一种山地果园节水灌溉坡面输水管道减压装置

技术领域

本发明属于农田节水灌溉技术领域，涉及广大丘陵山地果园利用山顶水源(包括扬水上山修建的高位水池)和地形落差进行自压节水灌溉时输水管道中的压力控制技术，特别涉及一种山地果园节水灌溉坡面输水管道减压装置，该装置应用于顺坡面输水管道减压。

背景技术

近二十余年来，随着我国丘陵山区退耕还林还草政策的持续实施，发展山地经济林果等产业逐渐成为广大丘陵山区农村农民脱贫致富的重要途径之一。基于国家在退耕还林方面的惠民政策，以及在当地政府的积极宣传和引导下，广大农民退耕还林、发展经济林果的积极性空前提高，适宜当地发展的山地经济林和果树的栽植面积大幅度增加。然而经济林和果树不同于一般林木，不仅仅是存活的问题，而且还要能够持续稳定的生产出一定的经济效益，所以除过足够的光照和温度外，还必须要有比较充足的水分和养分持续供给，这样才能满足经济林果树的生长需求和连带的经济效益产出。由于自然地形的原因，丘陵山地不利于雨水入渗和蓄积，因而易于水土流失严重，造成阶段性土壤水分亏缺，不能满足经济林和果树的生长需求，特别是我国北方干旱与半干旱地区，不仅降水量少，而且年内分配极为不均，春末夏初严重干旱缺水，秋季雨多成灾，造成经济林和果树在关键生长季由于水分供给不足，影响经济林，特别是果树的生长和后期经济效益的发挥。因此，充分利用当地地表和地下水资源，构建山地灌溉系统，实施节水灌溉成为补充和改善经济林和果树水分供给的重要途径。

对于在丘陵山地建设灌溉系统，通常采用扬水上山，利用高位水池作为水量调蓄，采用自压灌溉的方式。一般主要考虑的问题有以下两方面：一是水源问题，二是建设成本的问题。在自然条件下，山地顶部缺乏足够的水源，特别是干旱半干旱的丘陵山地，山顶没有可直接利益的水资源，通常需要从沟底扬水上山，修建调蓄水池，这样无形中就提高了水源的利用成本。为了降低灌溉水源成本，首选节水灌溉技术，通常采用节水效率较高的滴灌或微喷灌技术。主要通过减少输配水的浪费以及减小灌水定额，提高灌水均匀度和灌水利用效率，实现节约用水的目的。目前所采用的滴灌或微喷灌等节水灌溉技术均属于压力灌溉，为了实现较高的灌水均匀度，就要求所有灌水小区内的灌水器(滴头或喷头)有一个比较恒定的工作压力。由于山地灌溉系统的工况条件要比平原地区复杂，输水主管道通常垂直等高线顺坡布设，对于灌溉区域上下落差较大时，为了减小中下部管道内的输水压力，目前采用的方法首先是根据高差划分灌水小区，然后从上向下逐渐缩小管径，增大沿程水头损失，降低输水压力，或者是安装减压阀等途径实现每个灌水小区入口的压力相近。但是上述途径却无法削减由于地形落差在管道中产生的静水压力，同时使用过程中还存在产生水锤的风险。为了安全，对管道的承压能力要求相对较高，管道的承压能力要求是管路最大静水压力的1.4-1.6倍，同时还需要分段设置镇墩，固定管道，以防拉断管道。对于目前普遍采用的塑料管道(UPVC或HPE)而言，单位长度的价格随承压能力的提高而成倍增长，从而造成山地构建灌溉系统的建设成本远高于平原地区，继而制约了节水灌溉技术在支撑山地经济林果高质量发展中的推广应用。

发明内容：

针对丘陵山地自压节水灌溉工程中由于地形落差较大等原因导致输水管道末端水压过大，需提高管道承压能力而造成灌溉系统建设成本提高、运行安全性降低的问题，本发明的目标在于，提供一种山地果园节水灌溉坡面输水管道减压装置，以降低管道内的水压，即当输水管道内的水压比较高时，在输水管道上加装一个可形成自由水面的减压装置，将管内的水压水头直接降低到零(大气压)，使得减压装置后面输水管道内的压力水头重新从零开始增加，即将水压随地形落差持续增加的过程改变为分段从零增压的过程，从而达到降低管道末端最大水压的目的。

为了实现上述目标，本发明采取的技术方案是：

一种山地果园坡面节水灌溉输水管道减压装置，包括水箱和流量调节装置，其中，水箱的后侧立面中下部安装有进水管，在水箱的底部中间设置有一个出水管，水箱另一侧立面设置有一个与大气相通的进排气管,在水箱的顶部设置有一个水箱盖，在进水管位于水箱外侧的一段上设有检修阀门；

流量调节装置包括活动铰接、止水连杆、固定滑轮、钢绞线和浮球，其中，活动铰接设置在进水管的出水口外侧处，止水连杆通过活动铰接安装在出水口上，止水连杆能够围绕活动铰接转动，止水连杆的上端设有连杆钢绞线固定孔，固定滑轮设置在水箱底部，固定滑轮与活动铰接、连杆钢绞线固定孔以及进水管纵剖面在同一个平面内且固定滑轮距离水箱正立面的距离大于浮球的半径。钢绞线的一端固定在止水连杆上端的钢绞线固定孔处，另一端穿过水箱底部的定滑轮，与浮球底部的钢绞线固定孔相固定；钢绞线的长度满足止水连杆保持竖直方向时，浮球底部钢绞线固定孔的高度与活动铰接高度相同。

进一步的，所述山地果园坡面节水灌溉输水管道减压装置在输水管道上地形落差到达40m以内即安装一套。

进一步的，所述出水管的管径比进水管的管径大。

进一步的，所述进水管位于水箱内侧的部分为L型管，该L型管的下端朝向水箱底部，且出水口端面为斜面。

进一步的，所述进水管的出水口端面的倾角为30～45°。

进一步的，所述止水连杆包括相连为一体的止水挡板和杆体，止水挡板与杆体的相接处通过活动铰接安装在进水管的出水口上，止水挡板的面积大于出水口端面且止水连杆能够绕活动铰转动使得止水挡板的片体覆盖进水管的出水口端面；止水连杆的杆体上端设置有连杆钢绞线固定孔。

进一步的，所述杆体的长度为所述止水挡板长度的10倍-20倍。

进一步的，所述止水连杆的止水挡板面向进水管的出水口的一面上设有止水橡胶片。

进一步的，所述止水橡胶片与止水挡板均为椭圆形。

进一步的，所述浮球采用密封空壳球体，材质为塑料或厚度为1mm～1.5的不锈钢板。

本发明的山地果园自压滴灌系统减压装置与现有技术和装备相比具有以下特点：

1、减压效果明显且稳定：通过在山地原有输水管道上安装本发明的减压装置，并通过在减压装置的水箱中设置流量调节装置，控制输水管进入减压装置内部的流量(即满足灌溉需水流量)，结合设置在水箱允许最高水位上方的与大气相通的进排气口，使得减压装置内部出现水位相对比较稳定的自由水面，从而实现降低输水管内压力的目的，在输水管道中间通过自由水面将管内的压力直接降低到零，相较于传统的减压装置是通过增大过水阻力达到消能减压的目的，本发明的减压装置减压效果明显且稳定。

2、显著降低系统成本：输水管道的成本在管材和管径相同的条件下，是随着管道承压能力的提高而提高的，对于高差相对较大的地块，使用该减压装置后可以将输水管道内的压力安全稳定的控制在满足微喷微灌工程正常工作所需要的中低压水平，从而可以采用中压输水管道，不必使用高压输水管道，所以，能够大幅度降低输水管道的成本。

3、提高系统安全运行保证率：首先，本发明的减压装置是通过控制水箱内自由水面的山下浮动调节输水管道内的流量，达到缓冲压力的目的，所以能够有效地消除高压输水过程中由于突然关闭阀门(电磁阀、球阀等)产生的水锤作用，避免主管道爆管的风险。其次，对于高差较大的地块，可以根据灌溉小区压力需求，在输水主管道上多次采用该减压装置，确保管道承压不超标；另外，在北方当冬季来临时，关闭灌溉系统首部前端的总控阀门，同时打开下游各灌水小区的控制阀门，可以借助减压装置的进气通道，自动排空管道积水，避免主管道内由于积水发生冻裂的风险。

4、有利于提高灌水均匀度：对于地形复杂，地块大小不等的山地果园，灌水单元之间的面积差异较大，实施灌溉时，每个灌水单元对系统的需水流量不等，从而造成管理系统压力波动较大。采用本发明的减压装置后，可以根据下游需水量流量大小动态地调整水箱内的水位(通常＜0.5m)，从而调整供水流量，使得灌溉系统的实际工作压力不会有明显的变化，因此有利于提高系统的灌水均匀度。

附图说明

图1是本发明的山地果园坡面输水管道减压装置结构及工作原理示意图；

图2是本发明的减压装置的俯视图；

图3是止水连杆的结构示意图，其中，(a)为正视图，(b)为俯视图。

图中的标记分别表示：1、水箱，2、进水管，3、活动铰接，4、止水连杆，5、橡胶片，6、固定螺丝，7、连杆钢绞线固定孔，8、定滑轮，9、钢绞线，10、浮球，11、浮球钢绞线固定孔，12、出水管，13、进排气管，14、水箱盖，15、检修阀门。

以下结合附图、工作原理及实施例，对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明的山地果园坡面节水灌溉输水管道减压装置，包括水箱1和流量调节装置。其中，水箱1的后侧立面中下部安装有进水管2，在水箱1的底部中间设置有一个出水管12，水箱1另一侧立面设置有一个与大气相通的进排气管13,且其高度位于水箱1的最大允许水位上方，在水箱1的顶部设置有一个可完全打开的水箱盖14，在进水管2位于水箱1外侧的一段上设有检修阀门15以便于维修。

流量调节装置包括活动铰接3、止水连杆4、固定滑轮8、钢绞线9和浮球，其中，活动铰接3设置在进水管2的出水口外侧处，止水连杆4通过活动铰接3安装在出水口2上，(活动铰接3相当于固定支点，止水连杆4相当于杠杆)，止水连杆4能够围绕活动铰接3转动，止水连杆4的上端设有连杆钢绞线固定孔7，固定滑轮8设置在水箱1底部，固定滑轮8与活动铰接3、连杆钢绞线固定孔7以及进水管2纵剖面在同一个平面内且固定滑轮8距离水箱1正立面的距离大于浮球10的半径。钢绞线9的一端固定在止水连杆4上端的钢绞线固定孔7处，另一端穿过水箱1底部的定滑轮8，与浮球10底部的钢绞线固定孔11相固定。钢绞线9的长度满足止水连杆4保持竖直方向时，浮球10底部钢绞线固定孔11的高度与活动铰接3高度相同。

上述方案应用时安装在山地果园坡面的输水管道上，具体方法是将进水管2的进水端与上游输水管道相连，出水管12的出水端连接下游坡面输水管道相连。安装位置及密度根据灌水小区内灌溉设备对水压力的需求结合中压输水管道的承压能力以及整个灌溉系统的地形落差综合而定。一般滴灌灌水器的工作压力要求为0.1Mpa-0.2Mpa，压力补偿式灌水器的工作压力范围为0.1Mpa-0.4Mpa，一般普通UPVC输水管道(管径大于50mm)的设计工作压力为0.6Mpa。因此建议从高位水池(水源)海拔计算，当地形落差每大于40m时就可以考虑安装一套本发明的减压装置。

本发明利用容器中产生的自由水面处的压力等于大气压以及浸入水中的物体产生浮力的原理，通过设置在水箱允许最高水位上方的与大气相通的进排气口使得减压装置内部出现水位相对比较稳定的自由水面，同时通过在水箱1内设置一个空心的浮球10(在水中可产生远大于球体重量的浮力)，当水箱1内水位上升时，一方面浮力托举浮球10上升带动钢绞线9上移，另一方面浮球10浸入水中的体积越大产生的浮力就越大，根据进水管2出水口的流量计算水流的最大冲击力，结合出水口大小以及拟采用的止水连杆两段的比例关系，通过力矩平衡原理，计算止水连杆的挡板完全封住出水口时所需要的最大拉力，再根据浮力原理，计算产生最大拉力所需要球体淹没的最小体积，然后再乘以1.3的安全系数，计算出合理的球体体积。在此基础上，根据浮球可能的最大上升高度和工作环境要求，确定适宜的水箱体积大小，确保浮球的浮力产生足够大的拉力牵动止水连杆4转动，即通过水箱1内水位的高低调节进水口2的过流面积，达到调节进水流量(满足灌溉需水流量)的目的，从而降低输水管内压力，在输水管道中间通过自由水面可将管内的压力水头直接降低到零，相较于传统的减压装置是通过增大过水阻力达到消能减压的目的，本发明的减压装置减压效果明显且稳定。

本发明的工作原理如下：

打开山顶高位水池输水管总控阀门，给输水管道充水并打开减压装置前端进水管2上的检修阀门15，压力水流通过进水管2流入水箱1，随后部分水流将通过出水管12进入下面的输水管，不能及时流出的水将在水箱1内形成积水，随着时间的延长，积水的水位将会升高。当进水管2的进水量小于出水管12的出水量时，水箱1内部的水位将始终低于浮球钢绞线固定孔11的高度，也就是水位处于水位1的位置以下，这时浮球10不受浮力的作用，钢绞线处于松弛状态，止水连杆4不受钢绞线的拉力作用，始终处于垂直于水箱底部的状态，进水管2将处于全开状态。

当进水管2的进水量大于出水管12的出水量时，水箱1内部的水位将快速升高，并很快高于浮球下面的钢绞线固定孔11的高度，在此同时，浮球10受到水的浮力作用向上运动，并牵动钢绞线9移动，继而牵引止水连杆4的上端绕链接绞3转动，同时带动止水连杆4下端的止水挡板向上转动，随着止水挡板与进水管2出水口的夹角减小，出水流量也会减小，当水箱1内的进水流量与出水流量相同时，水箱1内的水位达到稳定，浮球10停止上升。如果水箱1内的进水流量仍然大于出水流量，则水箱1内的水位继续上升，钢绞线9带动止水连杆4继续转动，当水箱内的水位高于某一水位时，即直到水箱1内的水位上升到水位2处时，浮球10牵动钢绞线9上升，带动止水连杆4转动，最后使得止水挡板上的止水橡胶片5与进水管2出水口紧密结合，进水管2的出水口被堵死，此时水箱1内的停止进水。此后，随着水箱1内的积水从出水管12流出，水箱1内的水位就出现下降，则浮球10随之下落，止水连杆4上端钢绞线固定孔7受到的牵引力减小，进水管2内的压力水流将会冲开止水挡板流出，补充出水流量。当水箱1内的进水流量为零时(停止了进水)，出水流量也就等于零(停止了出水)，水箱1内的水位也就降低到零位，浮球10也就会降低到最低位，这时，牵拉的钢绞线9处于松弛状态，受止水挡板重力的作用，止水连杆4恢复到最初的竖直状态，进水管2将处于全开状态。总而言之，水箱1内进水流量与出水流量的差值大小决定浮球10的上升高度，从而决定止水挡板与进水管2出水口的夹角，根据水箱1下游的需水量调节水箱1上游的进水量，最后达到水箱1内进水流量与出水流量的动态平衡。

上述方案中各部件的具体设计如下：

水箱盖14打开时便于水箱1内安装流量调节装置，盖上时作为水箱1密封之用。优选的，水箱1体积的大小依据设计流量和调控水位的大小确定；

优选的，为了在输水管道中水流量过大时能够快速止水，降低水箱1允许的最大水位且减小水箱1体积，进水管2的出口端设计为30°～45°度斜角。

优选的，利用高位水池借助于地形落差进行自压灌溉的顺坡输水管道，随着地形落差的增大，由于势能转化为动能，所以管内水流的流速也会同步增大。另一方面，对于恒定流(流量大小不变)，流速与过流断面的面积成反比，另外流速与压差大小成正比。利用上述水力学基本原理和理论，根据灌溉设计最大流量，以及管道不同部位的水头压力计算出对应的管内流速，在此基础上再计算出所需的管径。由于进水管2内水流的压力水头较大(源于上游地形落差)，流速较大，而出水管12进口处压力水头较小(水箱内的水位产生)，流速很小，为了确保进出水箱的流量基本一致，出水管12的管径将比进水管2的管径大很多，具体的管径尺寸根据设计流量计算确定，这样的设计使得进出水箱1的水量既能够满足设计灌水流量的需求，又能满足进出水箱1的流量平衡。

优选的，进水管2位于水箱内侧的部分为L型管，该L型管的下端朝向水箱底部，且出水口端面为斜面，倾斜面的设计便于快速止水，同时可以缩小浮球上下浮动范围，从而减小水箱的体积。优选的，出水口端面的倾斜角度(止水连杆4与L型水管朝下一端的夹角)为30°～45°。(角度太小，关闭太快，易产生水锤现象；角度太大，浮球的浮动范围(可用nπR/180计算，n为旋转角度)太大，水箱的高度相应就会较大)

优选的，参见图3，止水连杆4的形状类似于网球拍，具体包括相连为一体的止水挡板和杆体，止水挡板与杆体的相接处通过活动铰接3安装在进水管2的出水口上，止水挡板的面积大于出水口端面且止水连杆4能够绕活动铰接3转动使得止水挡板的片体覆盖进水管2的出水口端面；止水连杆4的杆体上端设置有连杆钢绞线固定孔7。

优选的，为了确保运行可靠，杆体的长度为止水挡板长度的10倍-20倍，可取15倍为宜(如果比例太小，浮球的体积就会较大，水箱的横断面就要求较大；如果比例太大，浮球上下浮动范围就会较大，要求水箱的高度就较大)。

优选的，止水连杆4的止水挡板面向进水管2的出水口的一面上设有一块止水橡胶片5，可采用螺栓固定在止水挡板上，止水挡板和止水橡胶片5的形状和面积一致，外缘均需略大于出水口端面0.5cm，以便能够完全覆盖出水口端面；优选的，止水橡胶片5与止水挡板形状一致，均为椭圆形(由于进水管2的出水口端面为斜面，因此其形状为椭圆形，设计为椭圆形的优点在于：在完全覆盖出水口端面的条件下，椭圆形的面积较小，继而止水连杆4在转动过程中受到的阻力相对较小)。

优选的，止水连杆4的材料采用铝合金，即结实又轻质，便于快速调节流量。

优选的，浮球10采用轻质的密封空壳球体，材质可为塑料或厚度为1.0mm～1.5mm的不锈钢板，其大小由进水管2出口处的水流冲击力大小确定。

实施例：

有一山地果园，面积约160亩，果树主要栽植在坡面修成的梯田上，梯田宽度3m-6m不等，每亩地栽植果树50-70棵，最下面一台梯田距山顶坡面距离500余m，垂直高差约为80m。如今拟通过抽水上山为果园配置滴灌系统，前期已在山顶修建了1个容积为100m

(1)计算最大供水管道直径。首先根据

(2)计算水箱进水管的最小直径。在地形落差H＝40m时和设计供水流量下，若山顶水池距减压装置安装地点距离为200m，100m总水头损失按管长的8％计算，200m输水管道的压力水头损失为6.4m，也就是说实际动水压力水头约为34m，根据流速计算公式

(3)计算止水挡板可能所承受的最大水压力。只有当止水挡板处于完全止水的状态且水箱内的水位低于止水挡板最低点时(即在最大静水压力下)，止水挡板板面受到的水压力最大，在此状态下，止水挡板面受到的最大压力可用下式计算：F＝pA，p-静水压强，A-承压面积。对于本系统，p＝γgH＝3.92×10

(4)计算浮球需提供的拉力。如前说述，止水连杆以活动铰接3为分界点，若止水挡板的长度与杆体的长度之比为1﹕15，则止水连杆上端钢绞线需要提供的拉力为止水挡板所受最大压力1/15，即8.2kg，取9.0kg，从而可以得到浮球需提供的拉力f＝9.0kg。

(5)浮球设计体积和直径计算。因为浮球产生的拉力来源于水对浮球产生的浮力，根据阿基米德原理，在浮球产生最大拉力时，浮球浸没在水中的体积就等于9L(升)(水的比重取1)，为了确保止水效果，在浮球产生最大拉力时浮球不被全部浸没，浮球的设计体积取浸没体积的1.3倍，即V

(6)浮球升降幅度(距离)计算。浮球的升降幅度等于止水连杆上端绕活动绞接3转动的轨迹(弧长)，止水挡板中心到活动铰接3之间的距离约为2cm，所以旋转半径R(即杆体长度:活动绞接处到连杆钢绞线固定孔间的距离)的长度为2×15＝30cm，当进水管2的出水口采用45°斜角时，对应的弧长为：L＝πR/180＝3.14×45×30/180＝23.55(cm)，取25cm。

(7)水箱尺寸设计。水箱的长度应满足止水连杆转动时不与浮球上下浮动时相互碰撞，同时考虑到浮球上下浮动时与水箱侧壁、进水管2的L形出水管与水箱侧壁都要有一定的安全距离，以及安装维修对水箱空间需求，本水箱的长度取0.7m。水箱的宽度需满足浮球上下浮动时与水箱侧壁要有一定的安全距离，以及安装维修对水箱空间需求，水箱的宽度取0.5m。水箱的深度需满足止水挡板处于最大开度时(止水连杆处于直立状态)，止水挡板的最低点距离水箱底部0.1m以上，同时浮球处于最高位时，浮球的最上部不高于进气孔13，据此，水箱的深度取0.8m(＞0.28+0.25+0.15+0.1)。水箱的长宽深尺寸为：0.7m×0.5m×0.8m。

根据目前相关材料的市场价格，这套减压装置的加工成本小于800元。若是采用传统的方案：即通过逐渐减小管径，增加输水过程中的水头损失或在主管道中间或支管首端安装减压阀(这是目前常用的方法),使得灌水单元在工作时灌水器的工作压力不超标，同时在输水管道中下部采用承压水平较高的输水管道(对于本实例，要求管道的承压＞0.8Mpa)，使得静水压力条件下和突发水锤现象时管路系统安全。当流量介于15m