山東科技大學(xué) 山東 泰安 271099

一、研究背景

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),耕地面積約20.23億畝。傳統(tǒng)人工灌溉一般采用大水漫灌、滴灌、噴灌三種方式。大水漫灌具有灌溉均勻性差,水資源利用率低的缺點(diǎn),其灌溉面積、噴水流量、噴水壓力不易控制,容易造成噴水在空氣中的過(guò)度蒸發(fā),對(duì)水資源的利用率低。滴灌灌溉時(shí)間長(zhǎng),布置復(fù)雜,而且容易被土壤堵塞,使用維護(hù)成本高、效率低。農(nóng)業(yè)作為我國(guó)的第一產(chǎn)業(yè)理應(yīng)得到現(xiàn)在科技產(chǎn)業(yè)的反哺。對(duì)數(shù)據(jù)獲取更精準(zhǔn)、環(huán)境控制更加智能、更節(jié)能、對(duì)于作物屬性更了解、收獲儲(chǔ)藏更規(guī)范成為當(dāng)今時(shí)代對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新要求。農(nóng)作物對(duì)水資源的需求量,主要受農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的土壤溫度,空氣濕度,空氣溫度等指標(biāo)的影響。水源的灌溉可以直接或間接地影響上述指標(biāo),因此對(duì)農(nóng)田的灌溉就具有更高的要求。我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀,相比發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng),我國(guó)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)因?yàn)槠鸩捷^晚,技術(shù)相對(duì)落后,缺乏節(jié)水理念,而遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于英美等發(fā)達(dá)國(guó)家。但近年來(lái)對(duì)于節(jié)水的意識(shí)有所加強(qiáng),在節(jié)約水資源方面已經(jīng)取得了相當(dāng)可觀的成果。因此在一定程度上節(jié)約了我國(guó)寶貴的水資源,還減少了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。但相對(duì)來(lái)說(shuō),我國(guó)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉也存在許多明顯的問(wèn)題,如農(nóng)業(yè)節(jié)水基礎(chǔ)設(shè)施緊缺的現(xiàn)象,就是導(dǎo)致我國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于英美等發(fā)達(dá)國(guó)家的最重要的原因。除此之外,我國(guó)的農(nóng)業(yè)還停留在粗放式,缺乏相應(yīng)的節(jié)水理念,因此節(jié)水灌溉的措施的實(shí)施力度有限,這也是限制我國(guó)節(jié)水灌溉發(fā)展的重要因素。對(duì)于整治措施方面還要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐和改進(jìn),現(xiàn)在可以從灌溉本身的技術(shù)方面進(jìn)行改進(jìn),這也是節(jié)水的根本所在。

二、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

一種節(jié)水灌溉可調(diào)角度噴頭的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的水資源浪費(fèi)、勞動(dòng)力強(qiáng)度大等問(wèn)題,達(dá)到選用噴灑范圍與噴灌區(qū)域幾何形狀吻合的節(jié)水灌溉噴頭進(jìn)行布設(shè),實(shí)現(xiàn)可間接性噴水的過(guò)程。本實(shí)用新型噴頭通過(guò)直管與外界水源連接,直管內(nèi)水流動(dòng)推動(dòng)斜板轉(zhuǎn)動(dòng),斜板推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng),擋板轉(zhuǎn)動(dòng)間歇性的將蓋帽的噴孔堵住,使得噴孔間歇性的進(jìn)行噴水,使得噴灑角度可變化,無(wú)需一直噴灌,使得噴頭節(jié)水,同時(shí)增加了蓋帽內(nèi)的水壓力,提升了噴孔噴水揚(yáng)程,提升了噴灌的覆蓋面積。本灌溉噴頭項(xiàng)目已提出國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng),專(zhuān)利號(hào)為201920513412.3[1],進(jìn)而達(dá)到了控制供水量的目的。本項(xiàng)目所采用的材料價(jià)格低廉,并且設(shè)計(jì)新穎巧妙,利用水壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)推動(dòng)斜板的轉(zhuǎn)動(dòng),這樣在相同水壓之下通過(guò)轉(zhuǎn)頭的遮擋實(shí)現(xiàn)水流的噴射,這樣設(shè)計(jì)的目的是可以達(dá)到同樣水壓下的灌溉面積更廣,射程更長(zhǎng)。通過(guò)物理原理實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)省,并且本設(shè)計(jì)的另一大亮點(diǎn)就是噴灌的的角度可調(diào)整,根據(jù)噴頭所在位置和所要澆注的范圍,進(jìn)行設(shè)計(jì)噴頭上的孔洞,實(shí)現(xiàn)在指定范圍內(nèi)給農(nóng)作物澆水。這種設(shè)計(jì)在一定程度上減輕了水資源的浪費(fèi)情況,減輕了勞動(dòng)力,節(jié)省了灌溉的工作效率。并且構(gòu)造簡(jiǎn)單,適用性強(qiáng),可以廣泛地應(yīng)用在各種室內(nèi)外的農(nóng)作物澆灌。這種噴頭可以安裝在各種供水水管上,安裝比較簡(jiǎn)單,可以根據(jù)不同規(guī)格的供水管選擇配套的噴頭進(jìn)行安裝。

三、研究方案

3.1 噴頭機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理 本設(shè)計(jì)的目的在于提供一種節(jié)水灌溉可調(diào)角度噴頭,以解決噴頭確定好后一般噴灑幾何形狀都是不變,每個(gè)噴孔都在噴水,噴孔不能間歇性噴水的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的,本設(shè)計(jì)提供如下技術(shù)方案,該灌溉噴頭結(jié)構(gòu)圖及模型如圖1所示:一種節(jié)水灌溉可調(diào)角度噴頭,包括1直管、2套管、3蓋帽、4噴孔、5第一圓柱、6擋板、7橫板、8軸承、9第二圓柱、10斜板、11轉(zhuǎn)動(dòng)桿,所述直管頂部螺紋連接有套管,所述套管內(nèi)壁中上端固定連接有橫板,所述橫板中端開(kāi)設(shè)的通孔處固定連接有軸承,所述軸承的內(nèi)環(huán)固定連接有轉(zhuǎn)動(dòng)桿,所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿上下兩端分別固定連接有第一圓柱和第二圓柱,所述第一圓柱上均勻固定連接有擋板,所述第二圓柱均勻固定連接有斜板,所述套管上螺紋連接有蓋帽,所述蓋帽側(cè)壁上均勻開(kāi)設(shè)有噴孔。

圖1 灌溉噴頭結(jié)構(gòu)圖及模型

節(jié)水灌溉噴頭在工作時(shí),其直管與外界水源直接連接,其中斜板、轉(zhuǎn)動(dòng)桿和擋板之間為固定連接,直管內(nèi)的水流動(dòng)推動(dòng)斜板轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng),擋板轉(zhuǎn)動(dòng)間歇性的將蓋帽的噴孔堵住,使得噴孔間歇性的進(jìn)行噴水,可以達(dá)到節(jié)約水源的目的,同時(shí)增加了蓋帽內(nèi)的水壓力,提升了噴孔噴水揚(yáng)程,提升了噴灌的覆蓋面積。

3.2 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.2.1 橫板的形狀與布置 所述斜板的傾斜角度為10-15°,斜板設(shè)有6-8組,所述斜板沿著圓周方向均勻排布在第二圓柱的外壁上。水流經(jīng)過(guò)直管后沖擊轉(zhuǎn)動(dòng)桿上的葉片,從而使轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。正確的選擇轉(zhuǎn)動(dòng)桿的數(shù)目能夠決定轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)速的大小,從而決定水噴射角度更迭的速度,從而決定農(nóng)田被灌溉的速度。

3.2.2 擋板的形狀與布置 擋板與蓋帽的內(nèi)側(cè)壁貼合接觸,擋板采用耐腐蝕橡膠制成,所述斜板、轉(zhuǎn)動(dòng)桿和橫板均采用鋁合金制成。擋板設(shè)有3-5組,所述擋板沿著圓周方向均勻排布在第一圓柱的外壁上。使得噴灑角度可變化,無(wú)需一直噴灌,使得噴頭節(jié)水,同時(shí)增加了蓋帽內(nèi)的水壓力,提升了噴孔噴水揚(yáng)程,提升了噴灌的覆蓋面積。

3.2.3 噴孔的分布布置 噴孔的分布決定了瞬時(shí)噴水的流量大小以及桶內(nèi)壓力的大小,正確決定噴孔的分布有利于節(jié)約水資源,使得有限量的水能夠最大程度的灌溉更多的農(nóng)田,提高水資源的利用率,降低的工作成本。

3.2.4 直管的管徑大小 直管的管徑?jīng)Q定了水的流量,進(jìn)而決定了水的壓力的大小,正確選擇直管的直徑,有利于提高水的壓力,從而提高灌溉的效率。

本噴頭的第二圓柱上均勻固定連接有斜板,套管上螺紋連接有蓋帽,所述蓋帽側(cè)壁上360°均勻開(kāi)設(shè)有噴孔。且噴孔相對(duì)于地平線的角度從上到下逐漸減小,根據(jù)水壓的不同,其噴灌半徑為14-20m。

3.3 噴頭空間布置方式 選擇噴灌噴頭布置噴灌系統(tǒng)的時(shí)候,要考慮噴頭的組合形式,合理不合理完全影響著整個(gè)噴灌系統(tǒng)的噴灌質(zhì)量,噴灌組合形式可以為矩形和三角形。矩形的布置適用于地形面積規(guī)則的地方,這是一種非常簡(jiǎn)單的噴頭布置工作,而三角形的布置是適用于不規(guī)則的地塊?，F(xiàn)代農(nóng)田的布局樣式有很多種,其中長(zhǎng)方形布局方式最為常見(jiàn),新型噴頭憑借自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)均勻噴灌。根據(jù)水壓的不同,其噴灌半徑為14-20m。以一塊100m×150m的矩形小麥田為例,將矩形小麥田分為若干個(gè)邊長(zhǎng)為20等邊三角形區(qū)域,將噴頭設(shè)置在各頂點(diǎn)處,這種灌溉噴頭的布局方式可以極大的減小灌溉的重疊率,重疊率為0.104,同時(shí)也減小了噴頭的個(gè)數(shù)。噴頭的空間布置也要視情況而定,在布置時(shí)最好是既能節(jié)省噴頭的數(shù)量,又可以使灌溉的面積更廣泛。還要根據(jù)農(nóng)作物的種類(lèi)和農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)來(lái)布置噴頭。

在城市園林綠地和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)草坪噴灌系統(tǒng)中,地埋式噴頭的優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)工作狀態(tài)的不同,地埋式噴頭分為固定式和旋轉(zhuǎn)式,按照射程的遠(yuǎn)近,又有近射程噴頭、中射程噴頭和遠(yuǎn)射程噴頭之分。通過(guò)改變噴頭上面的孔洞數(shù)量可以改變射程的遠(yuǎn)近。射程遠(yuǎn)近的選擇也需要考慮很多因素,對(duì)應(yīng)不同的射程距離也有相對(duì)規(guī)格的噴頭孔洞大小,主要考慮的因素如下:

(1)噴灌區(qū)域大小。面積狹小的噴灌區(qū)域適合采用近射程噴頭,這類(lèi)噴頭多為固定式的散射噴頭,具有良好的水形和霧化效果;噴灌區(qū)域的面積較大時(shí),使用中、遠(yuǎn)射程噴頭,有利于降低噴灌工程的綜合造價(jià)。

(2)供水壓力。不同類(lèi)型噴頭的工作壓力也不相同。如果是自壓型噴灌系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)供水壓力的大小選擇噴頭類(lèi)型。當(dāng)供水壓力較低時(shí),可選用近射程噴頭,保證噴頭的正常工作壓力;供水壓力較大時(shí),可選用中射程噴頭,有利于降低工程造價(jià)。對(duì)于加壓型噴灌系統(tǒng),噴頭工作壓力的選擇也應(yīng)適當(dāng)。太低的工作壓力會(huì)增加噴灌系統(tǒng)的工程造價(jià),太高的工作壓力則會(huì)增加噴灌系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。噴頭選定后,需要通過(guò)水力計(jì)算確定管網(wǎng)的水頭損失,核算供水壓力能否滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)地貌及種植狀況。如果噴灌區(qū)域地貌復(fù)雜、構(gòu)筑物較多,且不同植物的需水量相差較大,采用近射程噴頭可以較好地控制噴灑范圍,滿足不同植物的需水要求;反乏,如果綠地空曠、種植單一,采用中、遠(yuǎn)射程噴頭可以降低工程造價(jià)。

3.4 噴頭節(jié)水效益分析 現(xiàn)以目前應(yīng)用較廣的8034D搖臂式噴頭為對(duì)比。我們假設(shè)當(dāng)主噴嘴圓柱段長(zhǎng)度和內(nèi)腔錐度角一定的情況下,對(duì)比兩者不同工作壓力下的噴頭流量。

其中Q為水流量,P為管壓強(qiáng),s為噴頭管道比阻常數(shù)(默認(rèn)為1.5×1014),l為管道末端至始端長(zhǎng)度。

當(dāng)管壓強(qiáng)為352kpa時(shí),采用克里斯琴森均勻系數(shù)CU計(jì)算評(píng)價(jià)噴灌均勻性指標(biāo)。

由上進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比,新型噴頭在各水壓下,每小時(shí)的噴頭流量均比8034D搖臂式噴頭要低,節(jié)水效益高,具體示意圖如下圖3所示。

根據(jù)CU繪制在350kPa的壓力下兩款噴頭的噴管均勻系數(shù),結(jié)果可見(jiàn)圖4。由圖可得在350kPa的穩(wěn)定工作壓力下,新型節(jié)水灌溉噴頭在13×13的范圍內(nèi)至16×16的范圍內(nèi)噴灌均勻系數(shù)CU高于傳統(tǒng)的8034D搖臂式噴頭,節(jié)水效果明顯。

四、節(jié)水灌溉的必要性

農(nóng)田灌溉在水資源利用中占據(jù)相當(dāng)大的比例,實(shí)行節(jié)水灌溉技術(shù)可減少無(wú)效耗水,提高水資源的利用率。從而緩解水資源供應(yīng)緊張的問(wèn)題,改善生態(tài)環(huán)境。促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其次,節(jié)水灌溉可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并非所有農(nóng)作物都適合大水漫灌的灌溉模式,不同的作物在不同的生長(zhǎng)期其對(duì)灌溉的需求也各不相同,傳統(tǒng)的灌溉模式無(wú)法合理調(diào)控灌溉量,對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)十分不利。而節(jié)水灌溉技術(shù)可以根據(jù)不同農(nóng)作物不同時(shí)期的實(shí)際需求量調(diào)節(jié)灌溉量,并結(jié)合先進(jìn)設(shè)備。技術(shù)為農(nóng)作物創(chuàng)造一個(gè)更加適宜的水分條件。使得自然環(huán)境、相關(guān)的因素對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起到良性的促進(jìn)作用,從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。節(jié)水灌溉順應(yīng)現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì),相對(duì)于傳統(tǒng)灌溉模式有很多優(yōu)勢(shì)。

(1)節(jié)約水資源。農(nóng)田灌溉在水資源利用中占據(jù)相當(dāng)大的比例,實(shí)行節(jié)水灌溉技術(shù)可減少無(wú)效耗水,提高水資源的利用率,從而緩解水資源供應(yīng)緊張的問(wèn)題,改善生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

(2)、節(jié)水灌溉可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。節(jié)水灌溉技術(shù)可以根據(jù)不同農(nóng)作物不同時(shí)期的實(shí)際需求量調(diào)節(jié)灌溉量,并結(jié)合先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)為農(nóng)作物創(chuàng)造一個(gè)更加適宜的水分條件,使得自然環(huán)境、相關(guān)因子對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起到良性的促進(jìn)作用,從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。

(3)可以減輕灌溉中的勞動(dòng)力。節(jié)水灌溉技術(shù)利用先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù),提高了勞動(dòng)效率,減輕了農(nóng)業(yè)灌溉中的人工投入,為農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展節(jié)省更多勞動(dòng)力,有利于農(nóng)村勞動(dòng)力的優(yōu)化配置,促進(jìn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的完善。

(4)經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)水灌溉的最直接效益是省水增產(chǎn)。節(jié)水灌溉工程節(jié)省的水量根據(jù)其用途不同,經(jīng)濟(jì)效益也不相同,如果節(jié)省水量用于生態(tài)環(huán)境時(shí),為生態(tài)環(huán)境效益,沒(méi)有直接經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于省水經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行估算。

五、節(jié)水灌溉的發(fā)展趨勢(shì)

因地制宜,繼續(xù)普及與推廣先進(jìn)的噴,微灌技術(shù):我國(guó)節(jié)水灌溉工程中,噴,微灌技術(shù)所占的比重還比較低,與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較還有大的差距。目前,國(guó)內(nèi)外噴,微灌技術(shù)正朝著低壓,節(jié)能,多目標(biāo)利用,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和系列化及運(yùn)行管理自動(dòng)化方向發(fā)展,任何一項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)都有其適用的自然條件,經(jīng)濟(jì)條件,普及與推廣噴,微灌技術(shù)必須堅(jiān)持因地制宜的原則。在有條件的地區(qū),應(yīng)大力發(fā)展地下滴灌技術(shù)。

發(fā)展現(xiàn)代精細(xì)地面灌溉技術(shù):土地平整是改進(jìn)地面灌溉的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,由于我國(guó)地面灌溉量大,面廣,急需推廣應(yīng)用激光控制平地技術(shù),水平畦田灌溉技術(shù),田間閘管灌溉系統(tǒng)以及土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等一切改進(jìn)地面灌溉措方缸,逐步實(shí)現(xiàn)田間灌溉水的有效控制和適時(shí)適量的精細(xì)灌溉。