農田灌溉用新型浮球式給水栓的研究

陳俊波

（德州職業技術學院，山東德州 253038）

0 引言

我國是人口大國，人口約占世界總人口的18.8%，而淡水資源僅占世界淡水資源的6%，人均淡水占用量僅為世界人均淡水占用量的1/3，是一個干旱、缺水嚴重的國家。在淡水資源的利用上，據統計2017 年我國農業用水量為3766.4 億m3，占同期國內用水總量的62.32%，但農田灌溉用水中有效利用系數僅為0.5，表明水資源在灌溉和輸送過程中存在極大的浪費現象，農業節水對整個淡水資源的合理利用及利用率的提升具有重大意義。我國傳統的農田灌溉模式為大水漫灌，即由田間畦塊的一端將水排入，直至水的前沿達到畦塊另一端，水流越是將要達到另一端的時候，水的前沿流速越慢。漫過的長度越長，這種現象越明顯，這是因為凡是水流過的田地，水一直不斷往地下滲透，參與滲透的面積隨長度的增加而遞增，所以流速必然下降。待水前沿達到畦塊的另一端時，早灌溉的那部分已經滲透多時，農作物能夠實際利用到的水量遠遠低于灌溉輸入的水量，造成水資源、人力、物力的嚴重浪費。

1 老式給水栓及存在的問題

為了改變上述狀況，提高水資源在農田灌溉中的利用率，多地農業部門在農田地下預埋了灌溉用水管，在需要灌溉的農田處，每隔一定距離引出一個給水栓，以完成此給水栓附近農田的灌溉。這樣，因為地表水不用流出很遠，僅滲透至地表較淺的層面，既已覆蓋了附近的灌溉范圍，滿足農作物用水需求量即可，避免了水在農田內長時間地滲透，用水量也大幅降低。但這種傳統的老式給水栓（圖1）存在以下問題。

圖1 傳統給水栓

（1）結構不合理。采用外壓止水結構，靠螺桿壓住密封圈進行密封關閉，存在易磨損、關閉不嚴、氣阻等問題：外壓螺桿的推力與水壓方向相反，需要較大力才能密封，反復啟閉螺桿，密封處會造成嚴重磨損，引起漏水；密封完畢后，如果管道內有氣體沒有排出，容易造成氣阻；灌溉后如果密封過早，回水時會造成管道負壓，破壞管道。

（2）占用地表。老式給水栓是整體結構，一旦與預埋的水管連接，出水口露出地表以上，即使不需要灌溉，也會一直占用地面，對田間耕作和路面通行造成障礙。現代耕作，機械化已經相當普及，占用地表的給水栓勢必妨礙農機通行，或者作業時引起碰撞，導致給水栓非正常損壞。

（3）不易調整。出水口的方向是固定的，一旦需要向其他方向灌溉，需采用彎管或軟管連接，造成安裝費時費力，且使水流不暢。

2 新型浮球式給水栓介紹

鑒于老式給水栓存在的弊端，經過結構改進，研發了新型浮球式給水栓（圖2）。新型浮球式給水栓分為上栓體和下栓體兩部分，水由下栓體密封，依靠上栓體將水引向田間。較之老式給水栓，新給水栓在氣阻與負壓方面有如下改進：在灌溉之初，預埋的水管內會有氣體排出，浮球結構不會阻礙氣體排出，不會形成氣阻；灌溉結束后，預埋水管內水流泄去，則浮球下降，氣體進入，不會形成負壓，保護了管道免遭破壞。

圖2 新型給水栓

給水栓的下栓體與預埋水管連接，處于地表以下，下栓體內部裝有中空的浮球。當需要灌溉時，預埋管道內的水流入下栓體，浮球在浮力下往上漂浮，達到下栓體出水口，擠壓口部倒裝的V 形橡膠密封圈，完成水的密封。水壓越大，浮力越大，壓緊密封圈的力越大，密封效果越好。采用V 形橡膠密封圈倒裝在下栓體的出口處，而不是裝在浮球上表面，是考慮到灌溉用水可能摻雜泥、草葉等雜物，有可能下落附著在浮球上表面，蓋住密封圈，造成密封障礙；而倒裝在下栓體口部，因為V形口朝下設置，雜物不容易掛在上面，浮球上表面不開槽、不裝密封圈、很光滑，且始終有水沖刷，不容易存留雜物，密封性能適用的工況更加寬松。

給水栓的上栓體是下栓體的專用開啟工具，用快速卡扣接頭與下栓體連接，每隔90°設置一個出水方向，根據需要任意選擇。連接好上栓體后，旋動啟閉手柄，啟閉手柄靠螺旋運動向下頂浮球組件，使浮球與V 形橡膠密封圈脫開，則下栓體的水流出，并且可根據需要調節出水流速的大小。在浮球上浮或被推下的過程中，為了防止側翻或者對不準V 形橡膠，下栓體上設置有浮球導向槽，限制浮球運行的方向。這樣，只要下栓體底部有水進入，浮球只能豎直上浮，直至頂到V 形橡膠密封圈，完成密封；啟閉手柄帶動螺桿向下頂浮球的時候，浮球只能豎直向下運動。浮球打開后，水從下栓體經浮球側面流至浮球上方，到達上栓體的出水口，出水灌溉。完成一個給水栓附近的農田灌溉之后，只需用啟閉手柄向上旋螺桿，則浮球再次上浮，實現了自動關閉。可取下上栓體，用于下一處的下栓體開啟，不必為每一個下栓體都配備一個上栓體，節省了上栓體數量。也可以根據單個下栓體持續工作的時間和勞動力人數，合理配備上栓體數量，既可以多點同時灌溉，提高灌溉效率，又縮短了水流距離，避免了地表水長時間滲透，造成水資源浪費。

3 新產品在生產中的應用價值

這種新型浮球式給水栓設計有專門的端蓋，在水栓停用時封住下栓體的出水口，避免泥土進入下栓體。為了路面通行大型農機時不軋壞栓體，可將下栓體套在水泥管內，水泥管上覆蓋類似下水道的蓋板，實現路面暢通無阻了。灌溉時只需打開水泥管的蓋板，擰開下栓體的端蓋，連接上栓體即可實現灌溉準備，操作極為便捷。這種新型浮球式給水栓針對老式給水栓存在的不足，進行了本質的升級改造，方便農田灌溉的實際操作，具有比較高的推廣價值。