新型球狀防堵滴頭的設(shè)計(jì)

康浩 胡宇祥 盧琳琳 侯在旭 林魯汪

摘 要：本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是一種新型的球狀防堵滴頭，該滴頭的防堵結(jié)構(gòu)包括兩部分：一、球體空腔結(jié)構(gòu)；二、單向水流閥結(jié)構(gòu)。球體空腔的末端設(shè)有進(jìn)水口，水源從進(jìn)水口進(jìn)入滴頭流經(jīng)單向水流閥后由球體空腔中均勻分布的毛細(xì)出水孔流向土壤。本新型球狀防堵滴頭采用的單向水流閥結(jié)構(gòu)具有產(chǎn)生劇烈紊流的效果，能夠解決微生物粘膜及細(xì)小固體顆粒的堆積及負(fù)壓回流堵塞問(wèn)題，并且由于采用了球狀滴頭，毛細(xì)出水孔均勻分布在球體外部，因此灌溉水均勻性好，能夠改善根系引起的堵塞問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：滴灌技術(shù)；防止堵塞；滴頭

我國(guó)水資源總量為2855×108m3，占全球水資源的6%，居世界第四位。中國(guó)以占全球6%的水資源以及9%的耕地支持了占全球22%的人口溫飽問(wèn)題，人均水量與耕地面積的巨大差距使我國(guó)成為了貧水國(guó)，城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展已經(jīng)使淡水資源的儲(chǔ)備大大減少，再加之我國(guó)西北部地區(qū)擁有廣大的干旱耕地，每年由于干旱造成的耕地荒廢極大地降低了土地的生產(chǎn)率，解決灌溉水利用率低的問(wèn)題迫在眉睫。漫灌、畦灌、溝灌、淹灌等傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)在灌溉時(shí)需要大量的水但利用率卻十分低下，而且由于其灌溉不均勻容易使土壤或肥料流失而造成浪費(fèi)，落后的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)已不再適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。自以色列發(fā)明滴灌技術(shù)以來(lái)，90%以上的節(jié)水率使其成為利用灌溉水最有效的技術(shù)，這一項(xiàng)技術(shù)也使水肥一體化精準(zhǔn)投放成為可能 這對(duì)于我國(guó)耕地面積大而水源匱乏的現(xiàn)狀具有重大意義。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的滴頭堵塞問(wèn)題卻嚴(yán)重限制了這一先進(jìn)灌溉技術(shù)的推廣和發(fā)展。滴灌系統(tǒng)在前期的鋪設(shè)過(guò)程中本就會(huì)消耗大量的人力物力，滴頭的使用壽命決定著滴灌系統(tǒng)價(jià)值產(chǎn)生的多少，其一旦發(fā)生堵塞造成的不良影響不僅產(chǎn)生材料浪費(fèi)而且會(huì)嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)情況。而本項(xiàng)目所提供的設(shè)計(jì)能夠有效的改善滴頭堵塞問(wèn)題，從而延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命，減少成本的投入，提高作物的受益。

1 總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 新型球狀防堵滴頭的設(shè)計(jì)

該新型球狀防堵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有兩點(diǎn)：一、球體的內(nèi)部空腔；二、單向水流閥。在兩個(gè)結(jié)構(gòu)的共同作用下能夠有效改善滴頭的堵塞問(wèn)題。如下圖所示為該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖：

新型球狀防堵滴頭結(jié)構(gòu)示意圖

1）單向水流閥結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水口1、彈簧2、彈簧底座7、防堵皮塞3和皮塞卡槽4。

2）球體空腔結(jié)構(gòu)包括毛細(xì)出水口6和空腔5。

1.2 新型球狀防堵滴頭的工作原理

（1）把支流水管接到滴頭的進(jìn)水口1的接口處，水流沿著管路到達(dá)防堵皮塞處3，由于水流產(chǎn)生的水壓力的作用會(huì)使防堵皮塞3離開(kāi)皮塞卡槽4從而使水流進(jìn)入球體空腔5。當(dāng)水流沖擊防堵皮塞3時(shí)會(huì)在空腔內(nèi)形成劇烈的紊流，細(xì)小的固體顆粒和一些微生物會(huì)在紊流的作用下相互發(fā)生劇烈的摩擦而避免固結(jié)在一起形成較大的固體顆粒或微生物黏膜堵塞出水口。

（2）在非灌溉時(shí)期由于管路內(nèi)部的水壓比較小甚至形成負(fù)壓。為了能夠防止水分?jǐn)y帶土壤中的微小固體顆粒進(jìn)入毛細(xì)出水口造成堵塞，防堵皮塞3會(huì)在球體空腔5內(nèi)壓強(qiáng)減小到一定程度時(shí)在彈簧2彈力的作用下彈回到皮塞卡槽4中，這時(shí)防堵皮塞3會(huì)徹底隔斷水源，這會(huì)使空腔5和進(jìn)水口1處的管路形成隔絕的空間避免空腔5形成負(fù)壓。

（3）毛細(xì)出水口均勻的分布在球體空腔上，這樣的設(shè)計(jì)能夠使毛細(xì)出水口流出的水均勻濕潤(rùn)周圍的土壤，植物周圍土壤含水越均勻其根系的發(fā)展越好，這就能夠有效解決滴頭根系堵塞的問(wèn)題，而且對(duì)植物的生長(zhǎng)非常有利。

2 新型球狀防堵滴頭的優(yōu)勢(shì)

該新型球狀防堵滴頭是地埋式滴灌系統(tǒng)的末端滴水器，地埋式滴灌系統(tǒng)的管路是埋于地下的，相較于其他類型滴灌系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要是埋于地下的滴頭會(huì)直接將灌溉水輸送到地表之下的植物根系附近，沒(méi)有地表水流就大大減少了地表水分的蒸發(fā)，加強(qiáng)了節(jié)水效率。埋于地下的管路避免了用材直接接觸空氣，加強(qiáng)了抗老化的能力，延長(zhǎng)了使用壽命。由于該系統(tǒng)的隱蔽性較好，不容易遭到破壞，這就使系統(tǒng)的維修和材料的更換減少，避免人力物力的浪費(fèi)。

地埋式滴灌系統(tǒng)雖然有它特有的優(yōu)點(diǎn)，但由于其埋于地下，在非灌溉期或管路內(nèi)水壓力減小時(shí)細(xì)小的出水孔極易因?yàn)樨?fù)壓的產(chǎn)生而造成回流。回流的后果是回流水裹挾土壤中的細(xì)小固體顆粒進(jìn)入毛細(xì)出水孔從而造成堵塞，舊式的球狀滴頭防止回流的效果均較差，新型球狀防堵滴頭在進(jìn)水口設(shè)置了單向水流閥結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)在滴灌系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)及時(shí)堵塞滴頭的進(jìn)水口避免回流。鋪設(shè)于土壤表面的滴灌系統(tǒng)其滴灌器直接將灌溉水輸送到土壤表面，這種滴管方式的地表蒸發(fā)量比較大，而且容易引起土壤板結(jié)。植物根系的發(fā)展具有向水性，市面上一般滴頭的灌溉均勻性較差，土壤含水率的差異會(huì)導(dǎo)致植物根系的發(fā)展受阻。本項(xiàng)目的新型球狀防堵滴頭的毛細(xì)出水口均勻的分布在球體的外側(cè)，出水均勻性好，濕潤(rùn)面積大，能夠良好的誘導(dǎo)植物根系的發(fā)展，埋于地下的滴頭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞較小，起到節(jié)水增產(chǎn)的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的新型球狀防堵滴頭能夠形成強(qiáng)烈的紊流使滴頭具有良好的自沖洗功能，水流的單向性使回流問(wèn)題得到有效改善，球狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使出水均勻性增強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中具有易安裝，成本低，適范圍廣的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在大棚、林地、綠地、山地等不同環(huán)境中。

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：康浩（1996），男，河北石家莊人，吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院本科生，研究方向：農(nóng)業(yè)工程。

*通訊作者： 胡宇祥（1983），男，吉林吉林人，在讀博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程方面研究。