波涌灌溉中的虹吸式时间调节控制器设计

孙超+刘渊+高昌珍

摘 要：虹吸式时间调节控制器是通过利用调节浮子室的进水流量与虹吸管排水流量来实现虹吸间歇定时排水，在波涌阀中起到水力自动调节作用的装置。根据自制波涌阀的过水特点以及灌溉需要，通过分析周期供水时间、进水流量以及排水流量三者建立数学模型，确定虹吸式时间调节控制器的各参数，并对该装置进行无级调节分析。经试验证明各项设计参数满足灌溉要求，该虹吸式时间调节控制器也可为其他波涌阀的设计作参考。

关键词：波涌阀；虹吸；水力自动调节

中图分类号：S274.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.10.006

Abstract： Siphon type adjustment controller is through the use of time to adjust float chamber inlet flow and to implement the siphon drainage discharge siphon intermittent drainage regularly. It has the function of hydraulic automatic control device in the wave surge valve. Based on the characteristics of homemade wave surge valve of water and irrigations need， by analyzing the cycle time of water supply， mathematical model is set up.It can determine the siphon time to adjust the parameters of the controller and analyze stepless regulation and the device. After the experiment has proved that the design rod structure satisfies the requirement of irrigation and the siphon time adjusting controller can also be used for other wave surge valve design for reference.

Key words： wave surge valve； siphon； hydraulic automatic adjustment

波涌灌是一种比较新兴的灌溉方式，它采用低水头流量快速推进，间歇性地向沟、畦放水[1]。因其与连续灌水相比具有灌水均匀、省水省时、深层渗漏小等优点被认为是地面灌溉技术的一大突破[2]。然而针对在丘陵山区机修梯田地，旱井集蓄的雨水量少，灌水定额在很大程度上受到限制，尤其是位于黄土高原上大量集雨节灌的机修梯田地，以往的波涌阀因造价高，技术复杂等原因在生产实践上受到限制。

因此，本研究结合当地灌水特点，通过建立数学模型分析设计了一种虹吸式时间调节控制器，这种小型的波涌灌溉设备具有结构简单、性能稳定、价格低廉、操作方便等优点，它的研发可以进一步促进波涌灌水技术的发展和应用。

1 虹吸式时间调节控制器主体设计

虹吸式时间调节器由稳流机构与虹吸机构组成。稳流机构与虹吸机构共同完成波涌阀的时间调控。稳流机构的设计使流入浮子室的水流为恒定流，以使虹吸机构能准确控制浮子的升降。虹吸机构的功用是在稳流机构所提供的恒定流下，通过调控浮子的升降行程时间来实现阀片的定时转换。

2 稳流机构的分析设计

稳流机构主要由水箱、浮球阀、滤管组成，其中浮球阀由小浮球、塑料杆、带凸台的橡胶膜片、入水管、出水管组成，稳流机构的作用是为虹吸机构提供恒定流（图1）。

稳流机构的原理是根据水力学中的欧拉法（Euler），在水箱的下侧开一小孔，如果水箱内的水不断得到补充而使水位保持恒定不变时（不随时间而变化），从孔口射出的水流的所有运动要素都不会随时间而改变，即孔口流出的水流为恒定流[3]。

3 虹吸机构设计

虹吸机构的主要结构由浮子、浮子室、虹吸管、抽气管、抽气辅助管、虹吸破坏管、排水器组成。其工作原理是利用抽气管中快速流动的水将虹吸管道中的空气带走，使虹吸管道内形成一定的真空度，在管道内外大气压差的作用下，浮子室中的水进入虹吸管道后排入排水器中。虹吸管中的水流速度可以通过阀片调节，能在规定时间内自动停止排水，如图1所示。

4 虹吸式时间调节控制器各参数的分析

虹吸机构各参数是以设计排水流量和排水周期两个参数为根据来确定大小的。

排水周期由进水阶段、抽气阶段、虹吸管排水阶段组成。进水阶段是浮子从浮子室底部上升到抽气管开始抽气所需的时间；抽气阶段是从抽气管开始抽气到抽气结束；虹吸管排水阶段是浮子从最高位置下降到最低位置时间。

（1）进水时间。

在供水阶段找出浮子室的进水流量与t1、t2的关系和在停水阶段找出浮子室的进水流量、虹吸管排水流量与t3的关系，建立起周期供水时间或周期停水时间、浮子室进水流量与虹吸管排水流量之间的数学模型，以实现调控浮子室进水流量与虹吸管排水流量，就可在一定范围内实现周期供水时间和周期停水时间的无级调节。本试验中循环率取1/2，因而周期供水时间等于周期停水时间，即：，同理：

（20）

式中：T—周期供水时间或周期停水时间，s；Q虹—t3时间内虹吸管排水的平均流量，m3·s-1；Q进—浮子室的进水流量，m3·s-1。

由（20）式可以建立起周期供水时间或周期停水时间、虹吸管的排水流量与浮子室的进水流量之间的数学模型，如（21）式：

（21）

式中：T—周期供水时间或周期停水时间，s；Q虹—t3时间内虹吸管的平均排水流量，m3·s-1；Q进-浮子室的进水流量，m3·s-1；s-浮子室横截面积，m2；s1-抽气管横截面积，m2；v—浮子室中液面上升的速度，m·s-1；s2-虹吸管横截面积，m2；h3—浮子室内t3时刻下降的水位高度即虹吸管在浮子室中的垂直高度，mm；h4—浮子室底与排水器中水位的距离，mm；h1—抽气管在浮子室内的高度，mm；

6 波涌灌溉灌水参数的无级调节

山西农业大学工程技术学院高昌珍教授等专家对丘陵山区旱井集雨灌溉的特点分析[4]，以及对丘陵山区短沟畦、小定额灌水地块上所进行的波涌灌溉试验结果[5]表明，在丘陵山区小定额地块上进行波涌灌溉的灌水周期一般设在15～45 min之间，以此为依据，在15～45 min之间，建立起周期供水时间或周期停水时间、浮子室进水流量Q进与虹吸管排水流量Q虹之间的数学模型，对Q虹和Q进进行最优组合，达到周期供水时间与周期停水时间准确无误，实现波涌灌溉设备的高灵敏度。

由（22）可知，在确定的周期供水时间内或周期停水时间内，虹吸管排水流量与浮子室的进水流量成一次线性关系，虹吸管排水流量随浮子室的进水流量而变化。在每次波涌设备应用时，周期供水时间或周期停水时间是确定的，浮子室的进水流量每取一定值，虹吸管排水流量有唯一值与之相对应。即通过调节稳流机构排入浮子室的进水流量，同时按照（22）式所建立的数学模型调节虹吸管的排水流量，便可在之间实现周期供水时间或周期停水时间的无级调节。

7 虹吸式时间调节控制器的优点

（1）装置结构简单、性能稳定，大大节约了成本，易于普及。

（2）整套装置无需外部动力可以自行运转，操作简单易行，更加节能环保。

（3）可实现波涌灌溉参数的无级调节，装置灵敏度更高。

8 结 语

本次设计试验的虹吸式时间调节控制器具有结构简单、低成本、经济节能等方面优点。但是此结果是基于数学模型试验分析得到的，其各方面性能还有待在试验中进一步证明和改善。

参考文献：

[1] 高海菊，王道兵.波涌灌的研究进展[J].东北水利水电，2005，11（23）：60-72.

[2] 汪志农.灌溉排水工程学[M].北京：中国农业出版社，2010：80-187.

[3] 李大美.水力学[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[4] 刘明国，黄胜，高昌珍.波涌阀的水力学性能实验研究[J].沈阳农业大学学报，2006，37（2）：235-237.

[5] 高昌珍，左月明，任开兴.小定额波涌沟灌技术要素的多目标模糊优化模型[J].农业工程学报，2006，22（10）：16-20.

[6] 刘玉林.波涌灌入渗机理的研究[J].排灌机械，2002，20（4）：19-22.

[7] 谢崇宝，黄斌，刘群昌.波涌灌控制阀及自控器的研制[J].水利水电技术，1999，30（10）：31-33.

[8] 韩文霆，吴普特，杨青.喷灌水量分布均匀性评价指标比较及研究进展[J].农业工程学报，2005，21（9）：172-177.

[9] 王秀康，李援农，邢英英.滴灌毛管水力计算设计的简化[J].人民黄河，2011，33（2）：95-96.

[10] 吴普特，朱德兰，汪有科.涌泉根灌技术研究与应用[J].排灌机械工程学报，2010，28（4）：354-357，368.