謝崇寶，張國(guó)華，魯少華，盧文娟，陳 娟，謝瑞環(huán)(.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 000；.北京中灌綠源國(guó)際咨詢有限公司，北京 000；.河海大學(xué)，南京 0098；.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 000；.中灌潤(rùn)茵(北京)節(jié)水灌溉設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 00)

1 研發(fā)目的

噴灌技術(shù)是一種農(nóng)田高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1,2]，其能夠使水噴灑均勻且能夠減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，在當(dāng)今農(nóng)事作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[3,4]。而噴灌裝置作為其中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與安放位置十分重要。為了解決傳統(tǒng)噴灌設(shè)備影響田間的正常耕作或收割等農(nóng)事作業(yè)的問(wèn)題，地埋式自升降的噴灌裝置[5,6]應(yīng)運(yùn)而生。但現(xiàn)有地埋式自升降噴灌裝置在安裝時(shí)需要依靠人工或機(jī)械來(lái)開(kāi)挖安裝點(diǎn)上的土壤，這不僅使噴灌系統(tǒng)成本，特別是安裝成本較高，而且安裝質(zhì)量較難控制。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)提供的噴灌裝置在單套供水系統(tǒng)的情況下只能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升起，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下降，在非灌溉季節(jié)需要依靠外力才能將其回縮至耕作層以下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)升起和下降，在勞動(dòng)力特別緊缺和頻繁需要升降的情況下，其實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，亟須研制一種施工挖方量小、穩(wěn)定可靠，并且依靠單套供水系統(tǒng)可進(jìn)行自升降的噴灌裝置，該設(shè)備是現(xiàn)有地埋式自升降噴灌設(shè)備半自動(dòng)和全自動(dòng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備，包括地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭、內(nèi)管、外管、止球器、球體、支撐環(huán)、鉆頭，如圖1所示。

由圖1(a)可知，旋轉(zhuǎn)式噴頭的頂部設(shè)置有出水口；內(nèi)管的外徑小于外管的內(nèi)徑；外管的上部側(cè)壁上設(shè)置有進(jìn)水/出水口，進(jìn)水/出水口與輸水管道連接；止球器為圓盤，圓盤上設(shè)置有用于水流通過(guò)的通孔，通孔的個(gè)數(shù)至少為1個(gè)，通孔的孔徑以及支撐環(huán)的內(nèi)徑均小于球體的球徑； 支撐環(huán)為橡膠圓環(huán)；球體為圓球體或橢球體，球體為空心鋁球；鉆頭包括鉆桿和鉆頭本體，鉆桿的端部分別與外管的下端以及鉆頭本體連接，鉆桿上設(shè)置有螺旋狀排屑槽。

地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭設(shè)置在內(nèi)管的上端，且位于外管的外部；內(nèi)管套裝在外管的內(nèi)部，內(nèi)管與外管的上端密封接觸，且可相對(duì)外管軸向運(yùn)動(dòng)；止球器設(shè)置在內(nèi)管上端，且位于地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭的下方；球體設(shè)置在內(nèi)管的內(nèi)部，且可在支撐環(huán)與止球器之間軸向運(yùn)動(dòng)；支撐環(huán)設(shè)置在內(nèi)管的下端，且與內(nèi)管的側(cè)壁緊密接觸，形成內(nèi)管的底部；鉆頭設(shè)置在外管的下端；密封件蓋裝在內(nèi)管與外管上端的連接處；刮土器設(shè)置在密封件的上方；支撐臺(tái)設(shè)置在內(nèi)管下端相對(duì)的側(cè)部，呈對(duì)稱的楔形布置，通過(guò)支撐臺(tái)，支撐環(huán)與內(nèi)管的側(cè)壁緊密接觸。

1-地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭；11-出水口；2-內(nèi)管；3-外管；31-進(jìn)水/出水口；4-止球器；5-球體；6-支撐環(huán)；7-鉆頭；8-密封件；9-刮土器；10-支撐臺(tái)圖1 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

由此可知，鉆頭和地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭及其出水口解決了設(shè)備的雙向鉆土問(wèn)題，即“上鉆出地”、“下鉆安裝”，大大提高了安裝質(zhì)量。設(shè)計(jì)的球體是解決單管自升降問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)單套管路實(shí)現(xiàn)自升降，大幅度節(jié)約公頃平均投資。雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備是地埋式自動(dòng)升降型一體化噴灌設(shè)備的升級(jí)換代產(chǎn)品。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：一是本設(shè)備依靠自帶的下鉆頭直接入地到位安裝，無(wú)需因?yàn)榘惭b設(shè)備額外開(kāi)挖，減少土壤的擾動(dòng)，當(dāng)然，本設(shè)備也可以事先打孔安裝，其下鉆頭能夠方便地保證設(shè)備的穩(wěn)定性和垂直度等；二是本設(shè)備依靠負(fù)壓將伸縮管吸回耕作層以下，單純一套供水管道即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下，節(jié)約了一套輔管系統(tǒng)，降低了成本；三是本設(shè)備為地埋式自升降，不影響耕作及其他農(nóng)事活動(dòng)。

3 工作原理

本設(shè)備通過(guò)在外管下端設(shè)置鉆頭，能夠在進(jìn)行安裝時(shí)依靠外力旋轉(zhuǎn)該噴灌裝置帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，使其邊切割土壤邊向下運(yùn)動(dòng)，直至該噴灌裝置下行到地下的指定安裝位置?？梢?jiàn)，本裝置無(wú)需人工或機(jī)械開(kāi)挖安裝點(diǎn)上的土壤，其通過(guò)自鉆進(jìn)入地下，并保持在非灌溉狀態(tài)時(shí)位于地下，不僅顯著提高了安裝質(zhì)量及安裝效率，且避免了對(duì)土層造成擾動(dòng)以及對(duì)地上正常耕作及其他農(nóng)事作業(yè)造成影響。

由圖1(a)可知，在非灌溉狀態(tài)時(shí)，內(nèi)管位于外管內(nèi)部，且由于內(nèi)管外徑小于外管內(nèi)徑，內(nèi)管和外管之間留有用于水流通過(guò)的空隙。此時(shí)，球體位于內(nèi)管下端的支撐環(huán)上。可以理解的是，支撐環(huán)的側(cè)部與內(nèi)管的側(cè)壁緊密接觸，以使支撐環(huán)與內(nèi)管接觸的部分處于密封狀態(tài)。而支撐環(huán)的中間環(huán)狀部分為圓孔狀，此時(shí)，由于球體的球徑大于支撐環(huán)的環(huán)內(nèi)徑，球體將位于該支撐環(huán)的內(nèi)環(huán)處，并與支撐環(huán)一起形成密封的整體。

由圖1(b)可知，在灌溉狀態(tài)時(shí)來(lái)自輸水管道的有壓水流由外管上的進(jìn)水/出水口進(jìn)入外管內(nèi)，并在內(nèi)管下端推動(dòng)球體，使球體離開(kāi)支撐環(huán)在內(nèi)管的內(nèi)部向上運(yùn)動(dòng)，直至被止球器阻擋并?？吭谥骨蚱鞯南露恕Ｅc此同時(shí)，有壓水流進(jìn)入內(nèi)管并推動(dòng)內(nèi)管和地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭向上運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中，有壓水流進(jìn)入地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭中并由其頂部的出水口噴出，形成高速水流。該地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭通過(guò)旋轉(zhuǎn)可以向上鉆土，且該高速水流具有沖擊并切割上部土壤的能力，如此作用下，更利于內(nèi)管和地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭在地下向上運(yùn)動(dòng)，直至暴露于地表，進(jìn)行灌溉作業(yè)。

由圖1(c)可知，當(dāng)灌溉結(jié)束時(shí)輸水管道停止供水，球體將在自身重力作用下回落至內(nèi)管下端的支撐環(huán)上，與此同時(shí)，內(nèi)管中的水也隨之流回至外管。然后將外管中的水經(jīng)進(jìn)水/出水口排出，此時(shí)，由于球體下端與支撐環(huán)密封接觸，將隔絕空氣進(jìn)入外管內(nèi)部，從而使外管與外界形成氣壓差。該氣壓差將促使內(nèi)管向下運(yùn)動(dòng)，直至完全下降至外管內(nèi)部，恢復(fù)至非灌溉狀態(tài)時(shí)的地埋狀態(tài)。

由上述工作過(guò)程可知，本設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)向上鉆土及向下鉆土的雙向鉆土功能，利于提高安裝效率，減少對(duì)土層的擾動(dòng)；在非灌溉狀態(tài)時(shí)埋于地下，不會(huì)影響地上的正常農(nóng)事作業(yè)；灌溉狀態(tài)時(shí)自動(dòng)升起頂出地面到設(shè)計(jì)高度，完成灌溉作業(yè)。設(shè)備依靠單套供水系統(tǒng)即可進(jìn)行自升降，有效提高了安裝效率、耕作效率和噴灌效率，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及勞動(dòng)成本。

4 技術(shù)規(guī)格

本設(shè)備的技術(shù)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1，噴嘴規(guī)格、射程和流量等均可根據(jù)設(shè)計(jì)需要靈活選用。

圖2為雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備產(chǎn)品圖。經(jīng)檢測(cè)，本產(chǎn)品達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22999的要求，其中管道耐水壓性能：常溫條件下，噴頭保持2倍的最大工作壓力(即0.5 MPa)保持壓力1 h；管道及其零部件能承受試驗(yàn)壓力而不損壞，噴體及其連接部位不出現(xiàn)泄漏，并且噴頭不與連接件脫開(kāi)；升降性能：常溫條件下，噴頭在規(guī)定試驗(yàn)壓力下(0.3 MPa)升出地面的時(shí)間≤10 s，斷水后噴頭回縮地下的時(shí)間≤60 s；有效噴灑半徑：有效噴灑半徑12～15 m，其偏差不大于±5%；噴頭流量：在規(guī)定試驗(yàn)壓力(0.3 MPa)下噴頭流量的變化量不大于±5%；轉(zhuǎn)動(dòng)速度均勻性：噴頭旋轉(zhuǎn)1/4圈所需的平均時(shí)間，相對(duì)于平均值的極限偏差率不大于士12%；轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性：將噴頭旋轉(zhuǎn)軸線偏離垂直線10°，在整個(gè)工作壓力范圍內(nèi)，噴頭能始終正常工作；啟動(dòng)壓力：0.2 MPa。

表1 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備技術(shù)規(guī)格參數(shù)

圖2 雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備產(chǎn)品圖

5 設(shè)備安裝

本設(shè)備安裝較為方便，一般安裝在地表以下0.35～0.40 m，具體埋深應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)馗鲗由疃鹊纫蛩貋?lái)確定，管道的埋深根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和施工條件來(lái)確定。安裝示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 產(chǎn)品安裝示意圖

具體施工過(guò)程：在田塊中確定管網(wǎng)布置線路及設(shè)備安裝位置，利用人工或機(jī)械方式在選定線路上開(kāi)挖出管網(wǎng)鋪設(shè)溝渠，深度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；之后鋪設(shè)輸水管道，并在設(shè)計(jì)位置利用設(shè)備自帶的旋轉(zhuǎn)鉆頭向下鉆土安裝本設(shè)備，將進(jìn)/出水口與輸水管道相連；最后，回填開(kāi)挖出來(lái)的土壤直至填平，安裝完成。

如果地塊中已布設(shè)有輸水管網(wǎng)，可根據(jù)地形地勢(shì)和配水管道位置進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，確定設(shè)備安裝位置，用人工或機(jī)械方式開(kāi)挖安裝點(diǎn)上的土壤直至露出輸水管道；之后進(jìn)行本設(shè)備的安裝和土壤回填，此安裝程序與前面相同。

圖4為現(xiàn)場(chǎng)安裝施工，圖5為正常工作狀態(tài)。目前已在河

圖4 現(xiàn)場(chǎng)施工

圖5 正常工作

南、河北、北京、浙江等地使用推廣多達(dá)666.667 hm2，取得了較好的使用效果，得到了群眾的認(rèn)可。

6 結(jié) 語(yǔ)

雙向鉆土型地埋式自升降噴灌設(shè)備已取得國(guó)家授權(quán)專利，依靠本身的下鉆頭直接入地到位安裝，無(wú)需因?yàn)榘惭b設(shè)備額外開(kāi)挖，減少了對(duì)土層的擾動(dòng)，提高了安裝效率。在非灌溉時(shí)自動(dòng)回縮至地下耕作層以下，灌溉時(shí)自動(dòng)升起至設(shè)計(jì)高度，節(jié)約了一套管道系統(tǒng)，降低了成本，提高了灌溉效率，是地埋式自動(dòng)升降型一體化噴灌設(shè)備的升級(jí)換代產(chǎn)品。

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