1  前言 

1.1 研究的目的和意義 
雖然地面灌溉是一種非常古老而又傳統(tǒng)的田間灌溉技術，但它目前仍然是全世界，特別是廣大的發(fā)展中國家采用最廣泛的一種灌水方法，更是我國采用的一種最直接、最普遍的灌水方式。目前，全世界的灌溉面積中約占 90%左右的面積為地面灌溉，而我國地面灌溉的面積占總灌溉面積的比重高達 97%，其中我省比重約為 96.5%（陳雷，1999）。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，耕地面積多，人口眾多，農(nóng)業(yè)用水相對總量很大。充分考慮到我國水資源不足且分布不均勻、經(jīng)濟水平相對落后、管理技術不足的現(xiàn)實，我國在未來一段時間內(nèi)，仍將會以傳統(tǒng)的地面灌溉為主，而像滴灌、微噴灌等先進灌溉技術還不可能實現(xiàn)大面積推廣和利用（李金虎，2007）。因此，我國現(xiàn)在關于節(jié)水灌溉技術的工作重心應在地面節(jié)水灌溉技術的研究和大力推廣上，并優(yōu)化改進與之配套的節(jié)水灌溉裝置。鑒于我國廣大灌區(qū)經(jīng)濟實力、管理技術水平等現(xiàn)狀，大面積推廣滴灌、微灌、微噴灌等先進節(jié)水灌溉技術還在一定程度上受到極大的限制和挑戰(zhàn)（李強，2012；李萌，2006）。在相當長的一段時間內(nèi)，地面灌溉仍是最主要的大田灌溉技術，大力的推廣和應用地面節(jié)水灌溉技術勢在必行，特別是渠道輸配水條件下田間地面節(jié)水灌溉技術及其自動灌溉設備的研究更是當務之急（閆志國，2007；廖云等，2007）。 波涌流灌溉技術具有節(jié)水、省時、保肥、增產(chǎn)、水流推進速度快、灌水均勻度高等優(yōu)點（費良軍，1996），同時，還可以利用渾濁水或污水進行作物灌溉。特別是在我國廣大的利用渠道輸配水的引黃灌區(qū)中，直接利用黃河水進行灌溉，不需要凈水及沉淀處理，是一種非常適合我國實際情況的節(jié)水灌溉方式（陳軍，2007）。除此之外，波涌灌溉可廣泛的適用小麥、玉米、棉花、馬鈴薯、洋蔥等溝灌或畦灌的糧食作物或經(jīng)濟作物。 “田間管道均勻移動自動地面節(jié)水灌溉”及“波涌流自動地面節(jié)水灌溉”技術，具有明顯的節(jié)水效果，提高灌水均勻度、減少甚至杜絕了深層滲漏、提高了田間土壤儲水效率和水分利用效率，節(jié)水率可達 10%～40%左右（費良軍，1998）。同時，可以實現(xiàn)自動化灌溉，降低了勞動強度，嚴格控制各灌水技術參數(shù)，確保了灌水質(zhì)量。所以，該技術是一項應大力推廣和應用的節(jié)水型灌溉方式，具有廣闊的發(fā)展前景和應用空間，必將有利于實現(xiàn)我國的綠色節(jié)水型農(nóng)業(yè)及水資源的高效利用（王春堂，2005）。 
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
波涌灌溉是一種綠色地面節(jié)水灌溉新技術，它主要依據(jù)待灌畦田的長度，把連續(xù)灌水時間按照實際情況合理的分為幾個有效灌水周期，每個灌水周期包括一個周期灌水時間和一個周期停水時間，間歇性地向待灌畦田的畦溝中供水，即利用幾個灌水周期和幾個停水周期，按一定的周期交替性地向畦溝中灌水（王春堂，，2005）。波涌流灌溉包括多次周期灌水和周期停水的過程，畦田的表面會保持周期性的干燥和濕潤。由于受到間歇灌水的影響，畦田表面的土壤結構會發(fā)生明顯的變化，表面會形成一層致密的保護層。這層致密的保護層會阻止灌溉水的下滲，并使畦田表層的摩擦力減小，最終加快灌溉水的流速和減少深層滲漏，有助于水流快速的向畦田末端推進。通過這種灌水方式，灌溉水的入滲時間縮短，特別是畦溝首部的入滲時間縮短和入滲能力減弱，從而降低了灌溉水的入滲總量。因此，在上述“間歇灌水效應”的影響下，使畦田前段田面的受水時間在水流方向上大大減少，灌溉水深層滲漏量減少，農(nóng)田灌溉水的灌水均勻度、水分利用率及灌水效果都有很大的提高，從而達到有效節(jié)水的目的（許迪，2001；王春堂，2005；陳軍，2007）。波涌流灌溉在實際應用中，一般采用大流量、快推進、間斷性向畦田灌水的灌水模式。與傳統(tǒng)的連續(xù)灌溉不同，波涌灌溉的水流不是通過一次性灌到溝畦的末端，而是分多次且分段性的從畦田首端均勻的推進到畦田的末端（閆志國，2007）。當波涌流灌溉一次灌水結束后，畦田的表面會形成一層完善且致密的保護層，降低畦田的入滲率和表面粗糙率，有利于提高灌水均勻度和灌溉效果。 
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2  波涌灌溉的技術參數(shù)和最佳灌溉模式的確定 

2.1 波涌灌溉的特點 
大量的關于波涌流灌溉的田間灌水數(shù)據(jù)和經(jīng)驗表明，波涌流灌溉具有良好的節(jié)水、節(jié)能效果。其節(jié)水效果與畦田長度、耕作條件、土壤質(zhì)地、灌溉季節(jié)等有關（王浩，2007）。對于灌區(qū)長度為 90m～400m 的畦田，波涌灌溉比連續(xù)灌溉節(jié)水 10%～40%左右，且隨著畦田長度的增加,波涌灌溉技術的節(jié)水效果越好。一次波涌灌溉中頭水的節(jié)水率比二水和三水大且節(jié)水效果好（彭立新，2001）。其中，頭水的節(jié)水率為 7%～36%，而二水和三水的節(jié)水率為  5%～24%（管懷明，2001）。在一個長度為 240m 的待灌畦田中，在一定單寬流量前提下，普通連續(xù)灌溉需要 145min 才能灌完。若采用周期為 3、循環(huán)率為1/3、周期灌水時間為 26min 的波涌流灌溉，僅需 75min  就能完成全部灌溉，斷面的最大流速為連續(xù)灌溉的 2.2～2.5 倍，澆地效率平均提高 21％，大大節(jié)省灌溉時間，且灌水時間和灌水定額均有降低，節(jié)水率可高達 37.9％左右（陳軍，2007）。此裝置利用渠道中的水作為動力，而不需要電、油、或太陽能等其它的外加動力，具有良好的節(jié)能效果。 
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2.2 波涌灌溉技術參數(shù)的確定
波涌流灌溉技術是一種新型的地面節(jié)水灌溉方法，它采用大流量、快推進、間斷性的向溝（畦）放水，與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，波涌灌溉技術主要依據(jù)待灌地塊的長度，把一次連續(xù)灌水時間劃分為幾個分段地供水周期，采用間歇性的灌水模式將水引入田里，使水流快速推進到畦田（溝）尾。 波涌灌溉的技術參數(shù)除了包括傳統(tǒng)連續(xù)灌溉的畦田規(guī)格、單寬流量、放水時間等技術參數(shù)，還包括周期數(shù)、循環(huán)率、灌水周期時間、周期灌水時間、周期停水時間、凈灌水時間等，這些技術參數(shù)是影響波涌流灌溉的關鍵因素，本課題研究的虹吸式自動波涌流灌溉裝置就是基于這些技術參數(shù)完成的。 以上的六個參數(shù)是波涌流灌溉灌水過程的主要技術參數(shù)，六個控制參數(shù)中，其中三個存在關系式，只要確定了灌水周期數(shù)、凈灌水時間和循環(huán)率三個參數(shù)就可求得其它相應參數(shù)。一般只需要確定波涌灌溉的凈灌水時間、周期數(shù)、循環(huán)率三個參數(shù)，其余的參數(shù)即可通過相應的關系式求得。綜上所述，需要確定的波涌灌溉控制參數(shù)有：畦田規(guī)格(畦長和畦寬)、單寬流量、周期數(shù)、凈灌水時間和循環(huán)率。 
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3  虹吸式自動波涌流灌溉裝置簡介及原理 .......... 22 
3.1  設計思路 ...... 22 
3.2  設計原則 ...... 22 
3.3  結構設計 ...... 22 
3.4  工作原理 ...... 23 
3.5  波涌灌溉控制參數(shù)的調(diào)整 ..... 24 
4  虹吸式水力自控裝置結構設計 ........ 25 
4.1  裝置渠道寬、深的確定 ......... 25 
4.2  水車的設計 ........... 25 
4.3  穩(wěn)壓池設計 ........... 26 
4.4  控制池的設計(起到計時器的作用) ........ 26 
4.5  虹吸池的設計 ....... 27 
4.6  虹吸管的設計 ....... 28 
4.7  虹吸管直徑的確定 ........ 29 
4.8  水車提水量的確定 ........ 30 
4.9  裝置提供流量 Q出的確定 ...... 31 
4.10 該虹吸式水力自控裝置所需要的地形高差最小值 .......... 31 
5  裝置的室內(nèi)灌水試驗 ...... 33 
5.1  試驗測量工具 ....... 33
5.2  室內(nèi)灌水試驗 ....... 36 

5  裝置的室內(nèi)灌水試驗 

5.1 試驗測量工具

本試驗使用的儀器是由陜鼓西儀集團有限責任公司生產(chǎn)，型號為 XYLDG-DN80-105的智能電磁流量計。數(shù)值可以直接從電子屏幕中讀出，最大測量流量為 120m3/h，測量值的重復性誤差控制在±0.1%。儀器如下圖 5-1 所示：本試驗渠道中水流流速的測量采用等腰直角量水堰，如下圖 5-2 所示： 水深測量的儀器是采用重慶華正水文儀器有限公司生產(chǎn)的智能數(shù)顯水位測針，型號為 SX40-1 型，主要是測量模型內(nèi)設計橫斷面和縱斷面交點處的水深。測針的精度為0.1mm，可直接從電子顯示屏中讀出水深，使用方便快捷，精確度高。

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結論 

本課題主要通過對波涌灌溉和傳統(tǒng)連續(xù)灌溉兩種灌溉方式在不同土壤質(zhì)地、畦（溝）田規(guī)格、波涌流灌水參數(shù)、灌水定額與土壤水分入滲及分布、土壤水分利用、作物產(chǎn)量、節(jié)水率等參數(shù)之間的對比試驗的研究，然后對比分析波涌灌溉的灌水優(yōu)點、對田間水分分布及水分利用特征的影響。進而構建不同土壤質(zhì)地、不同畦（溝）田規(guī)格的田間波涌流灌溉最佳參數(shù)，建立波涌流地面節(jié)水灌溉質(zhì)量、節(jié)水效果與畦（溝）田規(guī)格、土壤質(zhì)地、灌溉參數(shù)之間的相關關系。特別是對波涌灌溉的周期數(shù)、循環(huán)率、灌水周期時間、周期灌水時間、周期停水時間、凈灌水時間等控制參數(shù)的研究和分析，進一步確定在一定畦（溝）田規(guī)格、土質(zhì)等情況下的波涌流灌溉的最佳灌水模式。以最佳灌水模式為基礎，研發(fā)在渠灌區(qū)渠道輸配水條件下，利用渠道內(nèi)灌溉水作為動力能自動完成灌溉的大田虹吸管式自動波涌流地面節(jié)水灌溉裝置。該裝置利用水車提升水流作為動力，通過穩(wěn)壓池、控制池（起到計時器的作用）等部件控制虹吸管定時形成虹吸或斷開虹吸，完成波涌流節(jié)水灌溉的周期供水和周期停水，實現(xiàn)波涌流灌溉的自動化該裝置可以實現(xiàn)對周期數(shù)、循環(huán)率、周期灌水時間、周期停水時間、灌溉流量等各波涌流灌溉參數(shù)的任意調(diào)節(jié)。對該虹吸式水力自控裝置進行一系列的室內(nèi)灌水試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行有效分析和裝置的進一步完善，并實現(xiàn)對周期數(shù)、周期灌水時間、周期停水時間、循環(huán)率、灌溉流量等各波涌流灌溉參數(shù)的調(diào)節(jié)更加精確。結論主要總結如下： 1.波涌流地面節(jié)水灌溉技術具有節(jié)水、節(jié)能、保肥、增產(chǎn)、灌水均勻、灌水質(zhì)量高的優(yōu)點，并具有水流推進速度快、減少深層滲漏、降低勞動強度等特點。同時，可用渾濁水、咸水或污水直接進行灌溉，且不需要任何的凈水處理。 2.該裝置可直接利用水車提升水流作為動力，不需要任何外加動力，即可完成波涌流自動節(jié)水灌溉的周期灌水和周期停水。 3.通過穩(wěn)壓池、控制池等部件控制虹吸管定時形成虹吸或斷開虹吸，可實現(xiàn)對周期灌水時間、周期停水時間、循環(huán)率、周期數(shù)等各波涌流灌溉參數(shù)的任意調(diào)節(jié)。  
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參考文獻(略)

本文編號：196227