虹吸式自动波涌流节水灌溉装置研究

发布时间：2016-11-28 07:38

1  前言 

1.1 研究的目的和意义 
虽然地面灌溉是一种非常古老而又传统的田间灌溉技术，但它目前仍然是全世界，特别是广大的发展中国家采用最广泛的一种灌水方法，更是我国采用的一种最直接、最普遍的灌水方式。目前，全世界的灌溉面积中约占 90%左右的面积为地面灌溉，而我国地面灌溉的面积占总灌溉面积的比重高达 97%，其中我省比重约为 96.5%（陈雷，1999）。我国是一个农业大国，耕地面积多，人口众多，农业用水相对总量很大。充分考虑到我国水资源不足且分布不均匀、经济水平相对落后、管理技术不足的现实，我国在未来一段时间内，仍将会以传统的地面灌溉为主，而像滴灌、微喷灌等先进灌溉技术还不可能实现大面积推广和利用（李金虎，2007）。因此，我国现在关于节水灌溉技术的工作重心应在地面节水灌溉技术的研究和大力推广上，并优化改进与之配套的节水灌溉装置。鉴于我国广大灌区经济实力、管理技术水平等现状，大面积推广滴灌、微灌、微喷灌等先进节水灌溉技术还在一定程度上受到极大的限制和挑战（李强，2012；李萌，2006）。在相当长的一段时间内，地面灌溉仍是最主要的大田灌溉技术，大力的推广和应用地面节水灌溉技术势在必行，特别是渠道输配水条件下田间地面节水灌溉技术及其自动灌溉设备的研究更是当务之急（闫志国，2007；廖云等，2007）。 波涌流灌溉技术具有节水、省时、保肥、增产、水流推进速度快、灌水均匀度高等优点（费良军，1996），同时，还可以利用浑浊水或污水进行作物灌溉。特别是在我国广大的利用渠道输配水的引黄灌区中，直接利用黄河水进行灌溉，不需要净水及沉淀处理，是一种非常适合我国实际情况的节水灌溉方式（陈军，2007）。除此之外，波涌灌溉可广泛的适用小麦、玉米、棉花、马铃薯、洋葱等沟灌或畦灌的粮食作物或经济作物。 “田间管道均匀移动自动地面节水灌溉”及“波涌流自动地面节水灌溉”技术，具有明显的节水效果，提高灌水均匀度、减少甚至杜绝了深层渗漏、提高了田间土壤储水效率和水分利用效率，节水率可达 10%～40%左右（费良军，1998）。同时，可以实现自动化灌溉，降低了劳动强度，严格控制各灌水技术参数，确保了灌水质量。所以，该技术是一项应大力推广和应用的节水型灌溉方式，具有广阔的发展前景和应用空间，必将有利于实现我国的绿色节水型农业及水资源的高效利用（王春堂，2005）。 
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1.2 国内外研究现状
波涌灌溉是一种绿色地面节水灌溉新技术，它主要依据待灌畦田的长度，把连续灌水时间按照实际情况合理的分为几个有效灌水周期，每个灌水周期包括一个周期灌水时间和一个周期停水时间，间歇性地向待灌畦田的畦沟中供水，即利用几个灌水周期和几个停水周期，按一定的周期交替性地向畦沟中灌水（王春堂，，2005）。波涌流灌溉包括多次周期灌水和周期停水的过程，畦田的表面会保持周期性的干燥和湿润。由于受到间歇灌水的影响，畦田表面的土壤结构会发生明显的变化，表面会形成一层致密的保护层。这层致密的保护层会阻止灌溉水的下渗，并使畦田表层的摩擦力减小，最终加快灌溉水的流速和减少深层渗漏，有助于水流快速的向畦田末端推进。通过这种灌水方式，灌溉水的入渗时间缩短，特别是畦沟首部的入渗时间缩短和入渗能力减弱，从而降低了灌溉水的入渗总量。因此，在上述“间歇灌水效应”的影响下，使畦田前段田面的受水时间在水流方向上大大减少，灌溉水深层渗漏量减少，农田灌溉水的灌水均匀度、水分利用率及灌水效果都有很大的提高，从而达到有效节水的目的（许迪，2001；王春堂，2005；陈军，2007）。波涌流灌溉在实际应用中，一般采用大流量、快推进、间断性向畦田灌水的灌水模式。与传统的连续灌溉不同，波涌灌溉的水流不是通过一次性灌到沟畦的末端，而是分多次且分段性的从畦田首端均匀的推进到畦田的末端（闫志国，2007）。当波涌流灌溉一次灌水结束后，畦田的表面会形成一层完善且致密的保护层，降低畦田的入渗率和表面粗糙率，有利于提高灌水均匀度和灌溉效果。 
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2  波涌灌溉的技术参数和最佳灌溉模式的确定 

2.1 波涌灌溉的特点 
大量的关于波涌流灌溉的田间灌水数据和经验表明，波涌流灌溉具有良好的节水、节能效果。其节水效果与畦田长度、耕作条件、土壤质地、灌溉季节等有关（王浩，2007）。对于灌区长度为 90m～400m 的畦田，波涌灌溉比连续灌溉节水 10%～40%左右，且随着畦田长度的增加,波涌灌溉技术的节水效果越好。一次波涌灌溉中头水的节水率比二水和三水大且节水效果好（彭立新，2001）。其中，头水的节水率为 7%～36%，而二水和三水的节水率为  5%～24%（管怀明，2001）。在一个长度为 240m 的待灌畦田中，在一定单宽流量前提下，普通连续灌溉需要 145min 才能灌完。若采用周期为 3、循环率为1/3、周期灌水时间为 26min 的波涌流灌溉，仅需 75min  就能完成全部灌溉，断面的最大流速为连续灌溉的 2.2～2.5 倍，浇地效率平均提高 21％，大大节省灌溉时间，且灌水时间和灌水定额均有降低，节水率可高达 37.9％左右（陈军，2007）。此装置利用渠道中的水作为动力，而不需要电、油、或太阳能等其它的外加动力，具有良好的节能效果。 
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2.2 波涌灌溉技术参数的确定
波涌流灌溉技术是一种新型的地面节水灌溉方法，它采用大流量、快推进、间断性的向沟（畦）放水，与传统的灌溉方式相比，波涌灌溉技术主要依据待灌地块的长度，把一次连续灌水时间划分为几个分段地供水周期，采用间歇性的灌水模式将水引入田里，使水流快速推进到畦田（沟）尾。 波涌灌溉的技术参数除了包括传统连续灌溉的畦田规格、单宽流量、放水时间等技术参数，还包括周期数、循环率、灌水周期时间、周期灌水时间、周期停水时间、净灌水时间等，这些技术参数是影响波涌流灌溉的关键因素，本课题研究的虹吸式自动波涌流灌溉装置就是基于这些技术参数完成的。 以上的六个参数是波涌流灌溉灌水过程的主要技术参数，六个控制参数中，其中三个存在关系式，只要确定了灌水周期数、净灌水时间和循环率三个参数就可求得其它相应参数。一般只需要确定波涌灌溉的净灌水时间、周期数、循环率三个参数，其余的参数即可通过相应的关系式求得。综上所述，需要确定的波涌灌溉控制参数有：畦田规格(畦长和畦宽)、单宽流量、周期数、净灌水时间和循环率。 
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3  虹吸式自动波涌流灌溉装置简介及原理 .......... 22 
3.1  设计思路 ...... 22 
3.2  设计原则 ...... 22 
3.3  结构设计 ...... 22 
3.4  工作原理 ...... 23 
3.5  波涌灌溉控制参数的调整 ..... 24 
4  虹吸式水力自控装置结构设计 ........ 25 
4.1  装置渠道宽、深的确定 ......... 25 
4.2  水车的设计 ........... 25 
4.3  稳压池设计 ........... 26 
4.4  控制池的设计(起到计时器的作用) ........ 26 
4.5  虹吸池的设计 ....... 27 
4.6  虹吸管的设计 ....... 28 
4.7  虹吸管直径的确定 ........ 29 
4.8  水车提水量的确定 ........ 30 
4.9  装置提供流量 Q出的确定 ...... 31 
4.10 该虹吸式水力自控装置所需要的地形高差最小值 .......... 31 
5  装置的室内灌水试验 ...... 33 
5.1  试验测量工具 ....... 33
5.2  室内灌水试验 ....... 36 

5  装置的室内灌水试验 

5.1 试验测量工具

本试验使用的仪器是由陕鼓西仪集团有限责任公司生产，型号为 XYLDG-DN80-105的智能电磁流量计。数值可以直接从电子屏幕中读出，最大测量流量为 120m3/h，测量值的重复性误差控制在±0.1%。仪器如下图 5-1 所示：本试验渠道中水流流速的测量采用等腰直角量水堰，如下图 5-2 所示： 水深测量的仪器是采用重庆华正水文仪器有限公司生产的智能数显水位测针，型号为 SX40-1 型，主要是测量模型内设计横断面和纵断面交点处的水深。测针的精度为0.1mm，可直接从电子显示屏中读出水深，使用方便快捷，精确度高。

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结论 

本课题主要通过对波涌灌溉和传统连续灌溉两种灌溉方式在不同土壤质地、畦（沟）田规格、波涌流灌水参数、灌水定额与土壤水分入渗及分布、土壤水分利用、作物产量、节水率等参数之间的对比试验的研究，然后对比分析波涌灌溉的灌水优点、对田间水分分布及水分利用特征的影响。进而构建不同土壤质地、不同畦（沟）田规格的田间波涌流灌溉最佳参数，建立波涌流地面节水灌溉质量、节水效果与畦（沟）田规格、土壤质地、灌溉参数之间的相关关系。特别是对波涌灌溉的周期数、循环率、灌水周期时间、周期灌水时间、周期停水时间、净灌水时间等控制参数的研究和分析，进一步确定在一定畦（沟）田规格、土质等情况下的波涌流灌溉的最佳灌水模式。以最佳灌水模式为基础，研发在渠灌区渠道输配水条件下，利用渠道内灌溉水作为动力能自动完成灌溉的大田虹吸管式自动波涌流地面节水灌溉装置。该装置利用水车提升水流作为动力，通过稳压池、控制池（起到计时器的作用）等部件控制虹吸管定时形成虹吸或断开虹吸，完成波涌流节水灌溉的周期供水和周期停水，实现波涌流灌溉的自动化该装置可以实现对周期数、循环率、周期灌水时间、周期停水时间、灌溉流量等各波涌流灌溉参数的任意调节。对该虹吸式水力自控装置进行一系列的室内灌水试验，对试验数据进行有效分析和装置的进一步完善，并实现对周期数、周期灌水时间、周期停水时间、循环率、灌溉流量等各波涌流灌溉参数的调节更加精确。结论主要总结如下： 1.波涌流地面节水灌溉技术具有节水、节能、保肥、增产、灌水均匀、灌水质量高的优点，并具有水流推进速度快、减少深层渗漏、降低劳动强度等特点。同时，可用浑浊水、咸水或污水直接进行灌溉，且不需要任何的净水处理。 2.该装置可直接利用水车提升水流作为动力，不需要任何外加动力，即可完成波涌流自动节水灌溉的周期灌水和周期停水。 3.通过稳压池、控制池等部件控制虹吸管定时形成虹吸或断开虹吸，可实现对周期灌水时间、周期停水时间、循环率、周期数等各波涌流灌溉参数的任意调节。  
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参考文献(略)

本文编号：196227