田间管渠自动灌溉系统研究

李浩菲，崔晨旭，戴雪冰，胡晶晶，刘力华，王春堂

（1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018；2.山东泰安建筑工程集团有限公司，山东泰安 271018）

现阶段，我国工业、农业和人类生活所需要的水资源越来越多，其中农业消耗水资源量占总用水量的比重最大[1]。农业是我国国民经济的命脉，大约有75%的粮食、90%的棉花和蔬菜均来自于灌溉农业,保障农业用水是保障粮食安全的基石[2]，但农业用水浪费形势极其严峻，农业用水面临着水资源短缺的问题，故发展节水灌溉已成为大势所趋。为了缓解我国灌溉水资源短缺的现状，需要大力发展节水灌溉技术，革新传统的地面灌溉方式。近年来，我国对许多灌区进行节水技术改造，节水灌溉装备虽然在理论研究、技术水平等方面取得了长足进步,生产规模基本能满足中国节水灌溉发展的需要,但自主研发能力较弱,在产品质量、技术性能、可靠性等方面还有待于进一步提高[3]。虽然喷、微灌等技术发展迅速,但农民种粮的效益比较低,农民无力购买昂贵的节水灌溉设备[4]，仍然采用传统的地面灌溉方式，出现了畦田首尾部灌水不均匀、灌溉效率低、深层渗漏严重的问题。

为了节约农业用水，提高灌溉效率，解决灌溉均匀度低、可控性差的难题，研制了该田间管渠自动灌溉系统。这种管渠自动灌溉系统可以提高灌水均匀度与灌溉水利用效率，能够实现水肥一体化。该系统具有节水、节能、省时、省力等优点，构造简单，可根据自身需要调节灌溉参数，对水质没有要求，运行管理方便，价格低廉，适用于我国大多数灌区。其研制有利于推进我国节水农业的发展，进一步为自动灌溉装置优化提供技术参考。

1 系统的构成

田间管渠自动灌溉系统包括田间管渠系统、动力系统以及供水管道系统，其设备见图1、图2、图3。

图1 自动灌溉系统单管渠工作俯视图Fig.1 The top view of single pipe canal of automatic irrigation system

图2 自动灌溉系统两管渠工作俯视图Fig.2 The top view of two pipe canals of automatic irrigation system

图3 圆缺型管渠示意图Fig.3 The schematic diagram of circular pipe channel

如图1所示，当进行单管渠工作时，田间管渠自动灌溉系统由供水管、闸阀、管渠、塞阀、牵引绳、涡轮机及变速装置组成。供水管布置在田间较高一侧，与具有一定坡度的管渠相连，水流从供水管流出，流经涡轮机后再注入管渠中，利用管渠坡度向尾部推进；闸阀设在供水管上，通过调节其开度来控制过水流量的大小，实现对灌溉水量的控制；管渠为顶部开口的圆缺型管渠，如图3所示，直径可根据作物和畦田的规格及当地灌区流量的需要进行选择，开口高度根据明渠均匀流公式由试算法测得，要求其具备良好的过水能力，具备足够的强度及刚度以承受一定的水压力，因考虑灌溉以及经济的要求，管渠可采用塑料材质，在田间管渠放置的坡度应与田面坡度一致；塞阀被放置在管渠尾部，其大小满足管渠断面大小的要求，在管渠中起到阻挡灌溉水流的作用，此时灌溉水只能从管渠上部向两侧溢出；牵引绳用于连接塞阀和动力输出轴，应具有一定的抗拉强度以保证拉动塞阀时不产生断裂的现象；采用轴流式涡轮机作为自动灌溉系统的动力装置，利用水流冲击叶片来输出旋转机械能；变速装置与涡轮机相连，可以将涡轮机产生的旋转机械能传递到动力输出轴上，动力输出轴转动带动牵引绳移动，牵引绳又牵引塞阀在管渠中匀速移动，灌溉水在塞阀上游处向两侧溢流，塞阀从渠尾移动到渠首，能保证在畦田长度方向上田面各处得到的水量相等，有效提高了灌溉均匀度。

如图2所示，田间管渠自动灌溉系统不仅可以进行单管渠工作，也可以使用2条管渠及多条管渠共同参与灌水工作，节省了时间及劳动力，大大提高了灌水效率。双管渠自动灌溉系统由2条管渠组成，与单管渠灌溉系统相比，不同之处是双管渠自动灌溉系统分别在畦田首尾部的地面上安装了2个滑轮，牵引绳套在4个滑轮上，同时将塞阀与牵引绳连接，一塞阀放置在管渠首部，另一塞阀放置在管渠尾部，其余部件布置要求与单管渠相同。这样，一条管渠从畦田首部进行灌溉，一条管渠从畦田尾部进行灌溉，2条管渠同时灌溉使得灌水效率大大提高。由于塞阀移动方向相反，塞阀受到的水压力可以抵消，故动力输出轴输出的力矩只需克服塞阀与管渠之间的摩擦力即可。

2 系统的工作原理

如图1所示，该系统工作时，供水管与给水栓相接，并布置在田间较高一端，通过调节其上的闸阀开度可以控制灌溉水量的大小，当灌溉水流入涡轮机的流道时，涡轮机叶片会受到水流冲击而输出旋转机械能，动力装置产生的旋转机械能通过变速装置调节，再经过动力输出轴输出。流经动力装置的灌溉水直接从管渠首部注入管渠中，由于管渠布置的坡度与畦田的坡度一致，灌溉水在管渠内会从渠首沿着田面的坡度方向向前推进。塞阀被放置在管渠的尾部，牵引绳套在动力输出轴上并与塞阀相连，当动力输出轴转动时，牵引绳会产生移动，从而带动塞阀从管渠尾部向管渠首部移动，此时，灌溉水从渠首向渠尾推进，在水流遇到塞阀的地方，由于塞阀的阻挡作用，灌溉水只能从管渠的上部开口处向两侧溢出，均匀地溢出到管渠周围的田面上。闸阀可以根据实际需要调节来水量的大小，以满足灌溉要求。同时，闸阀开度的改变直接影响了涡轮机转轴的转速，进而可以利用变速装置调节动力输出轴的旋转速度，动力输出轴又拉动牵引绳，故可以调节牵引绳牵引塞阀在管渠的移动速度，塞阀的移动位置为灌溉水溢流的位置。由此可见，该装置可精准确定灌溉水量及灌溉位置，实现准确及自动灌溉。因在流量确定情况下，涡轮机转速稳定，在变速装置作用下动力输出轴转速稳定，进而牵引绳牵引塞阀的速度保持不变，故塞阀在管渠内移动的途中，灌溉水均匀地溢流到田面上，使得灌溉均匀度提高。

如图2所示，将系统设置成该型式可以提高灌溉效率。牵引绳围绕4个滑轮转动，塞阀在牵引绳的牵引作用下在2个管渠中移动，如图2塞阀a在管渠a中由畦田首部向尾部移动，而塞阀b在管渠b中向与塞阀a的相反方向移动，向2个管渠中供水，管渠a中的水流遇到塞阀a均匀地溢出到管渠a周围田面上。与此同时，管渠b中的水流遇到塞阀b均匀地溢出到管渠b周围的田面上，故在塞阀a和塞阀b经过的途中，整个田面可以得到自动、均匀地灌溉。

一块畦田灌完后，可将灌溉设备移到下一块畦田进行灌溉，灌水周而复始进行，最终将所有田地灌溉完成。

3 系统的创新及优势

田间管渠自动灌溉系统可以实现田间自动灌溉，降低劳动强度，很大程度上解放了农民劳动力。以灌溉水为动力，通过动力输出轴带动牵引绳牵引塞阀在管渠中移动，在灌溉途中，省去了农民的劳动，保证了系统可以自动运行。

田间管渠自动灌溉系统可以使灌水均匀度大大提高。其塞阀移动速度由动力输出轴旋转牵引牵引绳的速度决定，因动力输出轴可以维持一定的转速，故塞阀可以在牵引绳作用下匀速移动，故溢出的灌溉水量相同，由此实现整个灌溉过程中灌溉水均匀地洒在田面上。

田间管渠自动灌溉系统可以控制各种灌溉参数，如灌溉水量、灌溉速度、灌溉位置，灌溉水量可以通过调节管渠坡度及闸阀开度进行人为调控，灌溉速度由涡轮机转速及传动比决定，塞阀移动处即为灌溉位置，通过调节各种灌溉参数实现了控水灌溉。

田间管渠自动灌溉系统有效缩短了灌水时间。和地面灌溉不同，该系统避免了传统地面灌溉方式中畦田平整度阻碍水流向前推进的现象发生，相比之下，在管渠中水流推进速度更快，且在灌水途中无渗漏损失。根据比较得出，该系统明显缩短了灌水时间，一定程度上提高了灌溉效率。

4 应用前景

田间管渠自动灌溉系统能够实现自动化灌溉，不仅能够减轻农民的劳动负担，还有利于节省灌溉时间，提高灌溉效率。

田间管渠自动灌溉系统减少了深层渗漏等现象的发生，提高了灌溉水利用率，节省大量农业用水，响应了国家节水政策的号召。

田间管渠自动灌溉系统有效提高了灌水质量，使作物产量增加。灌溉水流在畦田长度方向上，从管渠中均匀溢出，很好地解决了灌水均匀度问题，灌水质量提高，作物产量得到了保障。

系统构造简单，配套设备均可在市场购买到，价格低廉，运行管理费用较低。使用涡轮机作为动力装置，绿色环保，且该系统对灌溉水质及灌区没有特殊要求，可以广泛使用。

5 结语

田间管渠自动灌溉系统是基于我国水资源不足、传统地面灌溉深层渗漏严重、浪费现象普遍等现状提出的。田间管渠自动灌溉系统改进了地面灌溉方式存在的不足，是对传统地面灌溉技术的革新。管渠灌溉相比于沟灌、畦灌来说具有更多优点，可以将沟畦内水流的纵向推进巧妙地变为水流在管渠中的横向溢出，使得灌溉速度明显加快，解决了畦尾得不到灌溉或畦尾蓄水量过多的问题，能够节省更多农业用水。通过计算灌水定额，通过变速装置及闸阀等部件调节灌溉参数，以设定的水流流量及灌水时间进行灌溉，将灌溉水输送到需要灌溉的畦田内，达到了控水灌溉的目的。系统以灌溉水作为动力，控制塞阀移动实现自动灌溉，达到了解放劳动力的目的。同时，田间管渠自动灌溉系统的研制可为新型节水灌溉设备的设计及改进提供参考。