多功能虹吸式灌溉装置在小型农业水利工程中的应用

戚高晟，朱星宇，刘剑军，周红吉，钱 争，沈瑜伟，段永刚

(浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

多功能虹吸式灌溉装置在小型农业水利工程中的应用

戚高晟，朱星宇，刘剑军，周红吉，钱 争，沈瑜伟，段永刚

(浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

为解决现有虹吸技术在应用于农业灌溉中存在的进水口易脱离水面、管内空气累积减弱虹吸效果、水资源利用率不高等问题，研发一种多功能虹吸式灌溉装置并将其应用于小型农业水利工程中.针对虹吸管顶端的虹吸管顶端存在负压的特点，以及排气段排气困难情况，利用压强差实现普通排气阀无法实现的自动排气功能.因此在应用于实际农田灌溉工程中，多功能虹吸式灌溉装置能取代传统的开口闸门工程，节省电泵的运作开支，相比普通虹吸管具有更高的实用价值，有助于促进农田灌溉规范化高效化发展.

农业灌溉；虹吸；多功能；排气；压强差；实用价值

自改革开放以来，我国城市轻、重工业高速发展，用水需求量急剧增加，不少地方采用挤占农业用水的手段来解决自身用水困难的问题，但基于我国仍旧为农业大国的现状，至今农业用水量约占全国用水量的70%.每年我国蒸发消耗总水量中，农业蒸发耗水的比例约占90%,由此可见农业节水是全国节水工程的重中之重，其关键在于减少输水过程中的水量蒸发损失，提高水资源的利用率[1-2].而当下大多数农业水利工程中的田间灌溉技术还比较落后,存在渠道开挖、维护不便、受地理因素制约大、水泵耗能较高等问题.现有虹吸技术在用于农业灌溉时，仍有较多不足之处.针对上述问题，本文提出了一种新的虹吸式农田灌溉多功能装置.

1 现有的虹吸技术问题

当下,我国农业水利工程中的田间灌溉技术，大多以渠道引水为主，传统渠道引水灌溉通常采用在渠道上开挖缺口，设置排门，或使用抽水泵进行灌溉等方式，这些方式存在着维护不便、老化失修、安全隐患多等诸多弊端，不仅减少有效灌溉面积，而且增加人力、物力，提高了建设成本.因而，需要采用虹吸技术引水，这是一种更简便、经济、稳定的方案.然而，现有的虹吸技术在用于农业灌溉时，仍存在着较大问题：

(1)现有的虹吸管的进水口通常被固定在一个位置，水位较低时，进水口容易脱离水面，破坏虹吸的真空状态，制约虹吸管的正常工作[3].

(2)虹吸管在工作时，管道中会逐渐累积空气，当空气累积到一定量时，会导致虹吸过程中断.研究发现，虹吸进水口水面以上垂直高度在3.5 m以上时[4]，就会出现大量气泡，并且虹吸管的φ<4 mm时，基本上不出现大量气泡的现象.然而，这种小管径产生的流量远不能满足实际灌溉的需水量.普通的自动排气阀设置在虹吸管道上时,还会发生外部气体从排气孔吸入的现象[5]，从而破坏虹吸管的运行.

(3)现有的虹吸管在农业灌溉中通常将水直接引入田中，装置设计比较死板，不够灵活，很难做到因地制宜、因势利导，使水资源不能得到充分利用，造成水资源浪费现象.

2 多功能虹吸管装置运行分析

2.1 装置构造

针对现有虹吸技术的不足，本文提出一种虹吸式农田灌溉多功能装置，其装置立体效果图(见图1).虹吸装置由多段管道构成，包括进水段、顶端排气段和出水段.进水段依次由滤网、浮体、软管、止回阀、PVC管构成.滤网用于防止杂物堵塞管道；浮体与软管组合使进水口的位置可以随水位变动；止回阀用于防止倒流发生.

①-滤回；②-浮体；③-软管；④-止回阀；⑤-PVC管 ⑥-45″PVC弯头；⑦-三通；⑧-止水浮体；⑨-贮水筒 ⑩-变径管；-支座；-阀门；-活接头图1 多功能虹吸式灌溉装置立体效果图

2.2 研究原理

装置利用虹吸效应以及水的压强之差，将进水结构随水位自动调节，同时采用活接头使排水段更方便地连接下级管道.整个装置依靠水的力学特性进行工作，无需使用电力，减轻了人力消耗，具有过滤、变水头、自动排气、易组装拆卸等优势，实现了灌溉装置的多功能化与便携化.

因为水中携带的气泡会破坏虹吸管的真空状态，使虹吸管无法正常工作，所以管内需要及时排气，而一般的排气阀在负压状态下会吸入空气，不适用于虹吸管.针对此问题，本装置创新设计了顶端排气段，其由PVC管、支座、三通、变径管、贮水筒、浮体组构成，起着注水、排气的作用.正常情况下，虹吸管顶端的压强小于大气压强，而贮水筒中的水压略大于大气压强，上下压强之差能将浮体紧压在变径管口，起到密封效果；当真空状态被破坏，浮体松弛，变径管中的水与主管的空气进行交换，使装置恢复工作压强，浮体再次被压紧.

在进一步实验中发现，单个浮球的浮力往往难以使浮球上浮排气，因此改用浮球组结构替代单个浮球.顶端排气装置具体工作原理(见图2)，浮体组由上下两个浮体和弹性绳组成，上浮体总是处于水面位置，下浮体位于管口附近，连接两者的弹性绳会根据水深变化改变长度，从而为下浮体提供一个向上的弹力.根据水力学分析可知，在下浮体底面受负压时，静水对下浮体的压力与水深成线性关系，而弹性绳对下浮体的拉力同样与水深成线性关系，因此，根据这个原理选择弹性系数合适的弹性绳，来控制装置的排气阈值，使气体少量积聚时，下浮体就能及时上浮排气，提高装置排气的灵敏性.

在进水口处设计了浮球结构，使进水口的水头总是维持在水面最高处，而当水位下降时，又不会与水面发生脱离，使得管内始终保持虹吸效果.

顶端排气段采用了一种巧妙而简洁的排气设计.由上浮体调控排气阈值，气体积聚使下浮球上升，实现排气；气体排出后，浮球下降，使装置恢复工作压强，最终实现装置内部气体的实时自动排出，使得虹吸能持续进行.

出水段依次由PVC管、阀门、活接头构成，阀门用于调节流量大小，方便用户选择；采用活接头能实现虹吸管与下级管道间的快速连接或拆卸，以满足各种不同条件下的输水、滴灌需求.

①-上浮体；②-弹性连接件；③-贮水筒；④-下浮体；⑤-变径管；⑥-三通图2 顶端排气装置工作原理图

2.3 设计计算

(1)确定进出水口的水位高程差值

按渠道水面水位与农田水位高差确定进出水口的水头差值，尽可能减轻虹吸管的管道自重及使用最佳引水管径.

虹吸管输水量的计算：

(1)

式中：Q—输水流量,m3/s；μc—管道系统的流量系数；A—输水断面面积,m2；g—重力加速度,m/s2；z—渠道水位与农田水位高差,m；l—输水管道管长,m；d—管道管径,m；ξ—局部损失系数；λ—沿程损失系数.

(2)虹吸管顶部安装高度的计算

设计计算中的水头损失包含沿程损失和局部损失，由于虹吸管下游管段水体的部分位能逐渐转化为压能，压强沿程增加，由此有必要计算出最高管段末端转弯处的真空度.

(2)

式中：Hv—虹吸管顶部的真空值，Pa；Zs—管道最高点的安装高度,m；h—管道进口至最高点的距离,m；λ—沿程损失系数；l—虹吸管的总长,m；g—重力加速度,m/s2；d—管道管径,m；

∑ξ—管道进水口至最高点的局部损失系数总和;v—管道内的水流流速,m/s.

2.4 管道结构设计

(1)管材的选择

引水工程常用的管材一般选用钢材，并做防水腐蚀处理，增加耐久性.但是实际上钢管具有自重大，运输及施工不便，安装时需焊接等缺点.本装置管材以PVC为主，具有管壁光滑、阻力系数较小、水力特性较好、耐腐蚀等优点[6]，且材质轻盈，施工运输方便，维修简单，因而可作为本引水装置的管道材料.

(2)管道的关键部件

虹吸管的进水口呈喇叭型并设置拦污栅，便于从渠道中取水，改善水流条件，防止吸入杂质，维护虹吸管的正常运行[7].管道最高点的自动排气装置由上浮体调控排气阈值，气体积聚使下浮球上升，实现排气；气体排出后，浮球下降，使装置恢复工作压强，最终实现装置内部气体的实时自动排出，使得虹吸能持续进行.下游出水口设置阀门、活接头，便于将渠道内的水引入需要灌溉的农田区域，实现农田灌溉的高效化操作[7].

(3)虹吸管关键组件改进设计

通过实地调查原有的虹吸管灌溉装置，发现其在输水作业时存在诸多问题，影响灌溉效率.本文通过理论分析与实验研究对虹吸管关键组件进行优化改进，虹吸管关键组件原状与改进设计后对比(见表1).

表1 虹吸管关键组件原状与改进设计对比表

3 影响因素分析与对策

(1)虹吸管安装高程差的控制

虹吸管是一种部分管轴线高于上游取水水面，而下游出口又低于上游水面的有压输水管道.其工作原理是：先将管内空气排出，使管内形成一定的真空度.由于虹吸管进口处水流压强大于外界大气压强，在管内外形成了压强差，从而使水流由压强大的地方流向压强小的地方.因此，一定的真空度和一定的上下游水位差是保证虹吸管正常工作的两个必要条件.

为保证虹吸管灌溉装置正常工作，虹吸管进水口与管顶间安装高度需要预留较大的真空度，应将安装高度差控制在7 m以下，同时渠道水位与出水口段的水位差应保持1 m以上，以利于虹吸管正常输水[8].

(2)虹吸管进水口段的防污处理

由于灌区的取水源地多为天然河流或湖泊，往往有许多杂质垃圾悬浮在水体中，容易在虹吸管取水口形成杂质堵塞现象，影响虹吸管灌溉装置的正常运行.因此在日常运行中，专业巡检人员应对进水口段防污滤网做定期检查，及时清除进水口段滤网上积聚的杂质，避免因进水段出现堵塞而影响装置工作效率.此外，应根据虹吸管流量大小与使用频率定期对虹吸管进行检查，及时为虹吸管装置补充水量，以保持管道中的真空条件.

(3)弹性绳的材料特性

顶端排气装置内的浮体组由上下两个浮体和弹性绳组成，连接两者的弹性绳会根据水深变化改变长度，从而为下浮体提供一个向上的弹力.根据水力学分析可知，在下浮体底面受负压时，静水对下浮体的压力与水深成线性关系，而弹性绳对下浮体的拉力同样与水深成线性关系.因此，根据这个原理选择弹性系数合适且具备较好耐久性的弹性绳，来控制装置排气阈值的同时达到减轻水对绳子本身的腐蚀目的，使得管道内气体少量积聚时，下浮体就能能及时上浮排气，提高装置排气的灵敏性，延长装置的使用寿命.

(4)顶端排气装置的气密稳定性

顶端排气段采用了由上浮体调控排气阈值，气体积聚使下浮球上升来实现排气；气体排出后，浮球下降，使装置恢复工作压强，最终实现装置内部气体的实时自动排出，使得虹吸能持续进行.安装装置和正常使用时应保证管顶排气处装配的浮球结构具有良好的气密性，使得当气体排出装置后，装置能恢复工作压强.

(5)极端使用环境的应对

应尽可能避免在较为恶劣的自然环境使用该装置，以防虹吸管装置因损坏无法正常运行.冬天偏远山区气温较低，在不使用装置时应小范围打开一侧阀门，给予管道中水结冰体积膨胀后的释放空间，避免水结冰挤爆管道脆弱部位导致管道漏气.夏季使用时应在虹吸管表面加隔热物质，避免烈日照射下管体发生热膨胀而破裂.

4 结 语

多功能虹吸灌溉装置通过优化虹吸管的构成组件，提升管道过流能力，实现虹吸管自动排气功能，使得装置能够进行长时间持续的引水工作.在德清、仙居等县进行的小型农田水利的应用中发现,该装置能取代传统的开口闸门工程，节省电泵的运作开支，且比普通虹吸管具有更高的实用价值，能取代现有的虹吸管进行农田灌溉工作，提高了虹吸管在输水过程中的适用性.该装置的使用不仅能避免开挖渠道的人力财力消耗，而且有利于促进农田灌溉的规范化、高效化.

[1] 吴卫峰.稻田生态节水系统研究[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(2):53-57.

[2] 王义嘉.农村城镇化进程中浙江农村用水结构演变研究[J].浙江水利水电学院学报,2009,21(4):66-68.

[3] 周明耀.一种便携虹吸式农田灌溉流量测量装置及其测量方法：CN201410418712.5[P].2014-08-25.

[4] 孙红月，熊晓亮，尚岳全，等.边坡虹吸排水管内空气积累原因及应对措施[J].吉林大学学报：地球科学版，2014，44(1)：278-284.

[5] 熊 晖，朱继东.虹吸管排气设备适用条件探讨[J].中国给水排水，2005，21(7)：55-56.

[6] 崔英辉,熊锡琼,陈庆华.钢筋混凝土污水管防腐处理应用[J].浙江水利水电专科学校学报,2010,22(1):75-76.

[7] 陈崇德,邵春玲.农业节水对缓解漳河水库水资源供需矛盾的影响研究[J].浙江水利水电专科学校学报,2010,22(2):43-46.

[8] 曾 宇，戚高晟，冯国强.太阳能动力虹吸管在小型水利工程中的应用[J].浙江水利科技，2017,45(2):46-48.

Application of Multifunctional Siphon Irrigation Device in Small Agricultural Water Conservancy Project

QI Gao-sheng, ZHU Xing-yu, LIU Jian-jun, ZHOU Hong-ji,QIAN Zheng, SHEN Yu-wei, DUAN Yong-gang

(College of Hydraulic and Environment Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

The existing siphon device applied in agricultural irrigation is easy to escape from the water surface, and the air accumulation in the pipe results in poor siphon effect and low utilization rate of water resources. A multi-functional siphon irrigation device is developed and applied in small agricultural water conservancy projects. Aiming at the negative pressure in siphon top and the exhausting problem in exhausting section, the automatic exhausting function is realized by pressure difference, which is hard to be realized by common exhausting valve. Therefore, the so-called multifunctional siphon irrigation device can be applied in actual irrigation projects to replace the traditional opening gate projects, with lower operating expenses for the electric pump and high practical value compared with ordinary siphon, promoting the efficient development of standardized farmland irrigation.

agricultural irrigation; siphon; multi-function; exhaust; pressure difference; practical value

S274

A

1008-536X(2017)03-0037-04

2016-10-10

浙江省自然科学基金资助项目(LY17D030001)

戚高晟(1995-)，男，浙江诸暨人，主要从事水利水电工程研究.