一种节水灌溉可调角度喷头设计说明书

山东科技大学 山东 泰安 271099

一、研究背景

我国是一个农业大国,耕地面积约20.23亿亩。传统人工灌溉一般采用大水漫灌、滴灌、喷灌三种方式。大水漫灌具有灌溉均匀性差,水资源利用率低的缺点,其灌溉面积、喷水流量、喷水压力不易控制,容易造成喷水在空气中的过度蒸发,对水资源的利用率低。滴灌灌溉时间长,布置复杂,而且容易被土壤堵塞,使用维护成本高、效率低。农业作为我国的第一产业理应得到现在科技产业的反哺。对数据获取更精准、环境控制更加智能、更节能、对于作物属性更了解、收获储藏更规范成为当今时代对农业发展的新要求。农作物对水资源的需求量,主要受农作物生长环境中的土壤温度,空气湿度,空气温度等指标的影响。水源的灌溉可以直接或间接地影响上述指标,因此对农田的灌溉就具有更高的要求。我国农业节水灌溉的现状,相比发达国家的农业灌溉系统,我国的农业灌溉系统因为起步较晚,技术相对落后,缺乏节水理念,而远远落后于英美等发达国家。但近年来对于节水的意识有所加强,在节约水资源方面已经取得了相当可观的成果。因此在一定程度上节约了我国宝贵的水资源,还减少了农民的负担。但相对来说,我国的农业节水灌溉也存在许多明显的问题,如农业节水基础设施紧缺的现象,就是导致我国远远落后于英美等发达国家的最重要的原因。除此之外,我国的农业还停留在粗放式,缺乏相应的节水理念,因此节水灌溉的措施的实施力度有限,这也是限制我国节水灌溉发展的重要因素。对于整治措施方面还要经过长时间的实践和改进,现在可以从灌溉本身的技术方面进行改进,这也是节水的根本所在。

二、项目简介

一种节水灌溉可调角度喷头的目的在于克服现有技术中存在的水资源浪费、劳动力强度大等问题,达到选用喷洒范围与喷灌区域几何形状吻合的节水灌溉喷头进行布设,实现可间接性喷水的过程。本实用新型喷头通过直管与外界水源连接,直管内水流动推动斜板转动,斜板推动转动杆转动,转动杆带动挡板转动,挡板转动间歇性的将盖帽的喷孔堵住,使得喷孔间歇性的进行喷水,使得喷洒角度可变化,无需一直喷灌,使得喷头节水,同时增加了盖帽内的水压力,提升了喷孔喷水扬程,提升了喷灌的覆盖面积。本灌溉喷头项目已提出国家实用新型专利申请,专利号为201920513412.3[1],进而达到了控制供水量的目的。本项目所采用的材料价格低廉,并且设计新颖巧妙,利用水压的调节实现推动斜板的转动,这样在相同水压之下通过转头的遮挡实现水流的喷射,这样设计的目的是可以达到同样水压下的灌溉面积更广,射程更长。通过物理原理实现水资源的节省,并且本设计的另一大亮点就是喷灌的的角度可调整,根据喷头所在位置和所要浇注的范围,进行设计喷头上的孔洞,实现在指定范围内给农作物浇水。这种设计在一定程度上减轻了水资源的浪费情况,减轻了劳动力,节省了灌溉的工作效率。并且构造简单,适用性强,可以广泛地应用在各种室内外的农作物浇灌。这种喷头可以安装在各种供水水管上,安装比较简单,可以根据不同规格的供水管选择配套的喷头进行安装。

三、研究方案

3.1 喷头机械结构及工作原理 本设计的目的在于提供一种节水灌溉可调角度喷头,以解决喷头确定好后一般喷洒几何形状都是不变,每个喷孔都在喷水,喷孔不能间歇性喷水的问题。

为实现上述目的,本设计提供如下技术方案,该灌溉喷头结构图及模型如图1所示:一种节水灌溉可调角度喷头,包括1直管、2套管、3盖帽、4喷孔、5第一圆柱、6挡板、7横板、8轴承、9第二圆柱、10斜板、11转动杆,所述直管顶部螺纹连接有套管,所述套管内壁中上端固定连接有横板,所述横板中端开设的通孔处固定连接有轴承,所述轴承的内环固定连接有转动杆,所述转动杆上下两端分别固定连接有第一圆柱和第二圆柱,所述第一圆柱上均匀固定连接有挡板,所述第二圆柱均匀固定连接有斜板,所述套管上螺纹连接有盖帽,所述盖帽侧壁上均匀开设有喷孔。

图1 灌溉喷头结构图及模型

节水灌溉喷头在工作时,其直管与外界水源直接连接,其中斜板、转动杆和挡板之间为固定连接,直管内的水流动推动斜板转动,进而带动挡板转动,挡板转动间歇性的将盖帽的喷孔堵住,使得喷孔间歇性的进行喷水,可以达到节约水源的目的,同时增加了盖帽内的水压力,提升了喷孔喷水扬程,提升了喷灌的覆盖面积。

3.2 喷头结构设计特点

3.2.1 横板的形状与布置 所述斜板的倾斜角度为10-15°,斜板设有6-8组,所述斜板沿着圆周方向均匀排布在第二圆柱的外壁上。水流经过直管后冲击转动杆上的叶片,从而使转动杆转动。正确的选择转动杆的数目能够决定转动杆转速的大小,从而决定水喷射角度更迭的速度,从而决定农田被灌溉的速度。

3.2.2 挡板的形状与布置 挡板与盖帽的内侧壁贴合接触,挡板采用耐腐蚀橡胶制成,所述斜板、转动杆和横板均采用铝合金制成。挡板设有3-5组,所述挡板沿着圆周方向均匀排布在第一圆柱的外壁上。使得喷洒角度可变化,无需一直喷灌,使得喷头节水,同时增加了盖帽内的水压力,提升了喷孔喷水扬程,提升了喷灌的覆盖面积。

3.2.3 喷孔的分布布置 喷孔的分布决定了瞬时喷水的流量大小以及桶内压力的大小,正确决定喷孔的分布有利于节约水资源,使得有限量的水能够最大程度的灌溉更多的农田,提高水资源的利用率,降低的工作成本。

3.2.4 直管的管径大小 直管的管径决定了水的流量,进而决定了水的压力的大小,正确选择直管的直径,有利于提高水的压力,从而提高灌溉的效率。

本喷头的第二圆柱上均匀固定连接有斜板,套管上螺纹连接有盖帽,所述盖帽侧壁上360°均匀开设有喷孔。且喷孔相对于地平线的角度从上到下逐渐减小,根据水压的不同,其喷灌半径为14-20m。

3.3 喷头空间布置方式 选择喷灌喷头布置喷灌系统的时候,要考虑喷头的组合形式,合理不合理完全影响着整个喷灌系统的喷灌质量,喷灌组合形式可以为矩形和三角形。矩形的布置适用于地形面积规则的地方,这是一种非常简单的喷头布置工作,而三角形的布置是适用于不规则的地块。现代农田的布局样式有很多种,其中长方形布局方式最为常见,新型喷头凭借自身机械结构的优势,可实现均匀喷灌。根据水压的不同,其喷灌半径为14-20m。以一块100m×150m的矩形小麦田为例,将矩形小麦田分为若干个边长为20等边三角形区域,将喷头设置在各顶点处,这种灌溉喷头的布局方式可以极大的减小灌溉的重叠率,重叠率为0.104,同时也减小了喷头的个数。喷头的空间布置也要视情况而定,在布置时最好是既能节省喷头的数量,又可以使灌溉的面积更广泛。还要根据农作物的种类和农作物的生长特点来布置喷头。

在城市园林绿地和运动场草坪喷灌系统中,地埋式喷头的优点得到了越来越广泛的应用。根据工作状态的不同,地埋式喷头分为固定式和旋转式,按照射程的远近,又有近射程喷头、中射程喷头和远射程喷头之分。通过改变喷头上面的孔洞数量可以改变射程的远近。射程远近的选择也需要考虑很多因素,对应不同的射程距离也有相对规格的喷头孔洞大小,主要考虑的因素如下:

(1)喷灌区域大小。面积狭小的喷灌区域适合采用近射程喷头,这类喷头多为固定式的散射喷头,具有良好的水形和雾化效果;喷灌区域的面积较大时,使用中、远射程喷头,有利于降低喷灌工程的综合造价。

(2)供水压力。不同类型喷头的工作压力也不相同。如果是自压型喷灌系统,应根据供水压力的大小选择喷头类型。当供水压力较低时,可选用近射程喷头,保证喷头的正常工作压力;供水压力较大时,可选用中射程喷头,有利于降低工程造价。对于加压型喷灌系统,喷头工作压力的选择也应适当。太低的工作压力会增加喷灌系统的工程造价,太高的工作压力则会增加喷灌系统的运行费用。喷头选定后,需要通过水力计算确定管网的水头损失,核算供水压力能否满足设计要求。

(3)地貌及种植状况。如果喷灌区域地貌复杂、构筑物较多,且不同植物的需水量相差较大,采用近射程喷头可以较好地控制喷洒范围,满足不同植物的需水要求;反乏,如果绿地空旷、种植单一,采用中、远射程喷头可以降低工程造价。

3.4 喷头节水效益分析 现以目前应用较广的8034D摇臂式喷头为对比。我们假设当主喷嘴圆柱段长度和内腔锥度角一定的情况下,对比两者不同工作压力下的喷头流量。

其中Q为水流量,P为管压强,s为喷头管道比阻常数(默认为1.5×1014),l为管道末端至始端长度。

当管压强为352kpa时,采用克里斯琴森均匀系数CU计算评价喷灌均匀性指标。

由上进行数据对比,新型喷头在各水压下,每小时的喷头流量均比8034D摇臂式喷头要低,节水效益高,具体示意图如下图3所示。

根据CU绘制在350kPa的压力下两款喷头的喷管均匀系数,结果可见图4。由图可得在350kPa的稳定工作压力下,新型节水灌溉喷头在13×13的范围内至16×16的范围内喷灌均匀系数CU高于传统的8034D摇臂式喷头,节水效果明显。

四、节水灌溉的必要性

农田灌溉在水资源利用中占据相当大的比例,实行节水灌溉技术可减少无效耗水,提高水资源的利用率。从而缓解水资源供应紧张的问题,改善生态环境。促进农业的可持续发展。其次,节水灌溉可提高农业生产效率。在实际的农业生产中并非所有农作物都适合大水漫灌的灌溉模式,不同的作物在不同的生长期其对灌溉的需求也各不相同,传统的灌溉模式无法合理调控灌溉量,对农作物的生长十分不利。而节水灌溉技术可以根据不同农作物不同时期的实际需求量调节灌溉量,并结合先进设备。技术为农作物创造一个更加适宜的水分条件。使得自然环境、相关的因素对农作物的生长起到良性的促进作用,从而提高农作物的产量及品质。节水灌溉顺应现在社会发展的趋势,相对于传统灌溉模式有很多优势。

(1)节约水资源。农田灌溉在水资源利用中占据相当大的比例,实行节水灌溉技术可减少无效耗水,提高水资源的利用率,从而缓解水资源供应紧张的问题,改善生态环境,促进农业的可持续发展。

(2)、节水灌溉可提高农业生产效率。节水灌溉技术可以根据不同农作物不同时期的实际需求量调节灌溉量,并结合先进的设备、技术为农作物创造一个更加适宜的水分条件,使得自然环境、相关因子对农作物的生长起到良性的促进作用,从而提高农作物的产量及品质。

(3)可以减轻灌溉中的劳动力。节水灌溉技术利用先进的设备、技术,提高了劳动效率,减轻了农业灌溉中的人工投入,为农村的经济发展节省更多劳动力,有利于农村劳动力的优化配置,促进农村产业结构的完善。

(4)经济效益。节水灌溉的最直接效益是省水增产。节水灌溉工程节省的水量根据其用途不同,经济效益也不相同,如果节省水量用于生态环境时,为生态环境效益,没有直接经济效益。对于省水经济效益,应结合当地的具体情况进行估算。

五、节水灌溉的发展趋势

因地制宜,继续普及与推广先进的喷,微灌技术:我国节水灌溉工程中,喷,微灌技术所占的比重还比较低,与发达国家相比较还有大的差距。目前,国内外喷,微灌技术正朝着低压,节能,多目标利用,产品标准化和系列化及运行管理自动化方向发展,任何一项节水灌溉技术都有其适用的自然条件,经济条件,普及与推广喷,微灌技术必须坚持因地制宜的原则。在有条件的地区,应大力发展地下滴灌技术。

发展现代精细地面灌溉技术:土地平整是改进地面灌溉的基础和关键,由于我国地面灌溉量大,面广,急需推广应用激光控制平地技术,水平畦田灌溉技术,田间闸管灌溉系统以及土壤墒情自动监测技术等一切改进地面灌溉措方缸,逐步实现田间灌溉水的有效控制和适时适量的精细灌溉。