胡 斌

(江蘇大學京江學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

國內(nèi)現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)中，固定管道式灌溉系統(tǒng)，設備利用率低，單位面積投資高；半固定和移動管道式灌溉系統(tǒng)，設備利用率雖高，但農(nóng)戶勞動強度大，噴灌規(guī)模??；輕小型移動式灌溉機組由于其結(jié)構(gòu)特點適應于我國當前地塊小，農(nóng)戶分散，種植作物多樣的土地經(jīng)營特點，因而在我國廣泛應用。但其功能單一，固定的管道布置方式使其的適用范圍同樣受到限制[1-3]。

同時，噴灌技術和滴灌技術雖是我國現(xiàn)階段節(jié)水灌溉的主要形式，但噴灌系統(tǒng)投資大，運行費用高，管理水平要求高等缺點仍然存在；滴灌灌水器易堵塞問題仍是滴灌發(fā)展面臨的難題[4-6]。

因此，本文設計研發(fā)一種新型輕小型移動式噴滴灌兩用機組，滿足噴灌、滴灌輪流使用與混用灌溉目的，并可實現(xiàn)4種運行模式。與現(xiàn)有兩用機組相比，機組具有結(jié)構(gòu)緊湊，移動方便，適應性強等優(yōu)點。

1 輕小型移動式噴滴灌兩用機組

1.1 機組結(jié)構(gòu)

輕小型移動式噴滴灌兩用機組，包括首部移動式噴滴灌車，噴灌系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)。移動式噴滴灌車的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。移動式噴滴灌車包括小推車，噴滴灌雙工況泵和柴油機，噴灌閥門，壓力表，滴灌閥門，壓力表，過濾器，壓力表，真空表，施肥桶和施肥閥門構(gòu)成。其特征在于，小推車的一端固定裝有噴滴灌雙工況泵，泵的一側(cè)配有柴油機，柴油機與泵為軸承連接，為泵的運轉(zhuǎn)提供動力。在雙工況泵的進水管上側(cè)面安裝吸肥管，通過施肥閥門，經(jīng)軟管連入施肥桶，施肥桶設在小車外部，置于地面上，減少小車的體積和重量。施肥閥門用來控制施肥的流量。進水管上安裝真空表，用以測量真空度。雙工況泵出水管處經(jīng)管道分支連接滴灌通路及噴灌通路。滴灌通路上接有滴灌閥門、壓力表及過濾設備，噴灌通路上同樣接有噴灌閥門及壓力表。移動式噴滴灌車上各部件的連接采用鋼管連接。

1-小推車；2-噴滴灌雙工況泵和柴油機；3-噴灌閥門； 4-壓力表；5-滴灌閥門；6-壓力表；7-過濾器；8-壓力表；9-真空表；10-施肥桶；11-施肥閥門圖1 移動式噴滴灌車結(jié)構(gòu)簡圖

噴灌系統(tǒng)的管道布置如圖2所示。噴灌系統(tǒng)的移動支管與移動式噴滴灌車的噴灌通路采用快速接頭連接，移動支管端部接壓力表，在移動支管上連接若干噴頭，噴頭與移動支管的連接需經(jīng)過豎管、三通接頭及三腳支架，移動支管的尾端連接堵頭。

12-移動支管；13-壓力表；14-20PY噴頭；15-豎管；16-三通接頭；17-三角支架；18-堵頭圖2 噴灌系統(tǒng)管道布置示意圖

滴灌系統(tǒng)的管道布置如圖3所示。滴灌系統(tǒng)的滴灌支管與移動式噴滴灌車的滴灌通路采用快速接頭連接，滴灌支管端部接壓力表，在滴灌支管的末端上連接三通接頭，通過三通接頭安裝均布出水接口的滴灌輔管，分別在滴灌輔管的出水接口上連接滴灌帶，滴灌帶上均勻分布滴頭。

1.2 工作方式

當機組實現(xiàn)噴灌系統(tǒng)運行時，雙工況泵進水管伸入河道或溝渠，機組動力由柴油機提供，關閉控制施肥桶的閥門，開啟噴灌通路的噴灌閥門，關閉滴灌通路的滴灌閥門，通過快速接頭連接噴灌支管，參照圖2所示，配置的移動支管隨噴灌面積決定。

當機組需要實施滴灌作業(yè)時，開啟施肥閥門，采用“負壓吸入法”施肥，利用水泵進水管處的負壓，在進水管上側(cè)面安裝吸肥管，接上施肥閥門、軟管，軟管進水口配上過濾網(wǎng)罩，后放入施肥桶內(nèi)進行施肥，使肥料在雙工況泵吸入口的負壓下融入灌溉用水中。關閉噴灌通路的噴灌閥門，開啟滴灌通路的滴灌閥門，使灌溉用水流經(jīng)過濾器進行過濾，過濾器選擇自動反沖洗式過濾器，可循環(huán)工作。經(jīng)過濾器后，經(jīng)快速接頭連接滴灌支管，如圖3所示，后經(jīng)輔管連接滴灌帶，即可實現(xiàn)滴灌作業(yè)。

19-滴灌支管；20-壓力表；21-三通接頭；22-滴灌輔管；23-滴灌帶；24-滴頭圖3 滴灌系統(tǒng)管道布置示意圖

1.3 機組適用情況

通過分析噴、滴灌技術相關特點，噴滴灌兩用機組的結(jié)構(gòu)形式及工作特性，其主要適用于以下幾種情況：①實現(xiàn)作物的輪作和倒茬，改善土壤質(zhì)量，節(jié)能增產(chǎn)；②實現(xiàn)作物的間作混作；③實現(xiàn)系統(tǒng)的分區(qū)分壓，在低壓灌區(qū)選用滴灌，在高壓灌區(qū)噴灌運行。

1.4 機組運行模式

輕小型移動式噴滴灌兩用機組采用多用途、多目標的系統(tǒng)組合模式，實現(xiàn)噴灌、滴灌輪用及混用灌溉目的，解決作物輪作、間作或混作所需的噴、滴灌要求，滿足不同灌溉條件地區(qū)和經(jīng)濟條件的選擇。共可實現(xiàn)以下4種運行模式：①季節(jié)性固定：經(jīng)濟條件好、灌水次數(shù)多的用戶；②首部移動：經(jīng)濟條件較好、灌水次數(shù)較多的用戶；③首部、噴頭移動：經(jīng)濟條件一般、灌水次數(shù)較少的用戶；④首部、噴頭、管道全移動：經(jīng)濟條件差、灌水次數(shù)少的用戶。

2 關鍵部件選型

2.1 雙工況泵

在灌溉系統(tǒng)中，自吸泵作為一種重要的輸水部件有著十分關鍵的作用。在噴滴灌兩用機組中，自吸泵同時應用于噴灌系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)中，對泵的性能有著更高的要求，需滿足2種不同運行工況下泵的高效率運行[7]。為實現(xiàn)機組的優(yōu)化配置和節(jié)能降耗，雙工況泵的選型就顯得更為重要。

泵的運行工況為水泵的流量-揚程特性曲線與管路特性曲線的交點。當水泵選型確定后，其流量-揚程曲線可知，而管路特性曲線則需要通過水力計算。當對同一面積地塊進行灌溉時，經(jīng)水力計算可知，噴灌系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)管路特性曲線有所不同，主要表現(xiàn)為：當采用噴灌系統(tǒng)進行灌溉時，所需揚程較高，當采用滴灌系統(tǒng)進行灌溉時，所需揚程較低，而流量相差不大。

因此，在進行雙工況泵的選型時，需選擇在泵的最高效率點附近具有陡峭的流量-揚程曲線的自吸泵，使噴、滴灌工況各自的運行工況點均盡可能靠近泵的最高效率點，機組在2個工況下均在較高效率下運行。噴灌系統(tǒng)運行時，噴灌工況點位于最高效率點的左側(cè)且盡量接近最高效率點。當?shù)喂嘞到y(tǒng)運行時，工況點位于最高效率點的右側(cè)且盡量接近最高效率點。

2.2 噴 頭

在噴灌系統(tǒng)中，不管是從運行作用還是從技術功能而言，噴頭均為保障噴灌系統(tǒng)高質(zhì)量運行的主要設備，且噴頭的水力特性在一定程度上反映了噴灌的整體效果[8]。目前，搖臂式噴頭得到最為廣泛的應用[9]。在噴頭的選型過程中，主要依照噴頭的水力性能參數(shù)進行優(yōu)選。噴頭的水力性能參數(shù)主要包括工作壓力、工作壓力、射程，以及噴灌強度、噴灌均勻系數(shù)、霧化指標等[10]。

因噴灌管路采用“一”字形布置，當灌溉地塊面積確定時，可根據(jù)灌溉面積初選合適射程、流量及壓力的常用的搖臂式噴頭型號并確定噴頭使用個數(shù)。噴頭間的連接采用管道連接。在輕小型移動式機組中，涂塑軟管因其耐酸腐、質(zhì)地強、抗腐蝕、柔韌性好、使用壽命長等優(yōu)點而被廣泛應用。涂塑軟管的管徑采用經(jīng)濟流速法確定。

初選噴頭型號及管道管徑確定后，通過計算可得噴灌系統(tǒng)管路特性曲線，結(jié)合雙工況泵的選型原則，其與泵流量-揚程曲線的交點應接近泵的最高效率點并位于左側(cè)。此點可以用于校核泵及噴頭的初選是否合理，如不滿足，需重新選擇合適的泵及噴頭的型號，直到滿足為止。

為實現(xiàn)機組的優(yōu)化配置，泵的選型主要先滿足噴灌系統(tǒng)最高效率點運行，后經(jīng)調(diào)壓滿足滴灌系統(tǒng)的雙工況運行。

2.3 滴灌帶

在滴灌系統(tǒng)設計中，如何正確選擇灌水器同樣是一個重要的問題[11]。灌水器一般需滿足流量小、水流平穩(wěn)、抗堵塞性能強、安裝方便、構(gòu)造簡單及價格低廉等要求[12]。

根據(jù)灌水器的消能原理，可將其分為孔口式、渦流式、長流道式、壓力補償式和滴灌帶(管)式等幾種不同形式[13]。其中，滴灌帶(管)因其管壁薄、用料較少、成本低、生產(chǎn)效率高、鋪設簡單等優(yōu)點得到最為廣泛的應用。

滴灌系統(tǒng)的設計建議采用內(nèi)鑲式滴灌帶，該種滴灌帶內(nèi)壁平整且價格合理，外形簡潔美觀且易于安裝；又因孔口有過濾窗，抗堵塞性能好；紊流形流道設計起到壓力補償作用。

滴灌帶的選型及布置則較為簡單。只需依據(jù)噴灌系統(tǒng)的選型布置方式，確定滴灌系統(tǒng)的選型及布置方式。滴灌系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)共用一套泵機組和部分主管道，且泵的選型及管道管徑已確定，只需確保滴灌運行時的工況點位于泵的最高效率點的右側(cè)即可。合理根據(jù)工作水頭和流量選擇滴灌帶型號并確定其布置長度和毛管間距。

3 舉 例

假設灌溉地塊面積約為3 hm2左右，首先選用常用的搖臂式噴頭型號15PY2噴頭，其具體參數(shù)見表1。每條噴灌支管配有7個噴頭，橫向跨距為105 m，分18區(qū)進行噴灌，縱向跨距為270 m，灌溉面積為2.84 hm2。按經(jīng)濟流速法確定干管管徑為65 mm，豎管管徑為20 mm，豎管高度為1.5 m。采用退步法進行計算，可得噴灌系統(tǒng)管路特性曲線[14]。

表1 噴頭參數(shù)

據(jù)經(jīng)驗，選擇揚程與噴頭工作壓力25 m相近的自吸泵50ZB-25C。泵的具體參數(shù)見表2。該泵具有較陡的流量-揚程曲線且效率較高。

表2 50ZB-25C性能參數(shù)

其次，校驗噴灌工況點是否滿足位于泵最高效率點左側(cè)且盡可能接近最高效率點，噴灌系統(tǒng)的管路特性曲線與泵的流量-揚程曲線的交點見圖4。由圖4可知，工況點滿足要求。泵和噴頭的初選型和配置合理。

圖4 噴灌工況點確定

最后，確定滴灌系統(tǒng)的選型及布置方式。選用常用的內(nèi)鑲式滴灌帶的具體參數(shù)見表3。為滿足同樣的灌溉面積，毛管的鋪設長度為52.5 m，每條支管上配有34條毛管。

表3 內(nèi)鑲式滴灌帶參數(shù)

同樣采用退步法進行水力計算，后與泵流量-揚程曲線交點確定滴灌工況點，滴灌工況點如圖5所示。

圖5 滴灌工況點確定

由圖5可知，滴灌工況點同樣滿足要求。滴灌帶的選型和配置合理。

值得注意的是，為保障機組的穩(wěn)定運行，噴灌系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)的水力計算結(jié)果必須滿足相關規(guī)范的約束要求。噴灌系統(tǒng)的約束條件主要為噴頭最小工作壓力約束和噴頭相對壓力極差約束[15]。滴灌系統(tǒng)一般采用流量偏差率或工作水頭偏差率指標進行工程設計[16]。

4 結(jié) 語

(1)本文設計研發(fā)一種新型輕小型移動式噴滴灌兩用機組并介紹其具體工作方式，該機組與現(xiàn)有兩用機組相比具有結(jié)構(gòu)緊湊，移動方便，適應性強等優(yōu)點。

(2)重點介紹機組中雙工況泵、噴頭及滴灌帶等關鍵部件的選型，并舉實例驗證選型的可操作性，為機組的廣泛應用提供基本。

該機組能更好地滿足市場變化的需求并促進農(nóng)業(yè)發(fā)展，有利于提高我國的農(nóng)業(yè)技術水平，是一種值得廣泛應用的灌溉模式。