戚高晟，朱星宇，劉劍軍，周紅吉，錢 爭，沈瑜偉，段永剛

(浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

多功能虹吸式灌溉裝置在小型農(nóng)業(yè)水利工程中的應用

戚高晟，朱星宇，劉劍軍，周紅吉，錢 爭，沈瑜偉，段永剛

(浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

為解決現(xiàn)有虹吸技術(shù)在應用于農(nóng)業(yè)灌溉中存在的進水口易脫離水面、管內(nèi)空氣累積減弱虹吸效果、水資源利用率不高等問題，研發(fā)一種多功能虹吸式灌溉裝置并將其應用于小型農(nóng)業(yè)水利工程中.針對虹吸管頂端的虹吸管頂端存在負壓的特點，以及排氣段排氣困難情況，利用壓強差實現(xiàn)普通排氣閥無法實現(xiàn)的自動排氣功能.因此在應用于實際農(nóng)田灌溉工程中，多功能虹吸式灌溉裝置能取代傳統(tǒng)的開口閘門工程，節(jié)省電泵的運作開支，相比普通虹吸管具有更高的實用價值，有助于促進農(nóng)田灌溉規(guī)范化高效化發(fā)展.

農(nóng)業(yè)灌溉；虹吸；多功能；排氣；壓強差；實用價值

自改革開放以來，我國城市輕、重工業(yè)高速發(fā)展，用水需求量急劇增加，不少地方采用擠占農(nóng)業(yè)用水的手段來解決自身用水困難的問題，但基于我國仍舊為農(nóng)業(yè)大國的現(xiàn)狀，至今農(nóng)業(yè)用水量約占全國用水量的70%.每年我國蒸發(fā)消耗總水量中，農(nóng)業(yè)蒸發(fā)耗水的比例約占90%,由此可見農(nóng)業(yè)節(jié)水是全國節(jié)水工程的重中之重，其關(guān)鍵在于減少輸水過程中的水量蒸發(fā)損失，提高水資源的利用率[1-2].而當下大多數(shù)農(nóng)業(yè)水利工程中的田間灌溉技術(shù)還比較落后,存在渠道開挖、維護不便、受地理因素制約大、水泵耗能較高等問題.現(xiàn)有虹吸技術(shù)在用于農(nóng)業(yè)灌溉時，仍有較多不足之處.針對上述問題，本文提出了一種新的虹吸式農(nóng)田灌溉多功能裝置.

1 現(xiàn)有的虹吸技術(shù)問題

當下,我國農(nóng)業(yè)水利工程中的田間灌溉技術(shù)，大多以渠道引水為主，傳統(tǒng)渠道引水灌溉通常采用在渠道上開挖缺口，設(shè)置排門，或使用抽水泵進行灌溉等方式，這些方式存在著維護不便、老化失修、安全隱患多等諸多弊端，不僅減少有效灌溉面積，而且增加人力、物力，提高了建設(shè)成本.因而，需要采用虹吸技術(shù)引水，這是一種更簡便、經(jīng)濟、穩(wěn)定的方案.然而，現(xiàn)有的虹吸技術(shù)在用于農(nóng)業(yè)灌溉時，仍存在著較大問題：

(1)現(xiàn)有的虹吸管的進水口通常被固定在一個位置，水位較低時，進水口容易脫離水面，破壞虹吸的真空狀態(tài)，制約虹吸管的正常工作[3].

(2)虹吸管在工作時，管道中會逐漸累積空氣，當空氣累積到一定量時，會導致虹吸過程中斷.研究發(fā)現(xiàn)，虹吸進水口水面以上垂直高度在3.5 m以上時[4]，就會出現(xiàn)大量氣泡，并且虹吸管的φ<4 mm時，基本上不出現(xiàn)大量氣泡的現(xiàn)象.然而，這種小管徑產(chǎn)生的流量遠不能滿足實際灌溉的需水量.普通的自動排氣閥設(shè)置在虹吸管道上時,還會發(fā)生外部氣體從排氣孔吸入的現(xiàn)象[5]，從而破壞虹吸管的運行.

(3)現(xiàn)有的虹吸管在農(nóng)業(yè)灌溉中通常將水直接引入田中，裝置設(shè)計比較死板，不夠靈活，很難做到因地制宜、因勢利導，使水資源不能得到充分利用，造成水資源浪費現(xiàn)象.

2 多功能虹吸管裝置運行分析

2.1 裝置構(gòu)造

針對現(xiàn)有虹吸技術(shù)的不足，本文提出一種虹吸式農(nóng)田灌溉多功能裝置，其裝置立體效果圖(見圖1).虹吸裝置由多段管道構(gòu)成，包括進水段、頂端排氣段和出水段.進水段依次由濾網(wǎng)、浮體、軟管、止回閥、PVC管構(gòu)成.濾網(wǎng)用于防止雜物堵塞管道；浮體與軟管組合使進水口的位置可以隨水位變動；止回閥用于防止倒流發(fā)生.

①-濾回；②-浮體；③-軟管；④-止回閥；⑤-PVC管 ⑥-45″PVC彎頭；⑦-三通；⑧-止水浮體；⑨-貯水筒 ⑩-變徑管；-支座；-閥門；-活接頭圖1 多功能虹吸式灌溉裝置立體效果圖

2.2 研究原理

裝置利用虹吸效應以及水的壓強之差，將進水結(jié)構(gòu)隨水位自動調(diào)節(jié)，同時采用活接頭使排水段更方便地連接下級管道.整個裝置依靠水的力學特性進行工作，無需使用電力，減輕了人力消耗，具有過濾、變水頭、自動排氣、易組裝拆卸等優(yōu)勢，實現(xiàn)了灌溉裝置的多功能化與便攜化.

因為水中攜帶的氣泡會破壞虹吸管的真空狀態(tài)，使虹吸管無法正常工作，所以管內(nèi)需要及時排氣，而一般的排氣閥在負壓狀態(tài)下會吸入空氣，不適用于虹吸管.針對此問題，本裝置創(chuàng)新設(shè)計了頂端排氣段，其由PVC管、支座、三通、變徑管、貯水筒、浮體組構(gòu)成，起著注水、排氣的作用.正常情況下，虹吸管頂端的壓強小于大氣壓強，而貯水筒中的水壓略大于大氣壓強，上下壓強之差能將浮體緊壓在變徑管口，起到密封效果；當真空狀態(tài)被破壞，浮體松弛，變徑管中的水與主管的空氣進行交換，使裝置恢復工作壓強，浮體再次被壓緊.

在進一步實驗中發(fā)現(xiàn)，單個浮球的浮力往往難以使浮球上浮排氣，因此改用浮球組結(jié)構(gòu)替代單個浮球.頂端排氣裝置具體工作原理(見圖2)，浮體組由上下兩個浮體和彈性繩組成，上浮體總是處于水面位置，下浮體位于管口附近，連接兩者的彈性繩會根據(jù)水深變化改變長度，從而為下浮體提供一個向上的彈力.根據(jù)水力學分析可知，在下浮體底面受負壓時，靜水對下浮體的壓力與水深成線性關(guān)系，而彈性繩對下浮體的拉力同樣與水深成線性關(guān)系，因此，根據(jù)這個原理選擇彈性系數(shù)合適的彈性繩，來控制裝置的排氣閾值，使氣體少量積聚時，下浮體就能及時上浮排氣，提高裝置排氣的靈敏性.

在進水口處設(shè)計了浮球結(jié)構(gòu)，使進水口的水頭總是維持在水面最高處，而當水位下降時，又不會與水面發(fā)生脫離，使得管內(nèi)始終保持虹吸效果.

頂端排氣段采用了一種巧妙而簡潔的排氣設(shè)計.由上浮體調(diào)控排氣閾值，氣體積聚使下浮球上升，實現(xiàn)排氣；氣體排出后，浮球下降，使裝置恢復工作壓強，最終實現(xiàn)裝置內(nèi)部氣體的實時自動排出，使得虹吸能持續(xù)進行.

出水段依次由PVC管、閥門、活接頭構(gòu)成，閥門用于調(diào)節(jié)流量大小，方便用戶選擇；采用活接頭能實現(xiàn)虹吸管與下級管道間的快速連接或拆卸，以滿足各種不同條件下的輸水、滴灌需求.

①-上浮體；②-彈性連接件；③-貯水筒；④-下浮體；⑤-變徑管；⑥-三通圖2 頂端排氣裝置工作原理圖

2.3 設(shè)計計算

(1)確定進出水口的水位高程差值

按渠道水面水位與農(nóng)田水位高差確定進出水口的水頭差值，盡可能減輕虹吸管的管道自重及使用最佳引水管徑.

虹吸管輸水量的計算：

(1)

式中：Q—輸水流量,m3/s；μc—管道系統(tǒng)的流量系數(shù)；A—輸水斷面面積,m2；g—重力加速度,m/s2；z—渠道水位與農(nóng)田水位高差,m；l—輸水管道管長,m；d—管道管徑,m；ξ—局部損失系數(shù)；λ—沿程損失系數(shù).

(2)虹吸管頂部安裝高度的計算

設(shè)計計算中的水頭損失包含沿程損失和局部損失，由于虹吸管下游管段水體的部分位能逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，壓強沿程增加，由此有必要計算出最高管段末端轉(zhuǎn)彎處的真空度.

(2)

式中：Hv—虹吸管頂部的真空值，Pa；Zs—管道最高點的安裝高度,m；h—管道進口至最高點的距離,m；λ—沿程損失系數(shù)；l—虹吸管的總長,m；g—重力加速度,m/s2；d—管道管徑,m；

∑ξ—管道進水口至最高點的局部損失系數(shù)總和;v—管道內(nèi)的水流流速,m/s.

2.4 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)管材的選擇

引水工程常用的管材一般選用鋼材，并做防水腐蝕處理，增加耐久性.但是實際上鋼管具有自重大，運輸及施工不便，安裝時需焊接等缺點.本裝置管材以PVC為主，具有管壁光滑、阻力系數(shù)較小、水力特性較好、耐腐蝕等優(yōu)點[6]，且材質(zhì)輕盈，施工運輸方便，維修簡單，因而可作為本引水裝置的管道材料.

(2)管道的關(guān)鍵部件

虹吸管的進水口呈喇叭型并設(shè)置攔污柵，便于從渠道中取水，改善水流條件，防止吸入雜質(zhì)，維護虹吸管的正常運行[7].管道最高點的自動排氣裝置由上浮體調(diào)控排氣閾值，氣體積聚使下浮球上升，實現(xiàn)排氣；氣體排出后，浮球下降，使裝置恢復工作壓強，最終實現(xiàn)裝置內(nèi)部氣體的實時自動排出，使得虹吸能持續(xù)進行.下游出水口設(shè)置閥門、活接頭，便于將渠道內(nèi)的水引入需要灌溉的農(nóng)田區(qū)域，實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的高效化操作[7].

(3)虹吸管關(guān)鍵組件改進設(shè)計

通過實地調(diào)查原有的虹吸管灌溉裝置，發(fā)現(xiàn)其在輸水作業(yè)時存在諸多問題，影響灌溉效率.本文通過理論分析與實驗研究對虹吸管關(guān)鍵組件進行優(yōu)化改進，虹吸管關(guān)鍵組件原狀與改進設(shè)計后對比(見表1).

表1 虹吸管關(guān)鍵組件原狀與改進設(shè)計對比表

3 影響因素分析與對策

(1)虹吸管安裝高程差的控制

虹吸管是一種部分管軸線高于上游取水水面，而下游出口又低于上游水面的有壓輸水管道.其工作原理是：先將管內(nèi)空氣排出，使管內(nèi)形成一定的真空度.由于虹吸管進口處水流壓強大于外界大氣壓強，在管內(nèi)外形成了壓強差，從而使水流由壓強大的地方流向壓強小的地方.因此，一定的真空度和一定的上下游水位差是保證虹吸管正常工作的兩個必要條件.

為保證虹吸管灌溉裝置正常工作，虹吸管進水口與管頂間安裝高度需要預留較大的真空度，應將安裝高度差控制在7 m以下，同時渠道水位與出水口段的水位差應保持1 m以上，以利于虹吸管正常輸水[8].

(2)虹吸管進水口段的防污處理

由于灌區(qū)的取水源地多為天然河流或湖泊，往往有許多雜質(zhì)垃圾懸浮在水體中，容易在虹吸管取水口形成雜質(zhì)堵塞現(xiàn)象，影響虹吸管灌溉裝置的正常運行.因此在日常運行中，專業(yè)巡檢人員應對進水口段防污濾網(wǎng)做定期檢查，及時清除進水口段濾網(wǎng)上積聚的雜質(zhì)，避免因進水段出現(xiàn)堵塞而影響裝置工作效率.此外，應根據(jù)虹吸管流量大小與使用頻率定期對虹吸管進行檢查，及時為虹吸管裝置補充水量，以保持管道中的真空條件.

(3)彈性繩的材料特性

頂端排氣裝置內(nèi)的浮體組由上下兩個浮體和彈性繩組成，連接兩者的彈性繩會根據(jù)水深變化改變長度，從而為下浮體提供一個向上的彈力.根據(jù)水力學分析可知，在下浮體底面受負壓時，靜水對下浮體的壓力與水深成線性關(guān)系，而彈性繩對下浮體的拉力同樣與水深成線性關(guān)系.因此，根據(jù)這個原理選擇彈性系數(shù)合適且具備較好耐久性的彈性繩，來控制裝置排氣閾值的同時達到減輕水對繩子本身的腐蝕目的，使得管道內(nèi)氣體少量積聚時，下浮體就能能及時上浮排氣，提高裝置排氣的靈敏性，延長裝置的使用壽命.

(4)頂端排氣裝置的氣密穩(wěn)定性

頂端排氣段采用了由上浮體調(diào)控排氣閾值，氣體積聚使下浮球上升來實現(xiàn)排氣；氣體排出后，浮球下降，使裝置恢復工作壓強，最終實現(xiàn)裝置內(nèi)部氣體的實時自動排出，使得虹吸能持續(xù)進行.安裝裝置和正常使用時應保證管頂排氣處裝配的浮球結(jié)構(gòu)具有良好的氣密性，使得當氣體排出裝置后，裝置能恢復工作壓強.

(5)極端使用環(huán)境的應對

應盡可能避免在較為惡劣的自然環(huán)境使用該裝置，以防虹吸管裝置因損壞無法正常運行.冬天偏遠山區(qū)氣溫較低，在不使用裝置時應小范圍打開一側(cè)閥門，給予管道中水結(jié)冰體積膨脹后的釋放空間，避免水結(jié)冰擠爆管道脆弱部位導致管道漏氣.夏季使用時應在虹吸管表面加隔熱物質(zhì)，避免烈日照射下管體發(fā)生熱膨脹而破裂.

4 結(jié) 語

多功能虹吸灌溉裝置通過優(yōu)化虹吸管的構(gòu)成組件，提升管道過流能力，實現(xiàn)虹吸管自動排氣功能，使得裝置能夠進行長時間持續(xù)的引水工作.在德清、仙居等縣進行的小型農(nóng)田水利的應用中發(fā)現(xiàn),該裝置能取代傳統(tǒng)的開口閘門工程，節(jié)省電泵的運作開支，且比普通虹吸管具有更高的實用價值，能取代現(xiàn)有的虹吸管進行農(nóng)田灌溉工作，提高了虹吸管在輸水過程中的適用性.該裝置的使用不僅能避免開挖渠道的人力財力消耗，而且有利于促進農(nóng)田灌溉的規(guī)范化、高效化.

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Application of Multifunctional Siphon Irrigation Device in Small Agricultural Water Conservancy Project

QI Gao-sheng, ZHU Xing-yu, LIU Jian-jun, ZHOU Hong-ji,QIAN Zheng, SHEN Yu-wei, DUAN Yong-gang

(College of Hydraulic and Environment Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

The existing siphon device applied in agricultural irrigation is easy to escape from the water surface, and the air accumulation in the pipe results in poor siphon effect and low utilization rate of water resources. A multi-functional siphon irrigation device is developed and applied in small agricultural water conservancy projects. Aiming at the negative pressure in siphon top and the exhausting problem in exhausting section, the automatic exhausting function is realized by pressure difference, which is hard to be realized by common exhausting valve. Therefore, the so-called multifunctional siphon irrigation device can be applied in actual irrigation projects to replace the traditional opening gate projects, with lower operating expenses for the electric pump and high practical value compared with ordinary siphon, promoting the efficient development of standardized farmland irrigation.

agricultural irrigation; siphon; multi-function; exhaust; pressure difference; practical value

S274

A

1008-536X(2017)03-0037-04

2016-10-10

浙江省自然科學基金資助項目(LY17D030001)

戚高晟(1995-)，男，浙江諸暨人，主要從事水利水電工程研究.