雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設備研發

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

1 研發目的

噴灌技術是一種農田高效節水灌溉技術[1,2]，其能夠使水噴灑均勻且能夠減輕人工勞動強度，在當今農事作業中具有廣泛的應用[3,4]。而噴灌裝置作為其中的關鍵設備，其結構與安放位置十分重要。為了解決傳統噴灌設備影響田間的正常耕作或收割等農事作業的問題，地埋式自升降的噴灌裝置[5,6]應運而生。但現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，這不僅使噴灌系統成本，特別是安裝成本較高，而且安裝質量較難控制。同時，現有技術提供的噴灌裝置在單套供水系統的情況下只能實現自動升起，無法實現自動下降，在非灌溉季節需要依靠外力才能將其回縮至耕作層以下，無法實現全自動升起和下降，在勞動力特別緊缺和頻繁需要升降的情況下，其實際應用受到一定限制。

為了解決現有技術的問題，亟須研制一種施工挖方量小、穩定可靠，并且依靠單套供水系統可進行自升降的噴灌裝置，該設備是現有地埋式自升降噴灌設備半自動和全自動的更新換代產品。

2 設計方案

2.1 結構設計

本文研發的雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設備，包括地埋式旋轉噴頭、內管、外管、止球器、球體、支撐環、鉆頭，如圖1所示。

由圖1(a)可知，旋轉式噴頭的頂部設置有出水口；內管的外徑小于外管的內徑；外管的上部側壁上設置有進水/出水口，進水/出水口與輸水管道連接；止球器為圓盤，圓盤上設置有用于水流通過的通孔，通孔的個數至少為1個，通孔的孔徑以及支撐環的內徑均小于球體的球徑； 支撐環為橡膠圓環；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，鉆桿上設置有螺旋狀排屑槽。

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

1-地埋式旋轉噴頭；11-出水口；2-內管；3-外管；31-進水/出水口；4-止球器；5-球體；6-支撐環；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備結構示意圖

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

2.2 技術特點

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

3 工作原理

本設備通過在外管下端設置鉆頭，能夠在進行安裝時依靠外力旋轉該噴灌裝置帶動鉆頭旋轉，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時位于地下，不僅顯著提高了安裝質量及安裝效率，且避免了對土層造成擾動以及對地上正常耕作及其他農事作業造成影響。

由圖1(a)可知，在非灌溉狀態時，內管位于外管內部，且由于內管外徑小于外管內徑，內管和外管之間留有用于水流通過的空隙。此時，球體位于內管下端的支撐環上。可以理解的是，支撐環的側部與內管的側壁緊密接觸，以使支撐環與內管接觸的部分處于密封狀態。而支撐環的中間環狀部分為圓孔狀，此時，由于球體的球徑大于支撐環的環內徑，球體將位于該支撐環的內環處，并與支撐環一起形成密封的整體。

由圖1(b)可知，在灌溉狀態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，并在內管下端推動球體，使球體離開支撐環在內管的內部向上運動，直至被止球器阻擋并停靠在止球器的下端。與此同時，有壓水流進入內管并推動內管和地埋式旋轉噴頭向上運動。在此過程中，有壓水流進入地埋式旋轉噴頭中并由其頂部的出水口噴出，形成高速水流。該地埋式旋轉噴頭通過旋轉可以向上鉆土，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，更利于內管和地埋式旋轉噴頭在地下向上運動，直至暴露于地表，進行灌溉作業。

由圖1(c)可知，當灌溉結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管下端的支撐環上，與此同時，內管中的水也隨之流回至外管。然后將外管中的水經進水/出水口排出，此時，由于球體下端與支撐環密封接觸，將隔絕空氣進入外管內部，從而使外管與外界形成氣壓差。該氣壓差將促使內管向下運動，直至完全下降至外管內部，恢復至非灌溉狀態時的地埋狀態。

由上述工作過程可知，本設備能夠實現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；在非灌溉狀態時埋于地下，不會影響地上的正常農事作業；灌溉狀態時自動升起頂出地面到設計高度，完成灌溉作業。設備依靠單套供水系統即可進行自升降，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 技術規格

本設備的技術規格參數見表1，噴嘴規格、射程和流量等均可根據設計需要靈活選用。

圖2為雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設備產品圖。經檢測，本產品達到了國家標準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：在規定試驗壓力(0.3 MPa)下噴頭流量的變化量不大于±5%；轉動速度均勻性：噴頭旋轉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%；轉動穩定性：將噴頭旋轉軸線偏離垂直線10°，在整個工作壓力范圍內，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備技術規格參數

圖2 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設備產品圖

5 設備安裝

本設備安裝較為方便，一般安裝在地表以下0.35～0.40 m，具體埋深應根據當地耕作層深度等因素來確定，管道的埋深根據當地自然條件和施工條件來確定。安裝示意圖見圖3。

圖3 產品安裝示意圖

具體施工過程：在田塊中確定管網布置線路及設備安裝位置，利用人工或機械方式在選定線路上開挖出管網鋪設溝渠，深度應達到設計要求；之后鋪設輸水管道，并在設計位置利用設備自帶的旋轉鉆頭向下鉆土安裝本設備，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。

如果地塊中已布設有輸水管網，可根據地形地勢和配水管道位置進行改造設計，確定設備安裝位置，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；之后進行本設備的安裝和土壤回填，此安裝程序與前面相同。

圖4為現場安裝施工，圖5為正常工作狀態。目前已在河

圖4 現場施工

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，得到了群眾的認可。

6 結 語

雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設備已取得國家授權專利，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計高度，節約了一套管道系統，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備的升級換代產品。

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

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

[3] 徐 敏,李 紅,陳 超,等. 提高噴灌均勻性的噴頭結構改進措施[J]. 節水灌溉,2013,(2)：44-47.

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

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

[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備研發[J]. 節水灌溉,2014,(7):75-78,82.