浅析地埋式自动伸缩喷滴灌系统的技术特点

朱海燕

（甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州730000）

1 前言

高效节水灌溉系统通常包括水源工程、首部枢纽、地埋管网、地面设备四部分。由于地面设备（如喷头及支架、给水栓或其保护装置）位于田间地表，农业机械作业时容易造成刮碰损坏。虽然可以通过提高农机驾驶员的技术水平或者采用移动式地面设备避免机械耕作带来的不便，但因此也增加了劳动成本［1-2］。为解决上述问题，中国灌溉排水发展中心与中灌润茵（北京）节水灌溉设备有限责任公司等联合研发了便于机耕、节能、省工的地埋式自动伸缩喷滴灌设备，为破解高效节水灌溉系统地面设备影响机耕作业问题提供了新的技术解决方案。地埋式自动伸缩喷滴灌设备主要由套管、伸缩管、钻土器（或喷头）三部分组成，根据应用范围不同，具体可分为：地埋式自动伸缩取水器（SD-01/SD-02）和地埋式自动伸缩一体化喷灌设备（SD-03/SD-04）两种类型［1，3］，设备性能及质量标准均已达到了国家标准GB/T 22999的要求。本文系统总结了地埋式自动伸缩喷滴灌系统的技术特点，以期更好地服务于工程实践。

2 工作原理介绍

地埋式自动伸缩喷滴灌设备灌溉间歇期多埋于耕作层以下。开始灌溉时钻土器（或喷头）顶端的出水口开始形成射流，随着钻土器（或喷头）顶端周围土体含水率逐渐增加，抗剪强度迅速由0.7 MPa下降至0.15 MPa以下；同时，钻土器（或喷头）在灌溉系统内水压力作用下，对上部土体产生向上的顶推力。当钻土器（或喷头）所受阻力（主要包括剪切力和摩擦力）逐渐下降，达到顶推力时，土体结构开始破坏，钻土器（或喷头）开始向上运动，实现破土出地（图1）［1］。

钻土器（或喷头）破土的过程可用以下三个力学状态公式来表示：

①静止状态：W＜T+G+f

②临界状态：W=T+G+f

③运动状态：W＞T+G+f

式中：W为伸缩管向上的有效顶推力；T为伸缩管周围土体的剪切力；G为钻土器（或喷头）顶部土体的重力；f为伸缩管周围土体产生的摩擦力。

图1 钻土器（或喷头）顶出原理示意图

3 工作流程

地埋式自动伸缩喷滴灌设备工作过程包括：初始、上升、工作、回缩［4-7］四个阶段。具体为：

①初始阶段：伸缩管及喷头处于完全回缩状态，设备全部埋于耕作层以下。装置开始充水，在灌溉系统内水压力作用下，钻土器（或喷头）顶端开始喷射高压水流。水流湿润、冲切钻土器（或喷头）顶部周围土体，土体结构随之逐渐破坏，抗剪强度迅速下降。

②上升阶段：随着土体软化，装置达到力学临界状态，钻土器（或喷头）开始向上运动，持续上升直至露出地面时停止上升。此时，对于地埋式自动伸缩取水器（SD-01和SD-02）本阶段结束；对于地埋式自动伸缩一体化喷灌设备（SD-03和SD-04），升降式喷头在内水压力作用下继续上升并伸出伸缩管外，喷头顶端的喷嘴逐渐调整向四周散射。

图2 地埋式喷滴灌装置不同工作状态

③工作阶段：对于地埋式自动伸缩取水器（SD-01和SD-02），摘除钻土器，安装高效节水灌溉系统连接装置，实现田间取水。对于地埋式自动伸缩一体化喷灌设备（SD-03和SD-04），喷头钻出地面后逐渐上升至最大行程时停止上升，喷头射程逐步增大直至喷洒半径，开始进行正常工作。

④回缩阶段：单次灌水完成后，取下三通出水口并安装钻土器（仅限于地埋式自动伸缩取水器），打开支管末端排水阀，在外力（人工按压）或反向内水压力作用下，伸缩管缓慢下降，直至全部缩回套管，装置恢复到初始状态。

4 系统类型及技术特点

（1）产品性能及质量标准

本产品全系列（SD-01、SD-02、SD-03、SD-04）性能及质量标准见表1。

表1 地埋式自动伸缩喷滴灌设备技术规格参数

SD-01、SD-02系列产品，取水器和钻土器密封性：渗漏量分别不大于设计流量的1%和0.25%；耐压性能：在2倍的最大工作压力下，零部件保持1 h不损坏，密封处渗漏量小于规定值；工作压力：0.1 MPa～0.4 MPa。

SD-03、SD-04系列产品，喷头和接口密封性：泄漏量分别不大于设计流量的2%和0.25%；耐压性能：在2倍的最大工作压力下，零部件保持1 h不损坏，密封处渗漏量小于规定值；喷洒半径：误差不大于±5%；喷头流量：误差不大于±5%；水量分布特性：符合GB/T 19795.1规定；压力流量关系：流量随压力波动变化不大，根据实测点拟合经验公式Q=0.0537H0.5488（相关系数r=0.9989）；旋转均匀性：误差不超过±12%；工作压力：0.2 MPa～0.4 MPa。

（2）系统类型及技术特点

根据伸缩管回缩方式，地埋式自动伸缩喷灌系统可分为：双管路地埋式自动伸缩喷灌系统、单管路地埋式自动伸缩喷灌系统、单管路地埋式自升人降喷灌系统三种类型。各类型系统优缺点如下：

Ⅰ型双管路地埋式自动伸缩喷灌系统：系统支管采用双管路布置，即一条支管平行配套一条辅助管，每条管道进出口均设一组阀门。喷头回缩时，通过调整阀门组的开关组合便能够调整水压方向，在反向内水压力作用下伸缩管缩回套管内。该类型系统可实现自动升降，自动化程度高，运行便利；但由于增加了一条辅助管，工程造价较高，与单管路地埋式自升人降喷灌系统相比，造价约高出50%～80%。

Ⅱ型单管路地埋式自动伸缩喷灌系统：系统管网布置与传统固定管道式喷灌系统类似。系统首部或干管分水处增设负压泵。灌溉结束时，开启负压泵，依靠负压将喷头回缩地下。该类型系统可实现自动升降，运行便利；工程造价适中，与单管路地埋式自升人降喷灌系统相比，造价约高出5%～15%；但在喷头回缩时，系统受负压影响，大管径（或环刚度较低）管道存在吸扁破坏的风险。

Ⅲ型单管路地埋式自升人降喷灌系统：系统管网布置与传统固定管道式喷灌系统类似。喷头依靠内水压力钻出地面，人工按压缩回地下。该类型系统无需其他辅助设备，结构型式最简单、可靠性最好，工程造价最省；但由于需要人工回缩，对于需要频繁农机作业的作物，人工劳动强度相对较大。

表2 地埋式自动伸缩一体化喷灌系统布设类型、工作原理及优缺点分析

图3 地埋式自自动伸缩一体化喷灌系统布设类型示意图

5 结语

（1）地埋式自动伸缩喷滴灌设备专利产品包括：地埋式自动伸缩取水器和地埋式自动伸缩一体化喷灌设备两种类型，性能及质量标准均达到了国家标准GB/T 22999的要求。

（2）与传统喷头（给水栓）相比，喷头（给水栓）等地面设备仅在灌溉期升出地面实施灌溉作业。灌溉完成后缩回地下，有效解决了高效节水灌溉系统地面设备与农机作业相互干扰的问题。

（3）根据伸缩管回缩的方式，地埋式自动伸缩喷灌系统可分为：Ⅰ型双管路地埋式自动伸缩喷灌系统、Ⅱ型单管路地埋式自动伸缩喷灌系统、Ⅲ型单管路地埋式自升人降喷灌系统三种类型。各类型均有其适用范围，Ⅰ型系统依靠辅助管反向内水压力回收喷头，造价最高，可配套自控系统实现无人值守灌溉；Ⅱ型系统利用负压泵产生的负压回收喷头，造价适中，但对系统管网及设备密封性要求较高；Ⅲ型系统依靠人工按压回收喷头，造价最低，可用于粮食等经济效益一般的作物种植区。