资讯 INFORMATION 2018年第6期 执行编辑郑爽 编者按：今年纪念“世界水日”“中国水周”活动的宣传主题是“实施国家节水行动，建设节水型社会”.
发展高效 节水淮溅是农业节水增产行动的重要组成部分，加强其关键核心技术和装备研发攻关，对全面落实国家节水行动、促进农 业现代化具有重要意义.
本刊特邀中国淮排水发展中心首席专家、教授级高级工程师谢崇宝，介绍由我国首次提出与研 发的地理式自动伸缩高效节水灌技术与设备，从淮滋技术创新、产品创制到应用为您展现中国的现代灌智慧.
地埋式自动伸缩高效节水灌溉 关键产品创制及集成应用模式 文/谢崇宝 一、技术与产品研发背景 均耕地少，而且水资源短缺，灌溉技术 人工成本过高，是中国农产品在国际市场上缺乏竞争力的主要因素之一.
要 耗费劳动力大，是制约现代农业发展 提高当前农业效益，其重要措施就是降低生产成本，特别是要降低人工成本，而 的明显短板，在当前“一带一路”建设 农业机械化是降低劳动成本的重要手段，也是实现农业现代化的重要标志.
在全面 受到沿线国家积极响应、农业灌溉成为 推进农业机械化进程中，灌溉如何协同发展才能有力促进农业现代化，是值得研 深化合作重要领城的新形势下，中国更 究的重大课题.
包括喷灌、微灌和管道输水灌等在内的高效节水灌溉技术是现 加有责任有义务积极研发一些新的现 代灌溉发展的必然趋势，也是实现农业现代化的必然要求.
然面，现行部分高效 代灌薇技术，着力解决高效节水淮涨 节水灌溉设施在不同程度上阻碍了农业机械化的有效推进，在实现了节水的同时 设备使用中存在的问题，实现节水、省 却耗费了大量人力物力，并占用了宝贵的耕地.
中国作为世界灌大国，不仅人 工、便耕、省地等综合目标，为世界灌 激贡献中国智慧.
高效节水灌薇技术与产品，是当 前和今后一个时期众多发展中国家提 升农业现代化水平的重要选择.
在现 有条件下，为适应农业机械化，不得 已采用人工重复拆装灌设施并搬运 回库房存放的方法，即便如此，传统 灌溉设施的地面给水栓、喷杆或其保 护装置（见图1、2）依然妨碍机械化 图1传统的田间给水栓 作业.
为此，通过培训机耕手熟练驾 ?1994-2018 China Academic Jourmal Electronic Publishing House. All rights rescrved. .cnki.nct
技术看台 置其底部输水压强需达到0.7MPa才 能保证在不同类型土壤中实现破土， 远大于现有喷灌的工作压力，在顶 部有出流的情况下，底部输水压强 0.15MPa就可以使装置顺利在不同类 型土壤中破土面出，当伸缩管管径在 图2传统的固定管道式娘灌及草坪喊灌的地上设备 0.01-0.09m范围变化时，破土所需 的最小进水压强随着伸缩管管径的增 驶小型农机其进行耕作，以避开田间灌激设施并保护农机具不被破坏，但机耕手 大面减小，当管径超过0.09m，破土 需长时谨慎操作，一定程度上影响了耕作效率，且灌溉设施还是不可避免地占用 所需的进水压强基本不变.
了耕地.
为解决上述问题，长期以来，灌激实践者进行了诸多探索，最为典型的 地埋式自升起灌溉装置设计理 是将高效节水淮溉给水栓深埋在耕作层以下，灌涨时通过人工定位或金属探测寻 论，可为地埋式自升降灌溉设备的结 找出水口位置并进行人工开挖，再配接后续灌激设施实施灌溉，潍溉完成后拆卸 构优化提供依据，并据此开发相应的 全部耕作层内及其以上灌激设施，再回填土壤，便于下次耕作.
但这些措施并未 灌溉设备实现前述功能，当装置处于 从根本上解决问题.
因此，研发不妨碍耕作、减少耕地占用、节约劳力的高效节 土壤中，开始灌溉时其顶端应相应能 水灌溉技术及设备，就成为有效推进农业机械化的迫切要求，也能够为大力推进 够形成射流，使得土体含水率迅速增 规模化高效节水灌涨奠定坚实的技术基础和物质保障.
加，从面使土体抗剪强度快速下降： 同时，伸缩管在灌供水内部水压作 二、关键技术创新与核心产品创制 用下，对上部土体产生顶推力.
当装 1.地埋式自升起高效节水灌溉装置设计理论 置所需克服的阻力逐渐降低至装置的 地理式自升起灌溉装置能够解决固定灌溉装置妨碍耕作、占用耕地和拆装 顶推力时，土体结构逐步被破坏，在 费工等问题，为圆满达成上述目标，灌激设备必须整体埋设于耕作层以下.
基 “上冲下顶”双重作用下最终实现破 于湿润土壤抗剪强度降低的原理，通过科学分析创新地提出了地埋式自升起灌 土出地.
破土的有效推动力W（即伸 溉装置的结构设计理论：装置顶端应能够向上形成射流，使得土壤含水率迅速 缩管的向上推力），由伸缩管顶部的 增加，从面导致土体抗剪强度快速下降，在“上冲下顶”双重作用下实现装置 有效压强乘以钟缩管的截面积S 计算 破土.
根据地理设备受力分析（见图3），计算了装置破土过程中所需克服的 而来，其中，伸缩管顶部的有效压强 最大阻力和有效推动力，推导形成了多类型土壤条件的最小进水压强公式，研 为（P-P-P），P为系统底部的输 究了管径大小对破土的影响.
结果表明，在顶端无出流的情况下，地埋灌溉装 水压强，P为喷头出水面损失的压强 （即管内局部损失），P为伸缩管内 *RT 重向分大个润向应力大个 水柱的压强.
有效推动力W与进水压 强、局部损失、伸缩管长度和伸缩管 截面积有关，当有效推动力W大于剪 切力T、土重力G和摩擦力等合力时， =0 力 装置即可实现破土而出.
图3地理式自升起灌减装置受力分析 66 ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. .cnki.nct
资讯 技术看台 INFORMATION 2.地埋式自升起给水栓成套产品创制 3.地埋式自升降喷头成套产品 现有的田间取水设备主要有两种型式：其一，依掌混凝土构筑物在地面以上 创制 形成保护装置，其二，在耕作层以下安装取水闸阀，每次使用前开挖土壤连接取 现有的喷灌喷头主要包括旋转式 水设备，使用后卸下取水设备，回填土壤保护取水闸阀.
以上两种型式均不便于 喷头、固定式喷头和孔管式喷头，均 田间机械化作业，且耗费人工，并因寻找设备出水口困难，常造成“灌前田坑密 不能够直接与土壤接触，更不能直接 布、灌后起伏不平”，严重破坏土壤耕作层结构.
基于地埋式自升起潍溉设备的 理设在土壤耕作层以下.
基于理论和 破土机理，创制了地埋式自升起给水栓，这些设备均采用独创设计的多功能钻土 实践有机融合的设计理念，为不影响 器，在其顶部设置一个或数个小孔，通过“射流液化破土”机制确保伸缩管从土 耕作，喷灌喷头必须要能够埋设于耕 中顶出地面，取水结束后再依靠外力将伸缩管压回至耕作层以下.
该产品解决了 作层以下并且能够自行穿过土壤耕作 现有田间取水设备普遍存在的影响耕作和农闲保护难题，促进了田间取水设备的 层，由此分析得出了地埋式自升降喷 重大技术革新和突破.
头功能需求和设计思路.
地埋式自升 本技术主要包括4种新产品：地埋式自升起滴灌专用给水栓、地理式自升起 降喷头要同时具备破土和喷洒功能， 喷灌专用给水栓、地埋式自升起管灌专用给水栓、地埋式自升起喷滴管灌多功能 必须在结构设计上寻求技术突破.
不 给水栓.
以上设备主体均为全塑结构，能够直接埋在土壤耕作层以下，在耕作层 同于传统喷头只有侧向喷嘴，地埋式 范围内无任何额外的保护装置或引导装置，而且在地面上也不需要保护装置，更 喷头考虑出地需求，设置有顶端出水 不需要在田野中依靠人工开挖寻找出水口位置，灌溉时设备在设计水压作用下 口和侧端喷嘴（见图5）.
理论上，顶 能够自动升出地面，如图4所示.
由于无需寻找田间出水口位置，减轻了劳动强 端出水口在出地前工作，侧端喷嘴在 度，且璇免了由于定位不准而开挖对田间辨作层的随意破坏，大大提高了工作效 出地后工作，从面实现一种设备“在 率，降低了潍溉成本.
灌摄结束后，设备能够回缩至耕作层以下，有利于田间耕 地下为钻头、在地上为喷头”的双重 作及设备保护.
注：（a）A01.套管： （b）地理式自升起管（滴）灌专用给水栓配接三通工作过程 编管底座密封图：AO4. A012，钟始管：A03.仲 （a）管（滴）淮取水器 管螺幅：A05，仲缩管 上座密封图：AD6，管 密封座：A07.神缩管接 头；A18，钻土器.
（c）B01.管；B02. 仲给管：B03，管下理 幅：B04.条学上： B05，我骨密时图：B06， 钻土器.
态：b.谁源开始设备项出 （b、d）a.灌溉前设备状 常工作：d淮溉结来设备 地西过程：c.谁流设备丘 曾缩地下过程：c.灌溉结 来后状态.
（c）喷灌取水器 （d）地埋式自升起喷灌专用给水栓配接摇臂式喷头工作过程 图4配接不局灌溉设备的地埋式自升起给水栓及其工作过程 67 ?1994-2018 China Academic Jourmal Electronic Publishing House. All rights reserved. .cnki.nct
技术看台 顶端出水口 4.地理式自动伸缩一体化喷灌 成套产品创制 侧向出 现有的固定式喷灌设备在灌溉前 水口 需要与遍布田间的取水口配接竖管和 喷头，灌后，再将这些设备全部拆 伸缩管 卸，并搬运回库房存放，金属结构还 外壳 需进行防锈处理.
除了影响耕作、耗 费人力物力等，该设备还存在拆卸时 损坏管件及占用库房、增加额外仓储 进水口 费用等间题.
基于地埋式自升起淮涨 设备的破土出地原理，将现有固定式 图5地埋式自升降喷头设计 喷灌设备配套全新研制的地埋式自升 功能且能够自动切换.
为简化制造工艺，通过特殊流道设计，出地前实现射流 降喷头，创制了地埋式自动伸缩一体 液化功能，出地后实现喷灌功能.
同时，基于不同喷酒仰角控制不同喷酒范围 化喷灌设备.
这些设备集出水口、竖 的认识，设计多仰角多流道喷头.
基于数值模拟提出了地埋式自升降喷头流道 管和喷头于一体，无灌溉时整体埋设 设计方法，优化了设备制造工艺，为地埋式自升降喷头设计提供了理论支撑.
于土壤耕作层以下，灌时依靠设计 本技术主要包括4种新产品：地埋式自升降微喷设备、钢珠击打驱动型地理 水压将集成于一体的地埋式喷头从土 式自升降喷头、水力直击自旋型地埋式自升降喷头和地埋式自升降多喷嘴高均 壤中顶出并实施喷酒作业，灌溉结束 匀度喷头，如图6所示.
这些喷头适应不同水质条件，通过采用合理的驱动、传 后依靠水压或球体形成压差或人力将 动、流道等结构设计，既能实现破土顶出功能，又能有效阻隔土壤颗粒等杂物 伸缩部分压回至耕作层以下.
进人喷头内部影响作业.
本技术主要包括3种新产品：双管 地埋式自升降喷头彻底改变了现有喷头不能直接埋入土中的历史，解决了 路地埋式自动伸缩一体化喷灌设备、 困扰喷灌行业多年的影响耕作等难题，有效推动传统喷潍设备的改造、升级和 单管路地埋式自动伸缩一体化喷灌设 换代，真正实现了喷灌技术的节水省工增效等多种综合功能.
备、单管路地埋式自升起一体化喷灌 设备，设备主体为全塑结构，如图7所 示.
地埋式自动伸缩一体化喷灌技术 产品在喷灌作业前后均不再需要安装 或拆卸任何设施，成功解决了固定管 道式喷灌系统影响耕作、频繁拆卸、 耗费人工、仓储损耗、占用耕地等诸 多问题，极大地推动了固定管道式喷 灌技术与设备的革新，全面提升了机 械化耕作管护与收获效率，促进了灌 激技术从单一节水到节水、省工、便 （a）钢珠击打驱动型地 （b）地理式自开降多嘎端高均匀 埋式自升降喷头 度喷头 耕、省地的全面提升，为实现农业现 代化提供了坚实的灌溉基础.
图6地理式自升降喷头产品 68 ?1994-2018 China Acadcmic Jourmal Electronic Publishing Housc. All rights reserved. .cnki.nct
资讯 技术看台 INFORMATION （b）地埋式自动伸熔一体化喷灌设备工作过程 注：（a）C01，套管下：C02.套管：C03，神缩学： （a）“管灌专用给水栓三通”模式 C04，豪管上螺幅：C05，密封图：C06，旁通支管接头： 07，升降式喷头：C08，钻土票：C09，密封图.
（b）a.灌溉前设备就态：b谁溉开验设备顶出地面过程：c.准 （a）地埋 式自动伸缩 溉设备正常工作：d.灌溉结京设备回缩地下过程：e.灌溉结象 一体化喷灌 后状态： 设备 图7地埋式自动伸缩一体化喷灌设备及其工作过程 三、技术集成应用模式 （b）“滴灌专用给水栓三通”模式 本技术产品具有共性的自动顶出功能，能根据不同应用环境实现取水或 喷水等多种功能，同时也可根据实际需求采取多种回缩方式，避免对机械化耕 图8地埋式自升起管（滴）灌专用 给水栓配接三通模式 作造成不利影响.
特别是地埋式自动伸缩一体化喷灌设备，在灌溉作业前后均 不需要安装或拆卸任何设施，只需控制支管首部的阀门即可完成灌溉装置的升 降，实现喷酒作业，大大节约了劳动力，延长了设备使用寿命，提高了工作效 率，极大地促进了高效节水灌溉技术的推广与普及.
为更好推进地埋式高效节 水淮溉技术的规模化应用，根据实践总结形成了地理式自动伸缩高效节水灌溉 产品成套技术应用模式.
1.地埋式自升起管（滴）灌专用给水栓配接三通模式 该模式主要包括水源首部、田间管网、地埋式自升起管（滴）灌专用给水 立杆和摇臂喷头模式 图9地理式自升起喷灌专用给水栓配接 栓、地面灌水系统等组成，如图8所示.
其关键设备地埋式自升起管（演）灌专 用给水栓，包括套管、伸缩管和钻土器等3部分.
套管埋于地面耕作层以下，可 现喷灌功能，地理式自升起喷灌专用给 与输水管道相连，伸缩管置于套管内，可相对于套管管壁散垂直运动，从而伸 水栓配接立杆和摇臂喷头模式适用于 缩管可以伸出地面或缩回地下，钻土器位于伸缩管顶端，可产生具有较强切割 多种农作物喷灌，其竖管长度可根据需 能力且快速湿润土壤的水流，在伸缩管顶出地面的过程中，钻土器可用来清除 求进行变化，尤其适合小麦、玉米等作 伸缩管上端的土壤：套管顶端装有特殊结构的密封图，确保灌激及埋设时设备 物不同生长期的灌溉需求，可广泛用于 的密封性良好.
伸缩管出地后配接三通形成该种灌水模式.
该模式适用性强、 固定管道式喷灌的改造升级和新建.
操作简单，在大田作物管灌和蔬菜滴灌等多种灌溉形式中均得到成功应用.
3.地理式自动伸缩一体化喷灌 2.地埋式自升起喷灌专用给水栓配接立杆和摇臂喷头模式 模式 该模式主要包括水源首部、田间管网、地埋式自升起喷灌专用给水栓、竖 该模式主要包括水源首部、田间 管、摇臂式喷头等组成，如图9所示，其关键设备地埋式自升起喷灌专用给水栓 管网、地理式自动伸缩一体化喷灌设 由套管、伸缩管和钻土器组成，其结构与地埋式自升起管（演）灌专用给水栓相 备等组成，根据其运行方式可分为双 同，只是当伸缩管位于地面以上时，带喷头的立管取代钻土器与伸缩管相连，实 管路地埋式自升降型一体化喷灌模式 69 ?1994-2018 China Acadcmic Jourmal Electronic Publishing Housc. All rights reserved. .cnki.nct
