快速斷水型地埋式自升降取水設備研發

謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，陳 娟，謝瑞環

(1.中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 100054；3.河海大學，南京 210098； 4.揚州大學，揚州 225000；5.中灌潤茵(北京)節水灌溉設備有限責任公司，北京 101302)

1 研發目的

目前灌溉領域，一般采用取水設備分別與位于地下的輸水管道以及位于地上的灌溉系統連接的方式，例如管灌、噴灌、滴灌等節水灌溉系統連接，將輸水管道中的水輸送至灌溉系統中對作物進行灌溉。因此提供一種簡單可靠且不影響耕作的取水設備十分必要。

目前使用廣泛的取水設備為給水栓[1,2]，該類設備通常固定在特定位置處并高于地面一定的距離，在田地的正常耕作和收獲時，需要將其拆卸保存并在灌溉時再重新安裝，使用不便且勞動強度高。此外，頻繁的拆卸和安裝容易對立管造成損壞，并造成倉儲的困難。基于此，中國灌溉排水發展中心等單位于2013年研制了一種地埋式滴灌專用自動伸縮取水器[3,4]，它可用于滴灌、管灌、噴灌等不同取水需求，解決了傳統給水栓影響耕作、使用不便等問題，但與地面灌溉系統連接時需先切斷水源，才能將三通與伸縮管連接，其使用不便且不利于大面積取水。

因此，亟須研制一種無需斷水就能連接灌溉系統且使用方便的取水設備，同時還應不影響田間的正常耕作和收獲，降低勞動強度?？紤]田間可使用環境以及作物生長可能對升降設備的影響，所研制的設備應盡可能結構簡單，而作為出水口，只要求能夠頂出地面即可，無需再套用多節伸縮管，若人為地將簡單的出水口變成復雜的取水裝置，是沒有意義的。同時必須考慮在多種應用條件下的頂出功能，這種頂出不僅應在正常的工作壓力之下完成，而且也不能依賴于在土壤松軟狀態下形成的頂出通道來完成。這樣的取水設備不僅減少了工程投資和運行費用，而且能確保頂出功能長久可靠。因此，必須依靠科學的結構設計來完成設備的研制，確保設備功能的實現。

2 設計方案

2.1 結構設計

本文研發的快速斷水型地埋式自升降取水設備，包括錐形管1，內管2，外管3，固定桿4，空心球5，長三通6，密封蓋7，第一密封圈8，第二密封圈9，如圖1所示。

如圖1所示，錐形管1的錐形端部設置有出水口11，依靠此孔形成高速水流，切割并液化上層土壤，確保頂出；空心球5的直徑大于內管2的管內徑，且小于外管3的管內徑，空心球5上設置有穿過球心的通孔51以及與通孔51連通的凹槽52；固定桿4包括桿體41、設置在桿體41上端的第一擋塊42、設置在桿體41下端的支架43，第一擋塊42與凹槽52相抵配合；長三通6包括位于下部的下管體61和位于兩側的側管體62；內管2設置在外管3的內部，且與外管3的上端密封接觸，內管2可相對外管3軸向運動；空心球5與內管2的下端接觸；固定桿4通過支架43固定在外管3的內部；固定桿4的桿體41自下而上順次穿過空心球5的通孔51和凹槽52，且通孔51的內徑大于桿體41的外徑；外管3的下端與輸水管道連接；長三通6的側管體62與灌溉系統連接；內管2位于地下時，錐形管1設置在內管2的上端，且位于外管3的外部；內管2位于地上且取水設備處于斷水狀態時，空心球5上的凹槽52與固定桿4上的第一擋塊42相抵配合；內管2位于地上且取水設備處于取水狀態時，長三通6的下管體61伸入內管2的內部并與空心球5接觸，空心球5上的凹槽52與固定桿4上的第一擋塊42脫離。

圖1 快速斷水型地埋式自升降取水設備結構及工作過程 1-錐形管；11-出水口；2-內管；21-第二擋塊；3-外管；4-固定桿；41-桿體；42-第一擋塊；43-支架；5-空心球； 51-通孔；52-凹槽；6-長三通；61-下管體；62-側管體；7-密封蓋；8-第一密封圈；9-第二密封圈

其中，取水設備還包括密封裝置，通過密封裝置使內管2與外管3的上端密封接觸，密封裝置為相配合的第一密封圈8和密封蓋7，取水設備還包括第二密封圈9，第二密封圈9設置在長三通6的下管體61與內管2上端的連接處，通過螺紋連接使錐形管1設置在內管2的上端，內管2還包括第二擋塊21，第二擋塊21設置在內管2下端相對的側部，用于防止內管2滑出外管3；支架43為十字型支架，十字型支架包括4個長度相同的支撐臂，4個支撐臂的端部均設置在外管3下端的內部側壁上，4個支撐臂的連接點與桿體41的下端連接；通孔51的內徑與桿體41的外徑的長度比為1.3-2:1；空心球5材質為聚丙烯、聚乙烯或聚偏氟乙烯。

由此可知，依靠錐形管及其出水口形成的高速水流是保證本設備具備地埋鉆土功能的關鍵技術，而空心球則是實現自斷水功能的關鍵設施。

2.2 技術特點

快速斷水型地埋式自升降取水設備的優點：一是本設備升起后自斷水源，無需關泵，方便三通等設備的連接；二是本設備在非灌溉狀態時埋于地下，不會影響田地的正常耕作以及其他農事活動；三是大大減輕了勞動強度，降低了灌溉成本；四是結構上只考慮頂出地面，只需一級伸縮管，結構簡單，節約成本，運行可靠。

3 工作原理

快速斷水型地埋式自升降取水設備在非灌溉狀態時埋于地下，不會影響耕作。而在灌溉狀態時，通過空心球上的凹槽與固定桿上的第一擋塊相抵配合，使該狀態下的空心球成為上下不連通的阻擋件，進而阻斷內管與外管之間的水流通道，從而在無需切斷水源的情況下即可將錐形管從內管的上端拆卸并使長三通的下管體伸入內管的內部，具有自斷水功能。通過長三通推動空心球使其上的凹槽脫離第一擋塊，從而使本取水設備恢復取水功能，實現田間灌溉。

在非灌溉狀態時，本取水設備埋于地下特定深度處，例如位于地下0.3～0.4 m處，以避免影響地上正常耕作及其他農事活動。

在灌溉狀態時，由于外管3下端與地下的輸水管道相連接，輸水管道中的水進入外管3，并頂托空心球5驅動內管2在外管3內沿固定桿4向上運動。由于通孔51的內徑大于桿體41的外徑，此時水流在頂托空心球5向上運動的同時，部分水流將通過通孔51進入內管2，并從設置在錐形管1錐形端部的出水口11射出，形成高速水流。該高速水流具有沖擊并切割上部土壤的能力，使得錐形管1上部的土壤被該高速水流切割并沖出地表，進而使向上運動的錐形管1乃至部分內管2暴露于地表。如圖1(b)所示，待空心球5向上運動至其上的凹槽52與第一擋塊42相抵配合接觸時，內管2停止運動，且通過此狀態下的空心球將內管2與外管3隔開，水流將無法由外管3進入內管2，進而無水流從錐形管1的出水口11射出，此時本取水設備處于斷水狀態。

在如圖1(b)所示的斷水狀態下，進一步地如圖1(c)所示，將錐形管從內管2的上端拆卸下來，使長三通6的下管體61伸入內管2內部并推動空心球5向下運動，直至空心球5上的凹槽52脫離第一擋塊42。此時，內管2與外管3處于相連通的狀態，水流將重新進入內管2并通過內管2進入長三通6，此時該取水設備處于取水狀態，取水設備自動恢復了取水功能。將長三通6的側管體62與位于地上的灌溉系統連接，水流通過長三通6的下管體61分配到側管體62并進入灌溉系統，從而實現田間灌溉。

當灌溉結束后，將長三通6從內管2中拆下，再次將錐形管1安裝到內管2的上端，并借助較小的外力將內管2壓回至外管3內部，此時本取水設備將重新位于地下，恢復至非灌溉狀態。

由上述工作過程可知，本取水設備在非灌溉狀態時位于地下，不會影響田地的正常耕作以及其他農事活動。而在灌溉狀態時，本發取水設備恢復取水功能，實現田間灌溉。可見，本取水設備不僅使用方便，且不會影響正常耕作，不會對輸水管道上的立管造成破壞。如此一來，大大減輕了勞動強度且降低了灌溉成本。

4 技術規格及設備安裝

地埋式自動升起型取水設備的技術規格參數見表1。本設備安裝較為方便，一般安裝在地表以下0.35～0.4 m，安裝前先確定所需控制的灌溉面積(一套設備控制20畝為宜)。

表1 產品技術規格參數

本設備的安裝過程及方法詳見參考文獻[3]、[4]。

經檢測，本產品達到了國家標準GB/T22999的要求，其中取水器的整體密封性能：泄漏量不大于試驗壓力下出水流量的1%；鉆土器錐形管接口密封性：泄漏量不大于設計流量的0.25%；耐壓性能：在2倍最大工作壓力下保持1h，不出現損傷，密封部位無泄漏；工作壓力：0.1～0.4 MPa。

目前，本設備已在浙江、河北等地進行了推廣應用，受到了用戶的認可，市場前景十分廣闊。

5 結 語

本設備已取得國家授權專利，可廣泛應用于滴灌、管灌、噴灌等取水需求。與傳統取水設備相比，本取水設備連接地面灌溉系統時無需斷水，使用方便，有利于大面積取水需求。由于設備安裝在耕作層以下，不會影響正常耕作及其他農事活動，不會對輸水管道上的立管造成破壞。更由于其結構簡單，單一的伸縮管大大提高設備運行的穩定性和可靠性。減輕了勞動強度且降低了灌溉成本。

[1] 水利部農村水利司，中國灌溉排水發展中心. 微灌工程技術[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012.

[2] 馬有國,燕在華,李長城. 灌溉取水口位置選擇時應注意的幾個問題[J]. 節水灌溉,2001,(2)：17-18.

[3] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動升起型取水設備研發[J]. 節水灌溉,2014,(6):75-77,81.

[4] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動升降型一體化噴灌設備研發[J]. 節水灌溉,2014,(7):75-78,82.

[5] 水利部農村水利司，中國灌溉排水發展中心. 微灌工程技術[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012.

[6] 王留運,姚宛艷,韓 棟,等. 我國微灌企業和設備產品存在的問題及整改舉措建議[J]. 節水灌溉,2008,(7):46-48.

[7] 馬有國,燕在華,李長城. 灌溉取水口位置選擇時應注意的幾個問題[J]. 節水灌溉，2001,(2)：17-18.