双浮球式水力自动波涌灌溉设备的研究

刘洪辰，王 帅，梁 昭，朱 飞，刘之广，刘文龙，王春堂

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2. 山东农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室，山东 泰安 271018；3. 山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；4.临沂市水利局，山东 临沂 276000；5. 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室，金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沭 276700)

0 引 言

我国是一个干旱缺水严重的国家，而且水资源利用效率较低，其中农业灌溉用水占用了我国淡水资源总量的60%左右。目前我国的农业灌溉面临着用水量大、灌溉制度不合理、水资源浪费、农业面源污染严重等问题。党中央国务院明确提出要大力发展节水灌溉技术。波涌灌溉是采用间歇交替方式向畦田或灌水沟放水的一种新型节水灌溉方法，具有节水、节能、保肥、水流推进速度快和灌水质量高等优点，是缓解上述问题的有效途径之一。

波涌灌溉有着多年的研究历史，1979年美国的Stringham和Keller提出了波涌灌这一概念并进行室内研究，我国于1981年引入这项技术并加以研究。在我国北方广大地区，地面灌溉仍然占据着主流的地位，波涌灌溉作为一种新型的灌溉方式，具有极大的实际应用价值，但由于灌溉设备的缺乏导致波涌灌溉无法进行大面积推广应用。

为了节约水资源，发展农业高效用水，提高灌溉效率，降低劳动强度，促进农业灌溉的自动化，研制了双浮球式水力自动波涌灌溉设备。该设备构造简单，检修方便，对水质没有要求，利用双浮球机械装置和水力相配合来实现自动化，节约能源，可应用于渠灌和低压管灌地区，适用范围广泛。

1 设备的构成

双浮球式水力自动波涌灌溉设备示意图见图1、图2。

1-底板；2-箱体；3-第一固定板；4-第一圆杆；5-第一活动板；6-第一拉绳；7-第一漂浮球；8-出水口；9-第二固定板；10-第一固定块；11-第一弹簧；12-销钉；13-第一定滑轮；14-第二拉绳；15-第二漂浮球；16-侧板；17-第三固定板；18-第四固定板；19-第二固定块；20-第二弹簧；21-插销；22-第二定滑轮；23-第三定滑轮；24-第三拉绳；25-导向杆；26-第二活动板；27-盲孔；28-半圆块；29-第二圆杆；30-连接杆图1 双浮球式水力自动波涌灌溉设备示意

图2 支撑板示意

底板的上表面固定连接有箱体，底板与箱体组成一个水箱，底板上设有出水口，出水口上可活动的安装有第一活动板，第一活动板通过第一固定板和第一圆杆活动的连接在地板上，第一活动板在打开或关闭过程中，以第一圆杆为中心轴做圆周运动。第一拉绳的一端固定在第一活动板上，另一端连接有第一漂浮球，第一活动板左侧的底板上同时设有第一固定块和第二固定板，第二固定板的右侧面连接有第一弹簧，第一弹簧另一端连接可以活动的销钉。销钉的圆周面与第一活动板的上表面滑动连接，第二固定板的左侧的底板上设有第一定滑轮，第二拉绳缠绕在第一定滑轮上，第二拉绳的一端固定连接有第二漂浮球，另一端穿过第二固定板和第一弹簧并与销钉的左端固定连接。

底板的下表面固定连接有侧板，侧板的底部与底板平行固定连接有第三固定板，第三固定板的上表面固定连接有第四固定板和第二固定块，第四固定板的右侧面连接第二弹簧，第二弹簧的另一端与插销的左端连接，插销右端可活动地穿过第二固定块后与第二活动板左侧接触，侧板的外侧面固定连接有第二定滑轮，箱体的左侧顶部固定连接有第三定滑轮，第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮位于同一竖立平面内，第三拉绳的一端依次缠绕穿过第二定滑轮和第三定滑轮后连接第二漂浮球的顶部，第三拉绳的另一端穿过侧板和第四固定板和弹簧后与插销的左端连接。

第三固定板上表面垂直固定有两个导向杆，第二活动板底部设有与导向杆配合使用的盲孔，导向杆可活动套接在盲孔内，导向杆用于限制第二活动板只能沿着导向杆上下运动，第二活动板的顶部对称设有两个半圆块，第二圆杆两端分别铰接在半圆块上，第二圆杆中部可活动的连接连接杆底部，连接杆的顶部与第一活动板的下表面固定连接，两个半圆块与第二圆杆形成一个铰接座，第一活动板和第二活动板通过铰接座铰接。当第一活动板将出水口密封时(即关闭状态时)，第一弹簧处于原始状态，第二弹簧处于压缩状态。如此对设备进行设计，可以实现间歇性放水，达到波涌灌溉的灌溉效果。

2 设备的原理

如图1所示，底板1的下表面固定连接有侧板16，侧板16的底部固定连接有第三固定板17，第三固定板17的上表面固定连接有第四固定板18和第二固定块19，第四固定板18的一侧面固定连接有第二弹簧20，第一活动板5为关闭状态时，第一弹簧11处于原始状态，第二弹簧20处于压缩状态。水位上升时，第一弹簧11被压缩将销钉12向左拉动，第一活动板5打开，此时第二弹簧20张开，将插销21推入第二活动板26的底部，第二弹簧20远离第四固定板18的一端与插销21的一端固定连接，插销21活动连接在第二固定块19一侧面开设的通槽内，侧板16的一侧面固定连接有第二定滑轮22，箱体2的顶部固定连接有第三定滑轮23，第二定滑轮22和第三定滑轮23的表面均缠绕有第三拉绳24，第三拉绳24的一端与第二漂浮球15的表面固定连接，另一端穿过侧板16和第四固定板18并与插销21的一端固定连接，且第三拉绳24位于第二弹簧20的内部，水位下降到水箱的二分之一后，第二漂浮球15下降，第二漂浮球15向下运动拉动第三拉绳24并压缩第二弹簧20，使得第二活动板26下降，第一活动板5在水压的作用下关闭，第三固定板17的上表面固定连接有导向杆25，导向杆25活动连接在第二活动板26底部开设的盲孔27的内部，通过设置导向杆25使得第二活动板26只能沿着导向杆25上下运动，且第二活动板26位于第二固定块19的一侧，第二活动板26的顶部固定连接有半圆块28，半圆块28的一侧面固定连接有第二圆杆29，半圆块28的数量为两个，且两个半圆块28与第二圆杆29形成一个铰接座，由于第一活动板5在打开关闭过程中，以第一圆杆4为中心轴做圆周运动，且第二活动板26只能沿着竖直方向运动，所以第一活动板5和第二活动板26必须为铰接，第二圆杆29活动连接在连接杆30表面开设的圆孔内，连接杆30的顶部与第一活动板5的下表面固定连接，第一活动板5开启后，第二弹簧20张开将插销21推入第二活动板26的底部，使第一活动板5不至于在水流的作用下关闭，水位下降到水箱的二分之一后，第二漂浮球15下降，第二漂浮球15向下运动拉动第三拉绳24并压缩第二弹簧20，使得第二活动板26下降，第一活动板5在水压的作用下关闭。

使用时，当水箱里的水位上升时，第一漂浮球7受到浮力，但由于销钉12的作用第一活动板5没有被向上抬起，第二漂浮球15继续上升，当第二漂浮球15上升到较高的高度时拉动第一弹簧11，第一弹簧11将销钉12拉进第一固定块10一侧面开设的穿孔内，此时第一活动板5在第一漂浮球7浮力的作用下打开，第一活动板5开启后，第二弹簧20张开将插销21推入第二活动板26的底部，使第一活动板5不至于在水流的作用下关闭，水位下降到水箱的二分之一后，第二漂浮球15下降，第二漂浮球15向下运动拉动第三拉绳24并压缩第二弹簧20，使得第二活动板26下降，第一活动板5在水压的作用下关闭，一个放水周期完成，整个过程无需人工操作，方便简单。这样通过水箱中的水位不断的上升和下降的过程，水箱中的水间歇性的流入灌溉田地，实现了水力自动波涌流灌溉。

3 设备核心构件的设计

3.1 浮球的设计

如图所示，浮球7的设计需要根据第一活动板打开所需要的浮力来确定，装置所需升力的决定因素主要有：活动板的自重、水压力。因此所需要浮球体积的计算公式为：

式中：V1为浮球7的体积；M为第一活动板的重量；γ为水的重度；h为水箱中水位的高度。

浮球15的设计是根据弹簧11的弹性力来确定的，浮球15上升时应产生足够大的浮力来拉动弹簧11，使其压缩并将销钉12拉入销钉槽内，因此其计算公式为：

V2≥F/γ

式中：V2为浮球15的体积；F为弹簧11所具备的弹性力；γ为水的重度。

3.2 出水口活动板的设计

出水口活动板与支板通过销钉相连接，二者共同工作。当水箱中的水位上升时，出水口活动板在浮球的作用之下打开，支板底部支撑在弹出的销钉上，保证活动板不在水压力的作用下关闭。此时应保证：

FN>Gw+Fn

式中：FN为支板的支撑力；Gw为水的重力；Fn为水流动时产生的惯性力。

3.3 上下两排销钉的设计

(1)第一排销钉的设计。第一排销钉位于水箱底部，其作用在于当水箱中的水位逐渐上升时浮球7产生的浮力不能够将活动板拉开，使水箱中可以蓄满一个灌水周期所需要的全部水量。因此在选择第一排销钉的材料以及设计尺寸时应满足如下条件：

M1≥KF浮

式中：M1为第一排销钉断面所受的剪力；F浮为浮球对活动板的浮力；K为销钉设计采用的安全系数。

(2)第二排销钉的设计。第二排销钉位于支撑板的左侧，当支撑板未被拉起时，销钉被支撑板挡在弹簧槽内，当上部水箱中的水位上升时，此时支撑板连同活动板一起上升，销钉在弹簧槽内弹簧的作用下弹出，支撑板支撑在销钉上，直到完成一个放水周期，浮球15将弹簧连同销钉一起拉进弹簧槽内，支撑板带动活动板落下。为了完成放水过程，第二排销钉的设计应该满足如下条件：

M2≥KFN

式中：M2为第二排销钉断面所受的剪力；FN为支撑板对销钉的作用力；K为销钉设计采用的安全系数。

4 设备创新及优势

(1)该设备适用于渠道灌溉和低压管道输水灌溉，对环境的适应性较强，设备中的装置对水质没有要求，能够适应引黄灌区灌溉水泥沙含量较多的客观条件。

(2)该设备采用双浮球式水力自动控制装置，充分利用水体浮力和浮球自重的作用来控制设备的运行和停止，完全采用水力，具有省时省力、节约能耗的特点。

(3)通过水箱中水位的上升来调节出水口活动板的开度，进而调节排出灌溉水的流量，能够满足生产实践中灌溉的不同需求。

(4)通过双浮球和上下两排销钉来完成间歇灌溉，能够达到波涌流灌溉所需要的放水效果，并且能够实现灌溉自动化，节约灌溉水资源。

5 应用前景

(1)双浮球式水力自动波涌灌溉设备利用水的浮力实现了波涌灌溉，较传统灌溉缩短了轮灌周期，提高了灌溉质量，节省了用水量，减少了肥料随水流失，降低了农田面源污染和附近水体的富营养化风险。符合国家大力发展节水灌溉的政策，满足农业可持续发展需求，具有重要的现实意义。

(2)设备与同类产品相比，对输水来源无特殊要求，可广泛应用于低压管道输水和渠道灌溉，同时结构简单、造价低廉，有利于推广。

(3)利用双浮球式机械单元，完善了周期性放水系统，形成了一套比较完善的水力自动波涌灌溉设备，可实现间歇灌溉，具有很强的实用性和适应性，有利于在农业生产中推广应用。

因此，该设备及配套技术具有广阔的应用前景。

6 结 语

该设备是一种波涌灌溉出水装置，底板的上表面固定连接有箱体、第一固定板，第一固定板的一侧面固定连接有第一圆杆，第一圆杆套接在第一活动板正面开设的通孔内，第一活动板的表面固定连接有第一拉绳，且第一拉绳的一端固定连接有第一漂浮球。通过设置第一活动板、第一漂浮球、第二漂浮球、第一弹簧和销钉，第一活动板在第一漂浮球浮力的作用下打开，水位下降到水箱的1/2后，第一活动板在水压的作用下关闭，一个放水周期完成。设计时应充分考虑第一弹簧和销钉的防锈问题，可采用硬度较高的有机玻璃进行制作。

设备运行的整个过程无需人工操作，方便简单，解决了波涌灌溉作为一种间歇供水灌溉方式，人工操作时常常有很多不便之处，费工费时，不利于推广应用等问题。设备完全采用水力自动机械装置，通过水力来控制设备的运行，充分节水节能，同时设备构造简易，维修方便，制作、检修、运行成本均比较低，适合目前我国农村的经济发展现状，便于在广大农村的推广应用。

[1] 张立军，秦淑静，马长健，等. 横轴式水力自控多向间歇灌溉设备研究[J]. 中国农村水利水电，2015，(3)：91-93.

[2] 邓生荣. 开源节流,节水灌溉势在必行[J]. 节水灌溉,2017,(1):98-99.

[3] 中共中央国务院. 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议[EB/OL].http:∥www.gov.cn/zhengce/2016-01/27/content_5036698.htm,2016-01-27.

[4] 孙晓琴,吴 强,鞠茜茜,等. 低压管灌条件下波涌畦灌灌水质量评价[J]. 灌溉排水学报,2016,(6):54-58.

[5] 王春堂，郭聚江，孙玉芬，等. 涌流灌溉水力自动控制系统设计[J]. 中国工程机械学报，2008，6(1)：68-72,77.

[6] 袁志德. 山地丘陵地区波涌灌溉自动灌水系统研究[D]. 重庆：西南大学，2012.

[7] 邓斌峰. 波涌灌溉技术及其水力自动设备[C]∥ 中国农业工程学会.农业工程科技创新与建设现代农业----2005年中国农业工程学会学术年会论文集第二分册.中国农业工程学会，2005：4.

[8] 王春堂，张玉明，孙玉霞，等. 波涌流灌溉水力自动装置灌水周期研究[J]. 中国农村水利水电，2006，(8)：67-69.

[9] 白 丹,叶文宇,张建丰，等. 虹吸式波涌管道灌溉技术的初步研究[J]. 农业工程学报，2006，22(1)：179-181.

[10] 周 鹏. 虹吸式自动波涌流节水灌溉装置研究[D]. 山东泰安：山东农业大学,2016.

[11] 高范华，王 帅，纪亚男，等. 波涌流灌在山东引黄灌区冬小麦机井灌中的应用[J]. 中国农村水利水电，2015，(8)：28-30.