一種節水灌溉可調角度噴頭設計說明書

山東科技大學 山東 泰安 271099

一、研究背景

我國是一個農業大國,耕地面積約20.23億畝。傳統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,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度蒸發,對水資源的利用率低。滴灌灌溉時間長,布置復雜,而且容易被土壤堵塞,使用維護成本高、效率低。農業作為我國的第一產業理應得到現在科技產業的反哺。對數據獲取更精準、環境控制更加智能、更節能、對于作物屬性更了解、收獲儲藏更規范成為當今時代對農業發展的新要求。農作物對水資源的需求量,主要受農作物生長環境中的土壤溫度,空氣濕度,空氣溫度等指標的影響。水源的灌溉可以直接或間接地影響上述指標,因此對農田的灌溉就具有更高的要求。我國農業節水灌溉的現狀,相比發達國家的農業灌溉系統,我國的農業灌溉系統因為起步較晚,技術相對落后,缺乏節水理念,而遠遠落后于英美等發達國家。但近年來對于節水的意識有所加強,在節約水資源方面已經取得了相當可觀的成果。因此在一定程度上節約了我國寶貴的水資源,還減少了農民的負擔。但相對來說,我國的農業節水灌溉也存在許多明顯的問題,如農業節水基礎設施緊缺的現象,就是導致我國遠遠落后于英美等發達國家的最重要的原因。除此之外,我國的農業還停留在粗放式,缺乏相應的節水理念,因此節水灌溉的措施的實施力度有限,這也是限制我國節水灌溉發展的重要因素。對于整治措施方面還要經過長時間的實踐和改進,現在可以從灌溉本身的技術方面進行改進,這也是節水的根本所在。

二、項目簡介

一種節水灌溉可調角度噴頭的目的在于克服現有技術中存在的水資源浪費、勞動力強度大等問題,達到選用噴灑范圍與噴灌區域幾何形狀吻合的節水灌溉噴頭進行布設,實現可間接性噴水的過程。本實用新型噴頭通過直管與外界水源連接,直管內水流動推動斜板轉動,斜板推動轉動桿轉動,轉動桿帶動擋板轉動,擋板轉動間歇性的將蓋帽的噴孔堵住,使得噴孔間歇性的進行噴水,使得噴灑角度可變化,無需一直噴灌,使得噴頭節水,同時增加了蓋帽內的水壓力,提升了噴孔噴水揚程,提升了噴灌的覆蓋面積。本灌溉噴頭項目已提出國家實用新型專利申請,專利號為201920513412.3[1],進而達到了控制供水量的目的。本項目所采用的材料價格低廉,并且設計新穎巧妙,利用水壓的調節實現推動斜板的轉動,這樣在相同水壓之下通過轉頭的遮擋實現水流的噴射,這樣設計的目的是可以達到同樣水壓下的灌溉面積更廣,射程更長。通過物理原理實現水資源的節省,并且本設計的另一大亮點就是噴灌的的角度可調整,根據噴頭所在位置和所要澆注的范圍,進行設計噴頭上的孔洞,實現在指定范圍內給農作物澆水。這種設計在一定程度上減輕了水資源的浪費情況,減輕了勞動力,節省了灌溉的工作效率。并且構造簡單,適用性強,可以廣泛地應用在各種室內外的農作物澆灌。這種噴頭可以安裝在各種供水水管上,安裝比較簡單,可以根據不同規格的供水管選擇配套的噴頭進行安裝。

三、研究方案

3.1 噴頭機械結構及工作原理 本設計的目的在于提供一種節水灌溉可調角度噴頭,以解決噴頭確定好后一般噴灑幾何形狀都是不變,每個噴孔都在噴水,噴孔不能間歇性噴水的問題。

為實現上述目的,本設計提供如下技術方案,該灌溉噴頭結構圖及模型如圖1所示:一種節水灌溉可調角度噴頭,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轉動桿,所述直管頂部螺紋連接有套管,所述套管內壁中上端固定連接有橫板,所述橫板中端開設的通孔處固定連接有軸承,所述軸承的內環固定連接有轉動桿,所述轉動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,所述蓋帽側壁上均勻開設有噴孔。

圖1 灌溉噴頭結構圖及模型

節水灌溉噴頭在工作時,其直管與外界水源直接連接,其中斜板、轉動桿和擋板之間為固定連接,直管內的水流動推動斜板轉動,進而帶動擋板轉動,擋板轉動間歇性的將蓋帽的噴孔堵住,使得噴孔間歇性的進行噴水,可以達到節約水源的目的,同時增加了蓋帽內的水壓力,提升了噴孔噴水揚程,提升了噴灌的覆蓋面積。

3.2 噴頭結構設計特點

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。水流經過直管后沖擊轉動桿上的葉片,從而使轉動桿轉動。正確的選擇轉動桿的數目能夠決定轉動桿轉速的大小,從而決定水噴射角度更迭的速度,從而決定農田被灌溉的速度。

3.2.2 擋板的形狀與布置 擋板與蓋帽的內側壁貼合接觸,擋板采用耐腐蝕橡膠制成,所述斜板、轉動桿和橫板均采用鋁合金制成。擋板設有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,無需一直噴灌,使得噴頭節水,同時增加了蓋帽內的水壓力,提升了噴孔噴水揚程,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噴水的流量大小以及桶內壓力的大小,正確決定噴孔的分布有利于節約水資源,使得有限量的水能夠最大程度的灌溉更多的農田,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 直管的管徑決定了水的流量,進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,所述蓋帽側壁上360°均勻開設有噴孔。且噴孔相對于地平線的角度從上到下逐漸減小,根據水壓的不同,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的時候,要考慮噴頭的組合形式,合理不合理完全影響著整個噴灌系統的噴灌質量,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則的地方,這是一種非常簡單的噴頭布置工作,而三角形的布置是適用于不規則的地塊。現代農田的布局樣式有很多種,其中長方形布局方式最為常見,新型噴頭憑借自身機械結構的優勢,可實現均勻噴灌。根據水壓的不同,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邊長為20等邊三角形區域,將噴頭設置在各頂點處,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,同時也減小了噴頭的個數。噴頭的空間布置也要視情況而定,在布置時最好是既能節省噴頭的數量,又可以使灌溉的面積更廣泛。還要根據農作物的種類和農作物的生長特點來布置噴頭。

在城市園林綠地和運動場草坪噴灌系統中,地埋式噴頭的優點得到了越來越廣泛的應用。根據工作狀態的不同,地埋式噴頭分為固定式和旋轉式,按照射程的遠近,又有近射程噴頭、中射程噴頭和遠射程噴頭之分。通過改變噴頭上面的孔洞數量可以改變射程的遠近。射程遠近的選擇也需要考慮很多因素,對應不同的射程距離也有相對規格的噴頭孔洞大小,主要考慮的因素如下:

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

(2)供水壓力。不同類型噴頭的工作壓力也不相同。如果是自壓型噴灌系統,應根據供水壓力的大小選擇噴頭類型。當供水壓力較低時,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,可選用中射程噴頭,有利于降低工程造價。對于加壓型噴灌系統,噴頭工作壓力的選擇也應適當。太低的工作壓力會增加噴灌系統的工程造價,太高的工作壓力則會增加噴灌系統的運行費用。噴頭選定后,需要通過水力計算確定管網的水頭損失,核算供水壓力能否滿足設計要求。

(3)地貌及種植狀況。如果噴灌區域地貌復雜、構筑物較多,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、遠射程噴頭可以降低工程造價。

3.4 噴頭節水效益分析 現以目前應用較廣的8034D搖臂式噴頭為對比。我們假設當主噴嘴圓柱段長度和內腔錐度角一定的情況下,對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,s為噴頭管道比阻常數(默認為1.5×1014),l為管道末端至始端長度。

當管壓強為352kpa時,采用克里斯琴森均勻系數CU計算評價噴灌均勻性指標。

由上進行數據對比,新型噴頭在各水壓下,每小時的噴頭流量均比8034D搖臂式噴頭要低,節水效益高,具體示意圖如下圖3所示。

根據CU繪制在350kPa的壓力下兩款噴頭的噴管均勻系數,結果可見圖4。由圖可得在350kPa的穩定工作壓力下,新型節水灌溉噴頭在13×13的范圍內至16×16的范圍內噴灌均勻系數CU高于傳統的8034D搖臂式噴頭,節水效果明顯。

四、節水灌溉的必要性

農田灌溉在水資源利用中占據相當大的比例,實行節水灌溉技術可減少無效耗水,提高水資源的利用率。從而緩解水資源供應緊張的問題,改善生態環境。促進農業的可持續發展。其次,節水灌溉可提高農業生產效率。在實際的農業生產中并非所有農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期其對灌溉的需求也各不相同,傳統的灌溉模式無法合理調控灌溉量,對農作物的生長十分不利。而節水灌溉技術可以根據不同農作物不同時期的實際需求量調節灌溉量,并結合先進設備。技術為農作物創造一個更加適宜的水分條件。使得自然環境、相關的因素對農作物的生長起到良性的促進作用,從而提高農作物的產量及品質。節水灌溉順應現在社會發展的趨勢,相對于傳統灌溉模式有很多優勢。

(1)節約水資源。農田灌溉在水資源利用中占據相當大的比例,實行節水灌溉技術可減少無效耗水,提高水資源的利用率,從而緩解水資源供應緊張的問題,改善生態環境,促進農業的可持續發展。

(2)、節水灌溉可提高農業生產效率。節水灌溉技術可以根據不同農作物不同時期的實際需求量調節灌溉量,并結合先進的設備、技術為農作物創造一個更加適宜的水分條件,使得自然環境、相關因子對農作物的生長起到良性的促進作用,從而提高農作物的產量及品質。

(3)可以減輕灌溉中的勞動力。節水灌溉技術利用先進的設備、技術,提高了勞動效率,減輕了農業灌溉中的人工投入,為農村的經濟發展節省更多勞動力,有利于農村勞動力的優化配置,促進農村產業結構的完善。

(4)經濟效益。節水灌溉的最直接效益是省水增產。節水灌溉工程節省的水量根據其用途不同,經濟效益也不相同,如果節省水量用于生態環境時,為生態環境效益,沒有直接經濟效益。對于省水經濟效益,應結合當地的具體情況進行估算。

五、節水灌溉的發展趨勢

因地制宜,繼續普及與推廣先進的噴,微灌技術:我國節水灌溉工程中,噴,微灌技術所占的比重還比較低,與發達國家相比較還有大的差距。目前,國內外噴,微灌技術正朝著低壓,節能,多目標利用,產品標準化和系列化及運行管理自動化方向發展,任何一項節水灌溉技術都有其適用的自然條件,經濟條件,普及與推廣噴,微灌技術必須堅持因地制宜的原則。在有條件的地區,應大力發展地下滴灌技術。

發展現代精細地面灌溉技術:土地平整是改進地面灌溉的基礎和關鍵,由于我國地面灌溉量大,面廣,急需推廣應用激光控制平地技術,水平畦田灌溉技術,田間閘管灌溉系統以及土壤墑情自動監測技術等一切改進地面灌溉措方缸,逐步實現田間灌溉水的有效控制和適時適量的精細灌溉。