一種節水防堵滴頭的設計＊

溫國慶，張 瑞，洪志陽，張云龍

（吉林農業科技學院，吉林 吉林132101）

1 防堵滴頭裝置設計背景

1.1 水資源背景

中國的水資源總量相對較為豐富，在世界各國水資源占有總量中排行第六位。但是人口基數龐大，人均占有量少（僅有2300m3），不足世界人均占有量的1/4。水資源主要通過降水進行補給，多分布于長江流域，導致水源分布不均的現象。隨著近些年工業的高速發展，很多水資源污染嚴重，水質惡化，淡水可用量逐漸減少。人們的節水意識普遍較低，盡管通過有關政府部門的干預（對浪費水資源的行為進行遏制或處罰，實施階梯水價管理制度和行業用水收費制度），但是近些年來城市和農村用水浪費的現象依然十分嚴重。

中國在高效利用現有水資源方面仍有很大的潛力。在一些水資源嚴重短缺的地區，由于水資源分布不均、人為管理不善、灌溉技術落后等原因，同樣存在著灌溉水資源的浪費。許多灌區灌溉定額過大，渠道水利用率低，區間回水利用不足，未推廣一些先進的節水增產灌溉技術和現代管理方法。從部分地區推廣節水灌溉的結果來看，采用先進的灌溉技術和管理方法，節水效果顯著。滴灌比地面常規灌溉方式可以節約水40%～50%。因此，通過合理利用現有的灌溉水資源，以及進行技術的推廣和科學的管理，中國在農業節水方面，潛力是非常巨大的。通過各種工程、技術、經濟等手段，使現有灌溉水源利用率提高20%～30%，一些地區水資源短缺的問題將得到極大緩解，將對整個國民經濟發展作出重大貢獻。因此，將農業節水作為一項基本國策并長期堅持是十分必要的。節約水資源，走可持續發展道路，是解決中國水資源短缺的必然選擇。

1.2 農業背景

面對龐大的人口基數，中國對農業的要求也日益提高。目前中國主要的灌溉技術有滴灌、噴灌、漫灌等。灌溉用水是各個用水行業之中需水量最大的一類，灌溉巨額的耗水量是導致中國水資源短缺現象產生的主要原因，而實現節水的有效方法除了可以提高全民的節水意識的方法外，還可以建立完善的工程手段（工程手段主要是指在田地里修建必要的節水水利工程，主要包括水渠的輸水節水工程和田間節水工程。這兩項節水工程主要包括防止渠道的滲漏，管路輸水過程中的水力損失，通過節水灌溉的手段例如噴灌、微灌等節水灌溉項目[1]）。在完善工程手段的過程中可以通過改進現存的灌溉設備來實現節約水源的目的，而對灌區內的灌溉設備改進的重點就是對現有的大型灌區渠道進行修復加固，提高防滲性能，同時對灌區建筑物進行維護和完善[2]。再者就是采用現代化的節水灌溉裝置替換傳統的漫灌設備，并且還需要合理的考慮設備的布置和排列問題，都有利于實現節水的目標。

1.3 技術背景

中國滴灌技術的發展歷程主要分為引進國外灌溉產品、產品模仿和自主研發3個階段[3]，由于滴灌比其他灌溉技術具有更優良的農業節水增產效果，因此受到世界各國干旱地區的重視。中國從1975年開始發展滴灌技術，并于1976年將滴灌研究列為中國重點項目之一。此后中國通過滴灌設備的制造與研制開發，使滴灌設備技術達到了一個全新的高度，但中國與進口生產的滴灌設備的質量仍存在一定的差距。

自以色列發明滴灌技術以來，90%以上的節水率使其成為高效利用灌溉水最有效的技術。滴灌可以減少蒸發損失，節約水資源，這對于解決中國耕地面積大但水源匱乏的問題具有重大意義[4]。而滴頭在滴灌中的作用不言而喻。通過不完全統計，目前中國生產制作的滴頭大部分不具有防堵的功能，在節水方面也存在缺陷，市場上的防負壓壓力補償形式的滴頭[5]在設計上相對比較完美，但是忽略了滴頭老化的情況。在防堵措施的設計上，大部分滴頭均采用波動防堵或者拆卸清理的方式，本文所涉及的滴頭防堵清理方式是在各種滴頭波動和拆卸清理方式的基礎上利用水壓力差沖刷，同時可以保證滴頭在使用過程中出水的穩定。滴頭是保障滴灌系統實現節約水源，提高水資源利用率的一個重要的不可缺少的部分。本文介紹的滴頭主要從3個方面來保證滴頭的穩定運行，以達到節約成本，經濟實用的目標。

2 節水防堵滴頭裝置總體設計

2.1 總體結構

節水防堵滴頭的設計主要包括以下3個方面：消能曲線流道、空腔儲水結構[3]、壓差防堵結構。每個部分都可以起到不同的作用。其總體結構如圖1所示。

圖1 節水防堵滴頭示意圖

2.2 工作過程

本設計滴頭進水口與輸水管道相連接，當輸水管道放水時，水流從輸水管道由進水口進入滴頭，通過曲線消能流道進行消能（此時水流在曲線流道里呈螺旋狀前進）。水在水泵的作用下進入灌溉管道，存在一定的水壓力，水流在壓力作用下進入滴頭，在曲線流道內充分消能，平穩地到達出水口，起到穩定出水的效果。同時可避免水流直接沖擊活塞，延長活塞的使用壽命。

滴頭與輸水管道通過卡槽卡在管道上的連接孔中。滴頭的卡槽在長時間工作下易產生老化或在水壓下與管道孔口產生縫隙，水從縫隙中漏出造成水資源的浪費。而本文設計的滴頭可使水流在進入消能曲線流道的過程中通過曲線壁上的逆止閥進入儲水空腔中，水可在儲水腔體中積累，當卡槽和孔口之間出現縫隙時，可通過逆止閥儲水腔體中補充水量，使腔體鼓脹起到填補縫隙的作用，以防止滴頭與灌水管道連接處漏水，以達到節水的效果。當停止供水時，儲水空腔中的水在逆止閥的作用下可以繼續留在腔體中[6]。

水流在通過曲線通道后進入出水口。正常情況下水可從出水口兩端的縫隙中流出，進入土壤。彈性體由鉚釘狀結構和彈簧組成，彈簧采用不易銹蝕的剛性材料，彈性適中，在滴頭發生堵塞時，由于出水口堵塞，空腔聚集水量不斷增大且壓力逐漸增大，可以推動鉚釘狀結構的錨頭帶動出水口處的釘狀物抽動以疏通出水口。此外，當堵塞嚴重時也可以人為推動出水口處的釘頭帶動活塞，活塞向上推動，出水口上側儲水空間變小，水壓變大，松開活塞時出水口處由于水壓增大，可在短時內噴出水流水，可起到沖刷出口，打通堵塞的效果。同時本設計滴頭其下部結構采用螺紋連接，如彈性體出現故障，也可以擰開出水口端，對其進行維護，在很大程度上提高了滴頭使用壽命。

2.3 3D打印技術滴頭制作的實現

3D打印技術已廣泛應用于制造業如人工血管、口腔、無人機等[7-8]，Revit建模常用在水利工程圖中，其圖面受人為因素影響很少，采用Revit可以避免對構造和CAD繪圖的理解不深刻從而造成平面圖很多地方產生錯誤的問題。Revit的另一個優點就是聯動功能十分強大，可以一處修改，處處更新，剖、平、立面、明細表雙向關聯，可以自動避免產生低級的錯誤，且精度高。本文將嘗試應用Revit軟件來實現滴頭三維實體模型的建模，其步驟大致如下：首先打開Revit軟件，新建族，采用公制常規模型，該模型為圓形節水滴頭，在正視圖采用旋轉命令，按照所需尺寸將族模塊完成。該模型建立4個族，各部分構件如圖2所示，最后在構造樣板中將4個族拼接在一起構成滴頭三維實體圖，如圖3所示。

圖2 節水防堵滴頭三維構件圖

圖3 滴頭三維實體圖

應用Revit對滴頭外殼進行三維實體構建后，由于Revit無法直接轉化成可以用于3D打印的STL格式，因此首先將模型先保存為DWG的格式，并將文件在AutoCAD中打開創建STL文件。使用分層軟件，按照所需精度，按照要求對結構模型的STL格式的文件進行切片處理，將得到的切片數據載入加工設備的控制系統。本滴頭3D打印制備使用的設備打印技術核心為熔融堆積成型（FDM）。三維建模主要材料為聚丙烯，聚丙烯材料在高溫下融化成半液態，通過可在X—Y方向上移動的噴嘴噴出，形成零件的斷面薄層，固化一層原料被之后，工作臺上移一個層厚的距離高度，新的聚丙烯材料覆蓋到下一層的表面，新的表層由于高溫的影響粘合在前一層上，如此多次，最終排列形成立體實物。FDM技術的優點是可以高效率利用原材料，三維建模成型精度高，精度可達±0.1mm、模型表面光滑，可以制造出精細度特別好、復雜度特別高的零件。

3 節水防堵滴頭裝置在滴灌中的優勢

滴灌技術相較于其他灌溉手段來說優勢更加的明顯，主要表現在實施過程中操作相對簡單，并且可以達到節約資源的目的。滴灌技術的節水能力一般能達到60%以上[9]。滴灌技術水分吸收如此之高是由于在輸水過程中避免了水的損失和滲漏，地表部分始終保持濕潤，防止地下水的超量補給，減少土地鹽堿化發生的概率，有效地減少了地表水分的蒸發[10]。同時，滴灌技術潤濕的土壤范圍有限，不會在地表發生徑流，在節約水資源的同時還可以防止雜草的生長，保證作物能夠充分地利用土壤肥力。土壤濕度較低同樣可以抑制病蟲的出現，可相對減少農藥的使用，保證作物質量[11]。該滴頭通過消能結構，空腔節水結構和防堵結構的設計可使滴灌的優勢更加明顯，有效解決了當前滴頭出水不均勻和不出水的問題，且本文闡述的滴頭其材料除彈性活塞中需要很小的不易銹蝕的剛性彈簧外，其他材料都是低成本的塑料型材，因此成本較低廉。

4 結語

農業是一個國家生存發展的前提，本文所提出的節水防堵滴頭自身具備有消能、節水、防堵的效果，可以很好地適應當下中國農業及水資源的現狀，在實際應用中具有易安裝、易維護、成本低、適范圍廣的特點，可以應用在大棚、林地、綠地、山地等不同環境中。同時可以適應當今社會的可持續發展的政策，踐行綠水青山就是金山銀山的生態理念。適應中國水資源不足的現狀，在農業發展的同時做到節約水資源、保護生態。未來將在此滴頭快速制作成型技術上做進一步研究。