农田灌溉用新型浮球式给水栓的研究

陈俊波

（德州职业技术学院，山东德州 253038）

0 引言

我国是人口大国，人口约占世界总人口的18.8%，而淡水资源仅占世界淡水资源的6%，人均淡水占用量仅为世界人均淡水占用量的1/3，是一个干旱、缺水严重的国家。在淡水资源的利用上，据统计2017 年我国农业用水量为3766.4 亿m3，占同期国内用水总量的62.32%，但农田灌溉用水中有效利用系数仅为0.5，表明水资源在灌溉和输送过程中存在极大的浪费现象，农业节水对整个淡水资源的合理利用及利用率的提升具有重大意义。我国传统的农田灌溉模式为大水漫灌，即由田间畦块的一端将水排入，直至水的前沿达到畦块另一端，水流越是将要达到另一端的时候，水的前沿流速越慢。漫过的长度越长，这种现象越明显，这是因为凡是水流过的田地，水一直不断往地下渗透，参与渗透的面积随长度的增加而递增，所以流速必然下降。待水前沿达到畦块的另一端时，早灌溉的那部分已经渗透多时，农作物能够实际利用到的水量远远低于灌溉输入的水量，造成水资源、人力、物力的严重浪费。

1 老式给水栓及存在的问题

为了改变上述状况，提高水资源在农田灌溉中的利用率，多地农业部门在农田地下预埋了灌溉用水管，在需要灌溉的农田处，每隔一定距离引出一个给水栓，以完成此给水栓附近农田的灌溉。这样，因为地表水不用流出很远，仅渗透至地表较浅的层面，既已覆盖了附近的灌溉范围，满足农作物用水需求量即可，避免了水在农田内长时间地渗透，用水量也大幅降低。但这种传统的老式给水栓（图1）存在以下问题。

图1 传统给水栓

（1）结构不合理。采用外压止水结构，靠螺杆压住密封圈进行密封关闭，存在易磨损、关闭不严、气阻等问题：外压螺杆的推力与水压方向相反，需要较大力才能密封，反复启闭螺杆，密封处会造成严重磨损，引起漏水；密封完毕后，如果管道内有气体没有排出，容易造成气阻；灌溉后如果密封过早，回水时会造成管道负压，破坏管道。

（2）占用地表。老式给水栓是整体结构，一旦与预埋的水管连接，出水口露出地表以上，即使不需要灌溉，也会一直占用地面，对田间耕作和路面通行造成障碍。现代耕作，机械化已经相当普及，占用地表的给水栓势必妨碍农机通行，或者作业时引起碰撞，导致给水栓非正常损坏。

（3）不易调整。出水口的方向是固定的，一旦需要向其他方向灌溉，需采用弯管或软管连接，造成安装费时费力，且使水流不畅。

2 新型浮球式给水栓介绍

鉴于老式给水栓存在的弊端，经过结构改进，研发了新型浮球式给水栓（图2）。新型浮球式给水栓分为上栓体和下栓体两部分，水由下栓体密封，依靠上栓体将水引向田间。较之老式给水栓，新给水栓在气阻与负压方面有如下改进：在灌溉之初，预埋的水管内会有气体排出，浮球结构不会阻碍气体排出，不会形成气阻；灌溉结束后，预埋水管内水流泄去，则浮球下降，气体进入，不会形成负压，保护了管道免遭破坏。

图2 新型给水栓

给水栓的下栓体与预埋水管连接，处于地表以下，下栓体内部装有中空的浮球。当需要灌溉时，预埋管道内的水流入下栓体，浮球在浮力下往上漂浮，达到下栓体出水口，挤压口部倒装的V 形橡胶密封圈，完成水的密封。水压越大，浮力越大，压紧密封圈的力越大，密封效果越好。采用V 形橡胶密封圈倒装在下栓体的出口处，而不是装在浮球上表面，是考虑到灌溉用水可能掺杂泥、草叶等杂物，有可能下落附着在浮球上表面，盖住密封圈，造成密封障碍；而倒装在下栓体口部，因为V形口朝下设置，杂物不容易挂在上面，浮球上表面不开槽、不装密封圈、很光滑，且始终有水冲刷，不容易存留杂物，密封性能适用的工况更加宽松。

给水栓的上栓体是下栓体的专用开启工具，用快速卡扣接头与下栓体连接，每隔90°设置一个出水方向，根据需要任意选择。连接好上栓体后，旋动启闭手柄，启闭手柄靠螺旋运动向下顶浮球组件，使浮球与V 形橡胶密封圈脱开，则下栓体的水流出，并且可根据需要调节出水流速的大小。在浮球上浮或被推下的过程中，为了防止侧翻或者对不准V 形橡胶，下栓体上设置有浮球导向槽，限制浮球运行的方向。这样，只要下栓体底部有水进入，浮球只能竖直上浮，直至顶到V 形橡胶密封圈，完成密封；启闭手柄带动螺杆向下顶浮球的时候，浮球只能竖直向下运动。浮球打开后，水从下栓体经浮球侧面流至浮球上方，到达上栓体的出水口，出水灌溉。完成一个给水栓附近的农田灌溉之后，只需用启闭手柄向上旋螺杆，则浮球再次上浮，实现了自动关闭。可取下上栓体，用于下一处的下栓体开启，不必为每一个下栓体都配备一个上栓体，节省了上栓体数量。也可以根据单个下栓体持续工作的时间和劳动力人数，合理配备上栓体数量，既可以多点同时灌溉，提高灌溉效率，又缩短了水流距离，避免了地表水长时间渗透，造成水资源浪费。

3 新产品在生产中的应用价值

这种新型浮球式给水栓设计有专门的端盖，在水栓停用时封住下栓体的出水口，避免泥土进入下栓体。为了路面通行大型农机时不轧坏栓体，可将下栓体套在水泥管内，水泥管上覆盖类似下水道的盖板，实现路面畅通无阻了。灌溉时只需打开水泥管的盖板，拧开下栓体的端盖，连接上栓体即可实现灌溉准备，操作极为便捷。这种新型浮球式给水栓针对老式给水栓存在的不足，进行了本质的升级改造，方便农田灌溉的实际操作，具有比较高的推广价值。