根據(jù)伸縮管回縮的方式，地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)可分為：Ⅰ型雙管路地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)、Ⅱ型單管路地埋式自動伸縮噴灌系統(tǒng)、Ⅲ型單管路地埋式自升人降噴灌系統(tǒng)三種類型。各類型均有其適用范圍，Ⅰ型系統(tǒng)依靠輔助管反向內(nèi)水壓力回收噴頭，造價最高，可配套自控系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守灌溉；Ⅱ型系統(tǒng)利用負壓泵產(chǎn)生的負壓回收噴頭，造價適中，但對系統(tǒng)管網(wǎng)及設備密封性要求較高；Ⅲ型系統(tǒng)依靠人工按壓回收噴頭，造價最低，可用于糧食等經(jīng)濟效益一般的作物種植區(qū)。