淺析地埋式自動伸縮噴滴灌系統的技術特點

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

高效節水灌溉系統通常包括水源工程、首部樞紐、地埋管網、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，農業機械作業時容易造成刮碰損壞。雖然可以通過提高農機駕駛員的技術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，中國灌溉排水發展中心與中灌潤茵（北京）節水灌溉設備有限責任公司等聯合研發了便于機耕、節能、省工的地埋式自動伸縮噴滴灌設備，為破解高效節水灌溉系統地面設備影響機耕作業問題提供了新的技術解決方案。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］，設備性能及質量標準均已達到了國家標準GB/T 22999的要求。本文系統總結了地埋式自動伸縮噴滴灌系統的技術特點，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）在灌溉系統內水壓力作用下，對上部土體產生向上的頂推力。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，土體結構開始破壞，鉆土器（或噴頭）開始向上運動，實現破土出地（圖1）［1］。

鉆土器（或噴頭）破土的過程可用以下三個力學狀態公式來表示：

①靜止狀態：W＜T+G+f

②臨界狀態：W=T+G+f

③運動狀態：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，設備全部埋于耕作層以下。裝置開始充水，在灌溉系統內水壓力作用下，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，土體結構隨之逐漸破壞，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，鉆土器（或噴頭）開始向上運動，持續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），升降式噴頭在內水壓力作用下繼續上升并伸出伸縮管外，噴頭頂端的噴嘴逐漸調整向四周散射。

圖2 地埋式噴滴灌裝置不同工作狀態

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，安裝高效節水灌溉系統連接裝置，實現田間取水。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。

4 系統類型及技術特點

（1）產品性能及質量標準

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

表1 地埋式自動伸縮噴滴灌設備技術規格參數

SD-01、SD-02系列產品，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定值；工作壓力：0.1 MPa～0.4 MPa。

SD-03、SD-04系列產品，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規定；壓力流量關系：流量隨壓力波動變化不大，根據實測點擬合經驗公式Q=0.0537H0.5488（相關系數r=0.9989）；旋轉均勻性：誤差不超過±12%；工作壓力：0.2 MPa～0.4 MPa。

（2）系統類型及技術特點

根據伸縮管回縮方式，地埋式自動伸縮噴灌系統可分為：雙管路地埋式自動伸縮噴灌系統、單管路地埋式自動伸縮噴灌系統、單管路地埋式自升人降噴灌系統三種類型。各類型系統優缺點如下：

Ⅰ型雙管路地埋式自動伸縮噴灌系統：系統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，通過調整閥門組的開關組合便能夠調整水壓方向，在反向內水壓力作用下伸縮管縮回套管內。該類型系統可實現自動升降，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：系統管網布置與傳統固定管道式噴灌系統類似。系統首部或干管分水處增設負壓泵。灌溉結束時，開啟負壓泵，依靠負壓將噴頭回縮地下。該類型系統可實現自動升降，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相比，造價約高出5%～15%；但在噴頭回縮時，系統受負壓影響，大管徑（或環剛度較低）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：系統管網布置與傳統固定管道式噴灌系統類似。噴頭依靠內水壓力鉆出地面，人工按壓縮回地下。該類型系統無需其他輔助設備，結構型式最簡單、可靠性最好，工程造價最省；但由于需要人工回縮，對于需要頻繁農機作業的作物，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布設類型、工作原理及優缺點分析

圖3 地埋式自自動伸縮一體化噴灌系統布設類型示意圖

5 結語

（1）地埋式自動伸縮噴滴灌設備專利產品包括：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，性能及質量標準均達到了國家標準GB/T 22999的要求。

（2）與傳統噴頭（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。灌溉完成后縮回地下，有效解決了高效節水灌溉系統地面設備與農機作業相互干擾的問題。

（3）根據伸縮管回縮的方式，地埋式自動伸縮噴灌系統可分為：Ⅰ型雙管路地埋式自動伸縮噴灌系統、Ⅱ型單管路地埋式自動伸縮噴灌系統、Ⅲ型單管路地埋式自升人降噴灌系統三種類型。各類型均有其適用范圍，Ⅰ型系統依靠輔助管反向內水壓力回收噴頭，造價最高，可配套自控系統實現無人值守灌溉；Ⅱ型系統利用負壓泵產生的負壓回收噴頭，造價適中，但對系統管網及設備密封性要求較高；Ⅲ型系統依靠人工按壓回收噴頭，造價最低，可用于糧食等經濟效益一般的作物種植區。