田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)研究

李浩菲，崔晨旭，戴雪冰，胡晶晶，劉力華，王春堂

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安 271018；2.山東泰安建筑工程集團(tuán)有限公司，山東泰安 271018）

現(xiàn)階段，我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人類(lèi)生活所需要的水資源越來(lái)越多，其中農(nóng)業(yè)消耗水資源量占總用水量的比重最大[1]。農(nóng)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，大約有75%的糧食、90%的棉花和蔬菜均來(lái)自于灌溉農(nóng)業(yè),保障農(nóng)業(yè)用水是保障糧食安全的基石[2]，但農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)形勢(shì)極其嚴(yán)峻，農(nóng)業(yè)用水面臨著水資源短缺的問(wèn)題，故發(fā)展節(jié)水灌溉已成為大勢(shì)所趨。為了緩解我國(guó)灌溉水資源短缺的現(xiàn)狀，需要大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，革新傳統(tǒng)的地面灌溉方式。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)許多灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水技術(shù)改造，節(jié)水灌溉裝備雖然在理論研究、技術(shù)水平等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,生產(chǎn)規(guī)模基本能滿(mǎn)足中國(guó)節(jié)水灌溉發(fā)展的需要,但自主研發(fā)能力較弱,在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)性能、可靠性等方面還有待于進(jìn)一步提高[3]。雖然噴、微灌等技術(shù)發(fā)展迅速,但農(nóng)民種糧的效益比較低,農(nóng)民無(wú)力購(gòu)買(mǎi)昂貴的節(jié)水灌溉設(shè)備[4]，仍然采用傳統(tǒng)的地面灌溉方式，出現(xiàn)了畦田首尾部灌水不均勻、灌溉效率低、深層滲漏嚴(yán)重的問(wèn)題。

為了節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，提高灌溉效率，解決灌溉均勻度低、可控性差的難題，研制了該田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。這種管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以提高灌水均勻度與灌溉水利用效率，能夠?qū)崿F(xiàn)水肥一體化。該系統(tǒng)具有節(jié)水、節(jié)能、省時(shí)、省力等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，可根據(jù)自身需要調(diào)節(jié)灌溉參數(shù)，對(duì)水質(zhì)沒(méi)有要求，運(yùn)行管理方便，價(jià)格低廉，適用于我國(guó)大多數(shù)灌區(qū)。其研制有利于推進(jìn)我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步為自動(dòng)灌溉裝置優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)包括田間管渠系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及供水管道系統(tǒng)，其設(shè)備見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)單管渠工作俯視圖Fig.1 The top view of single pipe canal of automatic irrigation system

圖2 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)兩管渠工作俯視圖Fig.2 The top view of two pipe canals of automatic irrigation system

圖3 圓缺型管渠示意圖Fig.3 The schematic diagram of circular pipe channel

如圖1所示，當(dāng)進(jìn)行單管渠工作時(shí)，田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由供水管、閘閥、管渠、塞閥、牽引繩、渦輪機(jī)及變速裝置組成。供水管布置在田間較高一側(cè)，與具有一定坡度的管渠相連，水流從供水管流出，流經(jīng)渦輪機(jī)后再注入管渠中，利用管渠坡度向尾部推進(jìn)；閘閥設(shè)在供水管上，通過(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)度來(lái)控制過(guò)水流量的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉水量的控制；管渠為頂部開(kāi)口的圓缺型管渠，如圖3所示，直徑可根據(jù)作物和畦田的規(guī)格及當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)流量的需要進(jìn)行選擇，開(kāi)口高度根據(jù)明渠均勻流公式由試算法測(cè)得，要求其具備良好的過(guò)水能力，具備足夠的強(qiáng)度及剛度以承受一定的水壓力，因考慮灌溉以及經(jīng)濟(jì)的要求，管渠可采用塑料材質(zhì)，在田間管渠放置的坡度應(yīng)與田面坡度一致；塞閥被放置在管渠尾部，其大小滿(mǎn)足管渠斷面大小的要求，在管渠中起到阻擋灌溉水流的作用，此時(shí)灌溉水只能從管渠上部向兩側(cè)溢出；牽引繩用于連接塞閥和動(dòng)力輸出軸，應(yīng)具有一定的抗拉強(qiáng)度以保證拉動(dòng)塞閥時(shí)不產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象；采用軸流式渦輪機(jī)作為自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，利用水流沖擊葉片來(lái)輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；變速裝置與渦輪機(jī)相連，可以將渦輪機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞到動(dòng)力輸出軸上，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)牽引繩移動(dòng)，牽引繩又牽引塞閥在管渠中勻速移動(dòng)，灌溉水在塞閥上游處向兩側(cè)溢流，塞閥從渠尾移動(dòng)到渠首，能保證在畦田長(zhǎng)度方向上田面各處得到的水量相等，有效提高了灌溉均勻度。

如圖2所示，田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行單管渠工作，也可以使用2條管渠及多條管渠共同參與灌水工作，節(jié)省了時(shí)間及勞動(dòng)力，大大提高了灌水效率。雙管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由2條管渠組成，與單管渠灌溉系統(tǒng)相比，不同之處是雙管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)分別在畦田首尾部的地面上安裝了2個(gè)滑輪，牽引繩套在4個(gè)滑輪上，同時(shí)將塞閥與牽引繩連接，一塞閥放置在管渠首部，另一塞閥放置在管渠尾部，其余部件布置要求與單管渠相同。這樣，一條管渠從畦田首部進(jìn)行灌溉，一條管渠從畦田尾部進(jìn)行灌溉，2條管渠同時(shí)灌溉使得灌水效率大大提高。由于塞閥移動(dòng)方向相反，塞閥受到的水壓力可以抵消，故動(dòng)力輸出軸輸出的力矩只需克服塞閥與管渠之間的摩擦力即可。

2 系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示，該系統(tǒng)工作時(shí)，供水管與給水栓相接，并布置在田間較高一端，通過(guò)調(diào)節(jié)其上的閘閥開(kāi)度可以控制灌溉水量的大小，當(dāng)灌溉水流入渦輪機(jī)的流道時(shí)，渦輪機(jī)葉片會(huì)受到水流沖擊而輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，動(dòng)力裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能通過(guò)變速裝置調(diào)節(jié)，再經(jīng)過(guò)動(dòng)力輸出軸輸出。流經(jīng)動(dòng)力裝置的灌溉水直接從管渠首部注入管渠中，由于管渠布置的坡度與畦田的坡度一致，灌溉水在管渠內(nèi)會(huì)從渠首沿著田面的坡度方向向前推進(jìn)。塞閥被放置在管渠的尾部，牽引繩套在動(dòng)力輸出軸上并與塞閥相連，當(dāng)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，牽引繩會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，從而帶動(dòng)塞閥從管渠尾部向管渠首部移動(dòng)，此時(shí)，灌溉水從渠首向渠尾推進(jìn)，在水流遇到塞閥的地方，由于塞閥的阻擋作用，灌溉水只能從管渠的上部開(kāi)口處向兩側(cè)溢出，均勻地溢出到管渠周?chē)奶锩嫔?。閘閥可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)來(lái)水量的大小，以滿(mǎn)足灌溉要求。同時(shí)，閘閥開(kāi)度的改變直接影響了渦輪機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以利用變速裝置調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度，動(dòng)力輸出軸又拉動(dòng)牽引繩，故可以調(diào)節(jié)牽引繩牽引塞閥在管渠的移動(dòng)速度，塞閥的移動(dòng)位置為灌溉水溢流的位置。由此可見(jiàn)，該裝置可精準(zhǔn)確定灌溉水量及灌溉位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確及自動(dòng)灌溉。因在流量確定情況下，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在變速裝置作用下動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，進(jìn)而牽引繩牽引塞閥的速度保持不變，故塞閥在管渠內(nèi)移動(dòng)的途中，灌溉水均勻地溢流到田面上，使得灌溉均勻度提高。

如圖2所示，將系統(tǒng)設(shè)置成該型式可以提高灌溉效率。牽引繩圍繞4個(gè)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，塞閥在牽引繩的牽引作用下在2個(gè)管渠中移動(dòng)，如圖2塞閥a在管渠a中由畦田首部向尾部移動(dòng)，而塞閥b在管渠b中向與塞閥a的相反方向移動(dòng)，向2個(gè)管渠中供水，管渠a中的水流遇到塞閥a均勻地溢出到管渠a周?chē)锩嫔?。與此同時(shí)，管渠b中的水流遇到塞閥b均勻地溢出到管渠b周?chē)奶锩嫔?，故在塞閥a和塞閥b經(jīng)過(guò)的途中，整個(gè)田面可以得到自動(dòng)、均勻地灌溉。

一塊畦田灌完后，可將灌溉設(shè)備移到下一塊畦田進(jìn)行灌溉，灌水周而復(fù)始進(jìn)行，最終將所有田地灌溉完成。

3 系統(tǒng)的創(chuàng)新及優(yōu)勢(shì)

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)田間自動(dòng)灌溉，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，很大程度上解放了農(nóng)民勞動(dòng)力。以灌溉水為動(dòng)力，通過(guò)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)牽引繩牽引塞閥在管渠中移動(dòng)，在灌溉途中，省去了農(nóng)民的勞動(dòng)，保證了系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行。

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以使灌水均勻度大大提高。其塞閥移動(dòng)速度由動(dòng)力輸出軸旋轉(zhuǎn)牽引牽引繩的速度決定，因動(dòng)力輸出軸可以維持一定的轉(zhuǎn)速，故塞閥可以在牽引繩作用下勻速移動(dòng)，故溢出的灌溉水量相同，由此實(shí)現(xiàn)整個(gè)灌溉過(guò)程中灌溉水均勻地灑在田面上。

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以控制各種灌溉參數(shù)，如灌溉水量、灌溉速度、灌溉位置，灌溉水量可以通過(guò)調(diào)節(jié)管渠坡度及閘閥開(kāi)度進(jìn)行人為調(diào)控，灌溉速度由渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比決定，塞閥移動(dòng)處即為灌溉位置，通過(guò)調(diào)節(jié)各種灌溉參數(shù)實(shí)現(xiàn)了控水灌溉。

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)有效縮短了灌水時(shí)間。和地面灌溉不同，該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)地面灌溉方式中畦田平整度阻礙水流向前推進(jìn)的現(xiàn)象發(fā)生，相比之下，在管渠中水流推進(jìn)速度更快，且在灌水途中無(wú)滲漏損失。根據(jù)比較得出，該系統(tǒng)明顯縮短了灌水時(shí)間，一定程度上提高了灌溉效率。

4 應(yīng)用前景

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化灌溉，不僅能夠減輕農(nóng)民的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，還有利于節(jié)省灌溉時(shí)間，提高灌溉效率。

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)減少了深層滲漏等現(xiàn)象的發(fā)生，提高了灌溉水利用率，節(jié)省大量農(nóng)業(yè)用水，響應(yīng)了國(guó)家節(jié)水政策的號(hào)召。

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)有效提高了灌水質(zhì)量，使作物產(chǎn)量增加。灌溉水流在畦田長(zhǎng)度方向上，從管渠中均勻溢出，很好地解決了灌水均勻度問(wèn)題，灌水質(zhì)量提高，作物產(chǎn)量得到了保障。

系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，配套設(shè)備均可在市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)到，價(jià)格低廉，運(yùn)行管理費(fèi)用較低。使用渦輪機(jī)作為動(dòng)力裝置，綠色環(huán)保，且該系統(tǒng)對(duì)灌溉水質(zhì)及灌區(qū)沒(méi)有特殊要求，可以廣泛使用。

5 結(jié)語(yǔ)

田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是基于我國(guó)水資源不足、傳統(tǒng)地面灌溉深層滲漏嚴(yán)重、浪費(fèi)現(xiàn)象普遍等現(xiàn)狀提出的。田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)改進(jìn)了地面灌溉方式存在的不足，是對(duì)傳統(tǒng)地面灌溉技術(shù)的革新。管渠灌溉相比于溝灌、畦灌來(lái)說(shuō)具有更多優(yōu)點(diǎn)，可以將溝畦內(nèi)水流的縱向推進(jìn)巧妙地變?yōu)樗髟诠芮械臋M向溢出，使得灌溉速度明顯加快，解決了畦尾得不到灌溉或畦尾蓄水量過(guò)多的問(wèn)題，能夠節(jié)省更多農(nóng)業(yè)用水。通過(guò)計(jì)算灌水定額，通過(guò)變速裝置及閘閥等部件調(diào)節(jié)灌溉參數(shù)，以設(shè)定的水流流量及灌水時(shí)間進(jìn)行灌溉，將灌溉水輸送到需要灌溉的畦田內(nèi)，達(dá)到了控水灌溉的目的。系統(tǒng)以灌溉水作為動(dòng)力，控制塞閥移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，達(dá)到了解放勞動(dòng)力的目的。同時(shí)，田間管渠自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的研制可為新型節(jié)水灌溉設(shè)備的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供參考。