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(shù)，但它目前仍然是全世界，特別是廣大的發(fā)展中國(guó)家采用最廣泛的一種灌水方法，更是我國(guó)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(guó)地面灌溉的面積占總灌溉面積的比重高達(dá) 97%，其中我省比重約為 96.5%（陳雷，1999）。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積多，人口眾多，農(nóng)業(yè)用水相對(duì)總量很大。充分考慮到我國(guó)水資源不足且分布不均勻、經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)落后、管理技術(shù)不足的現(xiàn)實(shí)，我國(guó)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，仍將會(huì)以傳統(tǒng)的地面灌溉為主，而像滴灌、微噴灌等先進(jìn)灌溉技術(shù)還不可能實(shí)現(xiàn)大面積推廣和利用（李金虎，2007）。因此，我國(guó)現(xiàn)在關(guān)于節(jié)水灌溉技術(shù)的工作重心應(yīng)在地面節(jié)水灌溉技術(shù)的研究和大力推廣上，并優(yōu)化改進(jìn)與之配套的節(jié)水灌溉裝置。鑒于我國(guó)廣大灌區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、管理技術(shù)水平等現(xiàn)狀，大面積推廣滴灌、微灌、微噴灌等先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)還在一定程度上受到極大的限制和挑戰(zhàn)（李強(qiáng)，2012；李萌，2006）。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，地面灌溉仍是最主要的大田灌溉技術(shù)，大力的推廣和應(yīng)用地面節(jié)水灌溉技術(shù)勢(shì)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(shù)及其自動(dòng)灌溉設(shè)備的研究更是當(dāng)務(wù)之急（閆志國(guó)，2007；廖云等，2007）。 波涌流灌溉技術(shù)具有節(jié)水、省時(shí)、保肥、增產(chǎn)、水流推進(jìn)速度快、灌水均勻度高等優(yōu)點(diǎn)（費(fèi)良軍，1996），同時(shí)，還可以利用渾濁水或污水進(jìn)行作物灌溉。特別是在我國(guó)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(jìn)行灌溉，不需要凈水及沉淀處理，是一種非常適合我國(guó)實(shí)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(jì)作物。 “田間管道均勻移動(dòng)自動(dòng)地面節(jié)水灌溉”及“波涌流自動(dòng)地面節(jié)水灌溉”技術(shù)，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(chǔ)水效率和水分利用效率，節(jié)水率可達(dá) 10%～40%左右（費(fèi)良軍，1998）。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，嚴(yán)格控制各灌水技術(shù)參數(shù)，確保了灌水質(zhì)量。所以，該技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)大力推廣和應(yīng)用的節(jié)水型灌溉方式，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間，必將有利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(guó)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(shù)，它主要依據(jù)待灌畦田的長(zhǎng)度，把連續(xù)灌水時(shí)間按照實(shí)際情況合理的分為幾個(gè)有效灌水周期，每個(gè)灌水周期包括一個(gè)周期灌水時(shí)間和一個(gè)周期停水時(shí)間，間歇性地向待灌畦田的畦溝中供水，即利用幾個(gè)灌水周期和幾個(gè)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(guò)程，畦田的表面會(huì)保持周期性的干燥和濕潤(rùn)。由于受到間歇灌水的影響，畦田表面的土壤結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的變化，表面會(huì)形成一層致密的保護(hù)層。這層致密的保護(hù)層會(huì)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(jìn)。通過(guò)這種灌水方式，灌溉水的入滲時(shí)間縮短，特別是畦溝首部的入滲時(shí)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(yīng)”的影響下，使畦田前段田面的受水時(shí)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(dá)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(shí)際應(yīng)用中，一般采用大流量、快推進(jìn)、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(guò)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(jìn)到畦田的末端（閆志國(guó)，2007）。當(dāng)波涌流灌溉一次灌水結(jié)束后，畦田的表面會(huì)形成一層完善且致密的保護(hù)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(shù)參數(shù)和最佳灌溉模式的確定 

2.1 波涌灌溉的特點(diǎn) 
大量的關(guān)于波涌流灌溉的田間灌水?dāng)?shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)度、耕作條件、土壤質(zhì)地、灌溉季節(jié)等有關(guān)（王浩，2007）。對(duì)于灌區(qū)長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加,波涌灌溉技術(shù)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(gè)長(zhǎng)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(shí)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(shí)間，且灌水時(shí)間和灌水定額均有降低，節(jié)水率可高達(dá) 37.9％左右（陳軍，2007）。此裝置利用渠道中的水作為動(dòng)力，而不需要電、油、或太陽(yáng)能等其它的外加動(dòng)力，具有良好的節(jié)能效果。 
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2.2 波涌灌溉技術(shù)參數(shù)的確定
波涌流灌溉技術(shù)是一種新型的地面節(jié)水灌溉方法，它采用大流量、快推進(jìn)、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(shù)主要依據(jù)待灌地塊的長(zhǎng)度，把一次連續(xù)灌水時(shí)間劃分為幾個(gè)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(jìn)到畦田（溝）尾。 波涌灌溉的技術(shù)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(shí)間等技術(shù)參數(shù)，還包括周期數(shù)、循環(huán)率、灌水周期時(shí)間、周期灌水時(shí)間、周期停水時(shí)間、凈灌水時(shí)間等，這些技術(shù)參數(shù)是影響波涌流灌溉的關(guān)鍵因素，本課題研究的虹吸式自動(dòng)波涌流灌溉裝置就是基于這些技術(shù)參數(shù)完成的。 以上的六個(gè)參數(shù)是波涌流灌溉灌水過(guò)程的主要技術(shù)參數(shù)，六個(gè)控制參數(shù)中，其中三個(gè)存在關(guān)系式，只要確定了灌水周期數(shù)、凈灌水時(shí)間和循環(huán)率三個(gè)參數(shù)就可求得其它相應(yīng)參數(shù)。一般只需要確定波涌灌溉的凈灌水時(shí)間、周期數(shù)、循環(huán)率三個(gè)參數(shù)，其余的參數(shù)即可通過(guò)相應(yīng)的關(guān)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(zhǎng)和畦寬)、單寬流量、周期數(shù)、凈灌水時(shí)間和循環(huán)率。 
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3  虹吸式自動(dòng)波涌流灌溉裝置簡(jiǎn)介及原理 .......... 22 
3.1  設(shè)計(jì)思路 ...... 22 
3.2  設(shè)計(jì)原則 ...... 22 
3.3  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...... 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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........ 25 
4.1  裝置渠道寬、深的確定 ......... 25 
4.2  水車(chē)的設(shè)計(jì) ........... 25 
4.3  穩(wěn)壓池設(shè)計(jì) ........... 26 
4.4  控制池的設(shè)計(jì)(起到計(jì)時(shí)器的作用) ........ 26 
4.5  虹吸池的設(shè)計(jì) ....... 27 
4.6  虹吸管的設(shè)計(jì) ....... 28 
4.7  虹吸管直徑的確定 ........ 29 
4.8  水車(chē)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(yàn) ...... 33 
5.1  試驗(yàn)測(cè)量工具 ....... 33
5.2  室內(nèi)灌水試驗(yàn) ....... 36 

5  裝置的室內(nèi)灌水試驗(yàn) 

5.1 試驗(yàn)測(cè)量工具

本試驗(yàn)使用的儀器是由陜鼓西儀集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，型號(hào)為 XYLDG-DN80-105的智能電磁流量計(jì)。數(shù)值可以直接從電子屏幕中讀出，最大測(cè)量流量為 120m3/h，測(cè)量值的重復(fù)性誤差控制在±0.1%。儀器如下圖 5-1 所示：本試驗(yàn)渠道中水流流速的測(cè)量采用等腰直角量水堰，如下圖 5-2 所示： 水深測(cè)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(cè)針，型號(hào)為 SX40-1 型，主要是測(cè)量模型內(nèi)設(shè)計(jì)橫斷面和縱斷面交點(diǎn)處的水深。測(cè)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(jié)論 

本課題主要通過(guò)對(duì)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(duì)比試驗(yàn)的研究，然后對(duì)比分析波涌灌溉的灌水優(yōu)點(diǎn)、對(duì)田間水分分布及水分利用特征的影響。進(jìn)而構(gòu)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(guān)關(guān)系。特別是對(duì)波涌灌溉的周期數(shù)、循環(huán)率、灌水周期時(shí)間、周期灌水時(shí)間、周期停水時(shí)間、凈灌水時(shí)間等控制參數(shù)的研究和分析，進(jìn)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(chǔ)，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(dòng)力能自動(dòng)完成灌溉的大田虹吸管式自動(dòng)波涌流地面節(jié)水灌溉裝置。該裝置利用水車(chē)提升水流作為動(dòng)力，通過(guò)穩(wěn)壓池、控制池（起到計(jì)時(shí)器的作用）等部件控制虹吸管定時(shí)形成虹吸或斷開(kāi)虹吸，完成波涌流節(jié)水灌溉的周期供水和周期停水，實(shí)現(xiàn)波涌流灌溉的自動(dòng)化該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周期數(shù)、循環(huán)率、周期灌水時(shí)間、周期停水時(shí)間、灌溉流量等各波涌流灌溉參數(shù)的任意調(diào)節(jié)。對(duì)該虹吸式水力自控裝置進(jìn)行一系列的室內(nèi)灌水試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析和裝置的進(jìn)一步完善，并實(shí)現(xiàn)對(duì)周期數(shù)、周期灌水時(shí)間、周期停水時(shí)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(jié)論主要總結(jié)如下： 1.波涌流地面節(jié)水灌溉技術(shù)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(diǎn)，并具有水流推進(jìn)速度快、減少深層滲漏、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)。同時(shí)，可用渾濁水、咸水或污水直接進(jìn)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(chē)提升水流作為動(dòng)力，不需要任何外加動(dòng)力，即可完成波涌流自動(dòng)節(jié)水灌溉的周期灌水和周期停水。 3.通過(guò)穩(wěn)壓池、控制池等部件控制虹吸管定時(shí)形成虹吸或斷開(kāi)虹吸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)周期灌水時(shí)間、周期停水時(shí)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(xiàn)(略)

本文編號(hào)：196227