一种节水防堵滴头的设计＊

温国庆，张 瑞，洪志阳，张云龙

（吉林农业科技学院，吉林 吉林132101）

1 防堵滴头装置设计背景

1.1 水资源背景

中国的水资源总量相对较为丰富，在世界各国水资源占有总量中排行第六位。但是人口基数庞大，人均占有量少（仅有2300m3），不足世界人均占有量的1/4。水资源主要通过降水进行补给，多分布于长江流域，导致水源分布不均的现象。随着近些年工业的高速发展，很多水资源污染严重，水质恶化，淡水可用量逐渐减少。人们的节水意识普遍较低，尽管通过有关政府部门的干预（对浪费水资源的行为进行遏制或处罚，实施阶梯水价管理制度和行业用水收费制度），但是近些年来城市和农村用水浪费的现象依然十分严重。

中国在高效利用现有水资源方面仍有很大的潜力。在一些水资源严重短缺的地区，由于水资源分布不均、人为管理不善、灌溉技术落后等原因，同样存在着灌溉水资源的浪费。许多灌区灌溉定额过大，渠道水利用率低，区间回水利用不足，未推广一些先进的节水增产灌溉技术和现代管理方法。从部分地区推广节水灌溉的结果来看，采用先进的灌溉技术和管理方法，节水效果显著。滴灌比地面常规灌溉方式可以节约水40%～50%。因此，通过合理利用现有的灌溉水资源，以及进行技术的推广和科学的管理，中国在农业节水方面，潜力是非常巨大的。通过各种工程、技术、经济等手段，使现有灌溉水源利用率提高20%～30%，一些地区水资源短缺的问题将得到极大缓解，将对整个国民经济发展作出重大贡献。因此，将农业节水作为一项基本国策并长期坚持是十分必要的。节约水资源，走可持续发展道路，是解决中国水资源短缺的必然选择。

1.2 农业背景

面对庞大的人口基数，中国对农业的要求也日益提高。目前中国主要的灌溉技术有滴灌、喷灌、漫灌等。灌溉用水是各个用水行业之中需水量最大的一类，灌溉巨额的耗水量是导致中国水资源短缺现象产生的主要原因，而实现节水的有效方法除了可以提高全民的节水意识的方法外，还可以建立完善的工程手段（工程手段主要是指在田地里修建必要的节水水利工程，主要包括水渠的输水节水工程和田间节水工程。这两项节水工程主要包括防止渠道的渗漏，管路输水过程中的水力损失，通过节水灌溉的手段例如喷灌、微灌等节水灌溉项目[1]）。在完善工程手段的过程中可以通过改进现存的灌溉设备来实现节约水源的目的，而对灌区内的灌溉设备改进的重点就是对现有的大型灌区渠道进行修复加固，提高防渗性能，同时对灌区建筑物进行维护和完善[2]。再者就是采用现代化的节水灌溉装置替换传统的漫灌设备，并且还需要合理的考虑设备的布置和排列问题，都有利于实现节水的目标。

1.3 技术背景

中国滴灌技术的发展历程主要分为引进国外灌溉产品、产品模仿和自主研发3个阶段[3]，由于滴灌比其他灌溉技术具有更优良的农业节水增产效果，因此受到世界各国干旱地区的重视。中国从1975年开始发展滴灌技术，并于1976年将滴灌研究列为中国重点项目之一。此后中国通过滴灌设备的制造与研制开发，使滴灌设备技术达到了一个全新的高度，但中国与进口生产的滴灌设备的质量仍存在一定的差距。

自以色列发明滴灌技术以来，90%以上的节水率使其成为高效利用灌溉水最有效的技术。滴灌可以减少蒸发损失，节约水资源，这对于解决中国耕地面积大但水源匮乏的问题具有重大意义[4]。而滴头在滴灌中的作用不言而喻。通过不完全统计，目前中国生产制作的滴头大部分不具有防堵的功能，在节水方面也存在缺陷，市场上的防负压压力补偿形式的滴头[5]在设计上相对比较完美，但是忽略了滴头老化的情况。在防堵措施的设计上，大部分滴头均采用波动防堵或者拆卸清理的方式，本文所涉及的滴头防堵清理方式是在各种滴头波动和拆卸清理方式的基础上利用水压力差冲刷，同时可以保证滴头在使用过程中出水的稳定。滴头是保障滴灌系统实现节约水源，提高水资源利用率的一个重要的不可缺少的部分。本文介绍的滴头主要从3个方面来保证滴头的稳定运行，以达到节约成本，经济实用的目标。

2 节水防堵滴头装置总体设计

2.1 总体结构

节水防堵滴头的设计主要包括以下3个方面：消能曲线流道、空腔储水结构[3]、压差防堵结构。每个部分都可以起到不同的作用。其总体结构如图1所示。

图1 节水防堵滴头示意图

2.2 工作过程

本设计滴头进水口与输水管道相连接，当输水管道放水时，水流从输水管道由进水口进入滴头，通过曲线消能流道进行消能（此时水流在曲线流道里呈螺旋状前进）。水在水泵的作用下进入灌溉管道，存在一定的水压力，水流在压力作用下进入滴头，在曲线流道内充分消能，平稳地到达出水口，起到稳定出水的效果。同时可避免水流直接冲击活塞，延长活塞的使用寿命。

滴头与输水管道通过卡槽卡在管道上的连接孔中。滴头的卡槽在长时间工作下易产生老化或在水压下与管道孔口产生缝隙，水从缝隙中漏出造成水资源的浪费。而本文设计的滴头可使水流在进入消能曲线流道的过程中通过曲线壁上的逆止阀进入储水空腔中，水可在储水腔体中积累，当卡槽和孔口之间出现缝隙时，可通过逆止阀储水腔体中补充水量，使腔体鼓胀起到填补缝隙的作用，以防止滴头与灌水管道连接处漏水，以达到节水的效果。当停止供水时，储水空腔中的水在逆止阀的作用下可以继续留在腔体中[6]。

水流在通过曲线通道后进入出水口。正常情况下水可从出水口两端的缝隙中流出，进入土壤。弹性体由铆钉状结构和弹簧组成，弹簧采用不易锈蚀的刚性材料，弹性适中，在滴头发生堵塞时，由于出水口堵塞，空腔聚集水量不断增大且压力逐渐增大，可以推动铆钉状结构的锚头带动出水口处的钉状物抽动以疏通出水口。此外，当堵塞严重时也可以人为推动出水口处的钉头带动活塞，活塞向上推动，出水口上侧储水空间变小，水压变大，松开活塞时出水口处由于水压增大，可在短时内喷出水流水，可起到冲刷出口，打通堵塞的效果。同时本设计滴头其下部结构采用螺纹连接，如弹性体出现故障，也可以拧开出水口端，对其进行维护，在很大程度上提高了滴头使用寿命。

2.3 3D打印技术滴头制作的实现

3D打印技术已广泛应用于制造业如人工血管、口腔、无人机等[7-8]，Revit建模常用在水利工程图中，其图面受人为因素影响很少，采用Revit可以避免对构造和CAD绘图的理解不深刻从而造成平面图很多地方产生错误的问题。Revit的另一个优点就是联动功能十分强大，可以一处修改，处处更新，剖、平、立面、明细表双向关联，可以自动避免产生低级的错误，且精度高。本文将尝试应用Revit软件来实现滴头三维实体模型的建模，其步骤大致如下：首先打开Revit软件，新建族，采用公制常规模型，该模型为圆形节水滴头，在正视图采用旋转命令，按照所需尺寸将族模块完成。该模型建立4个族，各部分构件如图2所示，最后在构造样板中将4个族拼接在一起构成滴头三维实体图，如图3所示。

图2 节水防堵滴头三维构件图

图3 滴头三维实体图

应用Revit对滴头外壳进行三维实体构建后，由于Revit无法直接转化成可以用于3D打印的STL格式，因此首先将模型先保存为DWG的格式，并将文件在AutoCAD中打开创建STL文件。使用分层软件，按照所需精度，按照要求对结构模型的STL格式的文件进行切片处理，将得到的切片数据载入加工设备的控制系统。本滴头3D打印制备使用的设备打印技术核心为熔融堆积成型（FDM）。三维建模主要材料为聚丙烯，聚丙烯材料在高温下融化成半液态，通过可在X—Y方向上移动的喷嘴喷出，形成零件的断面薄层，固化一层原料被之后，工作台上移一个层厚的距离高度，新的聚丙烯材料覆盖到下一层的表面，新的表层由于高温的影响粘合在前一层上，如此多次，最终排列形成立体实物。FDM技术的优点是可以高效率利用原材料，三维建模成型精度高，精度可达±0.1mm、模型表面光滑，可以制造出精细度特别好、复杂度特别高的零件。

3 节水防堵滴头装置在滴灌中的优势

滴灌技术相较于其他灌溉手段来说优势更加的明显，主要表现在实施过程中操作相对简单，并且可以达到节约资源的目的。滴灌技术的节水能力一般能达到60%以上[9]。滴灌技术水分吸收如此之高是由于在输水过程中避免了水的损失和渗漏，地表部分始终保持湿润，防止地下水的超量补给，减少土地盐碱化发生的概率，有效地减少了地表水分的蒸发[10]。同时，滴灌技术润湿的土壤范围有限，不会在地表发生径流，在节约水资源的同时还可以防止杂草的生长，保证作物能够充分地利用土壤肥力。土壤湿度较低同样可以抑制病虫的出现，可相对减少农药的使用，保证作物质量[11]。该滴头通过消能结构，空腔节水结构和防堵结构的设计可使滴灌的优势更加明显，有效解决了当前滴头出水不均匀和不出水的问题，且本文阐述的滴头其材料除弹性活塞中需要很小的不易锈蚀的刚性弹簧外，其他材料都是低成本的塑料型材，因此成本较低廉。

4 结语

农业是一个国家生存发展的前提，本文所提出的节水防堵滴头自身具备有消能、节水、防堵的效果，可以很好地适应当下中国农业及水资源的现状，在实际应用中具有易安装、易维护、成本低、适范围广的特点，可以应用在大棚、林地、绿地、山地等不同环境中。同时可以适应当今社会的可持续发展的政策，践行绿水青山就是金山银山的生态理念。适应中国水资源不足的现状，在农业发展的同时做到节约水资源、保护生态。未来将在此滴头快速制作成型技术上做进一步研究。