地埋式自升降噴灌系統設計施工及運行管理關鍵問題分析

謝崇寶，張國華，魯少華，謝瑞環

(1.中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 100054；3.中灌潤茵(北京)節水灌溉設備有限責任公司，北京 101302)

1 地埋式自升降噴灌技術簡介

地埋式自動伸縮一體化噴灌新設備包括6種系列新產品, 目前已取得國家發明專利2項(專利授權號分別為：201310006949.8、201410012532.7)和國家實用新型專利3項(專利授權號分別為：201320007665.6、201520299947.7、201520417714.2)，且已通過水利部新產品鑒定，產品被鑒定為達到國際領先水平。 考慮不同的灌溉作物和經濟發展水平，系列產品均可依靠設計水壓頂出地面，但可根據實際需求選擇多種方式回縮地面耕作層以下：①依靠輔管提供水壓回縮；②依靠灌溉單元的負壓泵產生負壓回縮；③依靠人力回縮。為適應地埋式噴灌的特殊環境要求，有針對性開發了2種適宜地埋的噴頭，有效解決了地埋設備在惡劣工況下的泥沙淤塞及出地問題。這些產品分別為：雙管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設備[1]、單管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設備、單管路地埋式自升人降一體化噴灌設備[2]、地埋式自升降一體化微噴設備、鋼珠擊打驅動型地埋式自升降噴頭[3]、水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭，主體為全塑結構，解決了固定式噴灌系統影響耕作、頻繁拆卸、倉儲損耗等問題。本設備工作時高出地面80 cm，適合中低稈作物使用，噴嘴規格、射程和流量等均可根據設計需要靈活選用，建議選用地埋式自升降噴頭，工作壓力為0.3 MPa時射程為13～15 m。

該技術產品集成出地管、豎管、升降式噴頭于一體,能夠整體直接埋在土壤耕作層以下，灌溉時依靠水壓出地灌溉，不需要灌溉時可以通過多種方式回縮至耕作層以下，既不影響耕作和收割，灌溉時也無需尋找噴灌設備的位置，更不需要拆卸灌溉設備搬運回庫房存儲。本技術產品兼具頂出和噴水功能及多種回縮方式，噴灌作業前后不需要安裝或拆卸任何設施，只需控制支管首部的閥門即可完成噴頭升降過程及噴灌作業，大大節約了勞動力，延長了設備使用壽命，提高了工作效率，有利于固定式噴灌系統的推廣與普及。

2 系統設計中應注意的問題

(1)若原水中泥沙含量較大，特別是細沙或面沙含量較大時，建議根據灌溉地塊需水量在首部設置沉沙池，取用上層水作為灌溉用水，避免泥沙進入灌溉系統堵塞噴頭。

(2)若水源供水量不足或為了調節灌溉水質水溫，且便于施肥施藥，可在首部設置蓄水池，蓄水池的具體設計可參考《矩形鋼筋混凝土蓄水池》(05S804)。蓄水池的容積應視作物需水量和灌溉地塊大小而定，建議采用磚混或混凝土結構。

(3)現階段受產品可選系列型號的限制，建議噴頭采用正方形布置形式，即噴頭間距和支管間距均取14 m，噴頭工作壓力取0.3 MPa。隨著產品系列的豐富，地埋式噴頭噴灑半徑的改變，根據相應設計規范調整田間布局。

(4)干管的長度和管徑受支管的長度和輪灌面積的影響，干管管徑按經驗公式計算，再上靠市場規格接近的管徑。根據經驗，輪灌面積一般選擇0.2～0.4 hm2為宜，支管噴頭數控制在10～12個為宜。

(5)采用地埋式自動伸縮一體化噴灌設備，為了保證安裝質量，設計中應考慮使用千秋架，防止不均勻沉降對設備造成的損壞，保證田間多個噴頭的平直性。

3 地埋式自升降噴灌系統施工關鍵環節

(1)測量放線。測量放線是科學開挖管溝的前提，也是確保管道和噴頭布置質量的關鍵，應按照管道設計圖紙，使用經緯儀或全站儀等測量工具確定田間管溝開挖的方向和位置，并用石灰粉等標記清楚，保證管溝開挖順直。

一般來說，1個支管首部閥門井控制1條支管，但為了減少支管首部閥門井的數量，在水量滿足灌溉需求的情況下，可以采用1個閥門井控制2條或多條支管。

(2)管溝開挖。本著既要考慮節省土方開挖量，又要有利施工，保證質量與安全的原則，確定管溝開挖深度大于凍土層。管溝開挖深度可參考設備的安裝深度1.65 m，但不強制要求達到這個開挖深度。開挖管溝時，為避免擾動基底原狀土，基底設計標高以上0.2 m原狀土由人工清理。溝底如有堅硬物體必須清除，用砂石回填處理。管溝開挖后的土石料應放置溝槽一側，以備回填。管材與管件連接處，管溝開挖尺寸可適當加大。

施工現場宜在管道中心線上每隔30～50 m打1個木樁，并在管線的轉折點、出水口、閥門等處或地形變化較大的地方加樁，樁上應標注開挖深度。管溝棄土應堆放在管溝一側0.3 m以外處。

溝底應平直、密實，并清除石塊與雜物，排除積水，如超挖則應回填夯實至溝底設計高程，如遇軟弱地基應采取加固措施。管溝開挖完畢后，經檢查合格后方可敷設管道。

(3)管溝回填。根據管徑和回填深度，采用人工回填的方式，管道試壓合格后方可進行回填。回填時應從管道兩側同時進行，并確保管道不產生位移，必要時采取臨時限位措施，防止上浮。

回填時管溝內應無積水，不得帶水回填，不得回填淤泥、有機物和凍土，回填土中不得含有石塊、磚及其他雜硬物體。回填材料以開挖的原土為主，若原土不符合要求，則采用中砂、粗砂、碎石屑、最大粒徑小于40 mm級配砂礫。回填夯實程度參考以下數據：管道兩側為95%，管頂以上至地面部分及管道兩側為90%，管道上部為85%。

初始回填應在管道兩側同時進行，回填材料應不含直徑大于25 mm的石塊和直徑大于50 mm的土塊，回填達到管頂以上15 cm后再進行最終回填，回填料應不含直徑大于75 mm的石塊。

對管道系統的關鍵部位，如鎮墩、豎管周圍等應分層夯實，每層回填到高度在100～200 mm之間后，應夯實后再回填上一層，嚴格控制施工質量。

(4)管道安裝。施工前應對管道外觀進行檢驗，不合格一律不得采用；檢查圖紙是否齊全，安裝前應全面了解各種設備的性能，熟練掌握施工安裝技術和方法。

管道安裝應按干、支管順序進行，安裝時應采用可靠的吊具，平穩下溝，不得與溝壁、溝底激烈碰撞。吊裝時應有2個支撐吊點，嚴禁穿心吊。管道平順放置，不得懸空、扭曲、打折。

過濾器應按輸水流向標志安裝，不得反向。安裝時應檢查過濾器內是否有雜質，并應沖洗干凈。旁通安裝前應檢查旁通管外形，清除飛邊、毛刺，抽樣量測插管內、外徑，符合質量要求方可安裝。

為了加快施工進度，保證安裝質量，可將支管和輔助支管連接后安放在管溝一側，并在支管和輔助支管上每隔14 m處預留噴頭安裝位置接口。

需要注意的是，必須在管道前端和末端安裝進排氣閥。這是由于設備深埋在耕作層以下，試水時通過水壓自行頂出地面期間，由于排氣不暢，易造成爆管。

(5)輪灌小區首部閘閥安裝。若采用雙管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設備實現自升自降噴灌功能，需要沿著支管方向再布置一條輔助支管，輔助支管一般采用直徑25 mm的PVC管。支管和輔助支管首端與干管和排水管直接連接，分別設置控制閘閥。

若采用單管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設備，與傳統固定式噴灌系統相同，控制閘閥直接控制支管系統即可。

(6)噴頭安裝。本設備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。具體安裝步驟如下。

第1步。按設計圖紙要求在田塊中確定管網布置線路及設備安裝位置，利用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。

第2步。打孔。設備上端進水口管徑為25 mm，配有外螺紋；下端進水口管徑為32 mm，配有內螺紋。若管溝深度達到1.65 m，那么噴頭可以直接安裝在相應位置的支管一側；若管溝深度未達到1.65 m，則需要采用專業打孔機或人工開挖打孔安放噴頭。在支管管溝內需要安放噴頭的位置，打直徑0.2 m，深度以滿足安裝田間地埋式噴灌設備為宜的圓孔。

第3步。鋪設干管和支管，在設計位置安裝本設備,且設備下端要設置有水泥塊或其他材質墊塊以防止設備下沉，利用三通分別將設備下端進水口與支管連接，用旁通管將上端進水口與輔助支管相連。當管溝挖深至1.65 m時，可將噴頭直接安裝在管溝內；當管溝挖深未達到1.65 m，需要在噴點處局部挖深以便安裝噴頭。

第4步。將支管和輔助支管采用尼龍繩或其他材料捆綁固定，本設備的套管和旁通管也采用此方法捆綁固定。

第5步。將設備扶直，人工從兩側回填、夯實，直至填平，保持安裝設備在一條線上，完成安裝。

第6步。噴頭安裝。若施工期在11-12月，天氣變冷，溫度較低，連接件必須在保暖棚或房間提前1周預制，讓其充分的黏接。預制件與管道三通黏接時，最好選擇在溫度較高的時間進行作業。安裝完畢，運行前必須對管道進行沖洗，不能將雜質進入噴頭，防止噴頭堵塞。噴頭安裝前檢查轉動部分的靈活性，彈簧無銹蝕，接口外螺紋無損傷。支管與下端進水口、設備內管與噴頭的連接應密封可靠，設備外管安裝應牢固、穩定。若采用外接搖臂式噴頭的單管路地埋式自升人降噴灌設備，其支架安裝應穩定、均勻，確保豎管垂直。

(7)排水設置。若要實現自升自降功能，需要設置排水管道。排水管管徑以及時排除噴頭內部存水為原則，一般取直徑50 mm，沿著垂直于支管方向布置排水管，再根據具體排水位置確定下一級排水管位置。

若使用地埋式自升自降型一體化噴灌設備，建議在管道末端安裝真空泵，有利于盡快回縮噴頭至耕作層以下，主要用于示范培訓之目的。

4 系統試水試壓及運行管理

4.1 試水試壓

管道試水前，務必卸下噴頭，以免殘留在管道里的雜質堵塞噴頭。

管道試水時，環境氣溫應不低于5 ℃；水壓試驗應選用經校驗合格且精度不低于1.0級的標準壓力表，表的量程宜為管道試驗壓力的1.3～1.5倍。

試水壓力應為管道系統的設計工作壓力，保壓時間不小于1 h；試驗段管道灌滿水后，應在不大于工作壓力條件下浸泡，浸泡時間不少于24 h后方可進行水壓試驗。

當水壓升到試驗壓力時，保持恒壓10 min，檢查接口、管身有無破損及滲漏現象，實測滲水量不大于允許滲水量為管道安裝合格；管道灌溉水的滲漏損失應符合管道水利用系數要求，管道水利用系數為不低于0.95；滲水量應小于0.84 L/(min·km)。

試水不合格時采取修補措施，在修補處理達到預期強度后重新試水，試水合格后方可回填。

4.2 運行管理

(1)若首部安裝過濾設備，應定期檢查、沖洗過濾心，有破損的及時更換，防治泥沙進入噴頭影響噴灑效果。

(2)若使用本設備噴灑農藥和可溶肥，施肥和施藥完成后必須將管道和噴頭用清水沖洗半個小時以上。

(3)若噴頭出地面后不旋轉，可用軟膠管輕輕敲打噴頭，雜質排出后，噴頭自動轉圈，如損壞則及時更換。

(4)灌溉季節結束或農作收割或者耕地前時，需在設備內部豎桿上涂抹潤滑劑，將其壓入地面0.35 m以下，以不影響耕作和收割為原則。

(5)若采用自升自降噴灌系統，為確保安全，必須人工現場逐個實測確認每一個噴頭復位情況，以期在田間機械作業過程中不致損壞地埋式噴灌設備。

(6)入冬時將設備和管道內雜質沖洗干凈，將剩余水從管道末端排除，防止管道和設備凍裂。

5 結 語

(1)本系列設備的設計施工安裝與固定式噴灌工程基本一致，其設計施工安裝程序應執行《噴灌工程技術規范》(GB/T50085-2007)。設備不影響耕作和收割、省工節水，有利于規模化使用，符合現代農業的發展趨勢[4]。

(2)單管路地埋式自升人降一體化噴灌設備投資節省，與現有固定式噴灌完全相同，而且全面解決了機耕和收割等問題，可在一定范圍內作為現有固定式噴灌系統的升級替代產品。

(3)雙管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設備，能夠直接埋在土壤耕作層以下，不影響耕作；依靠水壓和輔助支管實現噴頭的升降，集成出地管、豎管、升降式噴頭于一體，同時具有噴水和頂出功能，噴灌作業前后不需要安裝或拆卸任何設施，只需控制支管首部的閥門即可完成噴灌作業和噴頭升降過程，大大減輕了勞動強度，提高了工作效率。

(4)單管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設備，可以依靠自帶的下鉆頭直接入地到位安裝，安裝設備時無需額外開挖，設備的穩定性、垂直度等均能很好保證，安裝效率高；依靠負壓將噴頭回縮到地下耕作層以下，單純一套供水管道即可實現自動上下，節約了一套與供水管網平行的輔助支管系統。

(5)本系列技術與設備具有完全的自主知識產權，省工節地節水，“十三五”期間，我國將以每年130 萬hm2以上的速度推廣高效節水灌溉技術，產品市場潛力很大。

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[1] 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.

[2] 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.

[3] 張國華,謝崇寶,魯少華,等. 基于鋼珠驅動的全地埋式噴灌裝置研發[J]. 農業工程學報,2016,(12):102-106.

[4] 謝崇寶,張國華. 我國灌溉現代化技術與設備[J]. 中國水利,2015,(17):66,68,70,72.