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摘要：波涌流灌溉水力自动装置是一种节水、节能、投资省、造价低、性能稳定、无需配套专门的泥沙处理设施、无需外动力的自动系统。装置的动力以渠道内灌溉水本身为动力，即使用渠道内水源，而不需要电、油或太阳能等其它的外动力，省掉了外动力设备，文章介绍该控制装置的设计方法。
关键词：波涌流灌溉；节水灌溉；地面灌溉；自动装置；技术参数
1涌灌自动装置的组成及工作原理
涌灌自动装置的组成如图1所示。通过引水管32向控制池38内供水，此时，闸门21被销钉27的阻挡保持不动，水渠一直向畦田内供水；随着控制池内水位的上升，浮体36受到水的浮力作用随之上升，球形重锤37被浮起，上升到一定高度时，销钉27被杠杆10抬起，闸门21在重力作用下下落，带动滑块28向右移动，其右端的挡销25将销钉15向上推开，并移到它的右侧，此时闸门关闭，停止向畦田内供水；当控制池内水位上升到一定高度时，虹吸管1产生虹吸，虹吸管的出流量大于引水管32的进流量，所以，此时水池内水位及浮体一起下降，球形重锤靠销钉15的阻挡而不能向下移动，使球形重锤与浮体脱离，当浮体下降到一定位置时，由于连杠的拉动作用，杠杆7被向下拉动，销钉15被提起，球形重锤在重力作用下向下移动，闸门被提起，滑块向左移动，它左端的挡销将销钉27向上推开，并移到销钉27的左侧，此时出水渠由出水口向外出水，控制池内的水位下降到一定位置时，真空破坏装置吸入气体，虹吸管真空破坏，停止出水，完成一个灌水与停水周期，重复此过程，直到灌溉完成。
2波涌流灌溉水力自动装置结构设计
2.1设备主体结构设计 （图片）
1 虹吸管2 闸阀3 虹吸破坏装置4 浮球5 固定球6 浮球阀连杆7 连杆8 拉绳9 滑轮10 杠杆11 螺栓12 拉绳13 螺栓14 拉绳15 右销钉16 螺栓17 垫块18 横梁19 滑轮20 拉绳21 闸门22 出水口23 渠道24 支架25 右挡销26 螺栓27 左销钉28 滑块29 左挡销30 支架31 浮球阀32 引水管33 稳压池34 闸阀35 引水管 36 浮体37 球形重锤38 控制池
图1 波涌流灌溉水力自动装置2.1.2出水流量及闸门尺寸确定闸门出水流量大小的计算，可根据灌溉畦田要求的流量而确定。闸门出流量等于灌溉要求的单宽流量乘以畦宽。为适应地形和控制池对水位变化的需要，闸门出水口应尽量采用宽浅形式的（其目的是在较小的提升高度情况下，即可得到较大的出水流量），由闸门的设计宽度，计算闸门的最大开启度。另外，采用宽浅形式的闸门，还可减少闸门上的侧向水压力，从而，减少了闸门与闸墩之间的磨擦力，进而减小了开启闸门所需要的力量，即减小了重锤的重量，易于搬动，降低设备造价。闸门自身可采用钢丝网混凝土结构，将闸门安装在闸门槽内，并用橡胶止水进行止漏，防止水从闸门与闸门槽的缝隙中漏水。
2.1.2 重锤的重量计算重锤重量的确定是以能够拉起闸门板为目的的，但其重量又不宜太大，否则将会增加浮体的容积（浮体的作用是在其产生的浮力作用下，将重锤浮起），同时，还将增加控制水池的容积，既使设备投资增加，同时，在移动过程中，重量过大，搬运不便。闸门板在被拉起以前，有h高度范围内的闸板被淹没在水下。因此，它既受到重力，同时又受到水的侧向压力作用。
（1） 闸板上作用的水压力（图片）
图2水压力强度分布图闸板上作用的侧向水压力大小是由水压力分布强度决定的，水压力强度的分布形式如图2所示。在垂直面上其强度分布为三角形，因此，作用在闸门板上的侧向水压力大小用下列公式计算：
p水=1／2rh2(1)
式中：P水——作用在闸门板上的侧向水压力；
r—— 水的容重；
h——闸门板上作用的水深。
所以，作用于闸门板上的总水压力为：
P总＝Bp水(2)
式中：P总——作用于闸门板上的总水压力；
B——闸门宽度；
p水——闸门板上作用的侧向水压力。
此水压力会影响到闸门开启和关闭时与闸门槽之间的磨擦力，所以，设计时应尽是使其为最小，以减轻控制它的重锤的重量，从而降低设备的材料用量，降低成本。
（2) 闸门与闸墩之间的摩擦力计算：
闸门与闸墩之间的摩擦力大小是由作用在闸门上的侧向作用力决定的，此力即为作用在闸门上的水压力。此摩擦力可按下列公式计算：
F=fP总（3）
式中：F——闸门与闸墩之间的摩擦力；
P总——作用于闸门板上的总压力；
f——闸门与闸墩之间的磨擦系数。
（3) 闸门重量计算
本设计中为了减少结构的复杂性，闸门的关闭采用闸门本身的重力作用控制，即在重力的作用下，将闸门关闭。所以，闸门的重量要有一定的限制，也就是说，闸门的重量要大于闸门与闸墩之间的摩擦力和水对闸门的浮力之和，但在一般情况下，闸门所受水的浮力甚小，可忽略不计，所以，闸门的重量可用下式计算：
G闸=KF（4）
式中：G闸——闸门的重量；
K——加大系数；目的是为了保证闸门能够充分关闭；
F——闸门与闸墩之间的摩擦力。
（4) 重锤重量计算
为了保证能充分顺利地将闸门提起，重锤必须具有足够的重量。同时，考虑滑轮内以及与拉绳之间产生的摩擦力，其重量可适当增加。重锤在提拉闸门时，可产生的阻力有：闸门的重力、闸门与闸墩之间的摩擦力，以及滑轮内部产生的摩擦力。
（a）滑轮内产生的摩擦力
F′= f′(F+G闸)(5)
式中：F′——滑轮内产生的摩擦力；
f′——滑轮与滑轮轴之间的磨擦系数；
F——闸门与闸墩之间的摩擦力；
G闸——闸门的重量；
（b）重锤重量计算
重锤重量应该等于提升闸门所需重力和克服滑轮内产生的摩擦力之和，为了能将闸门顺利地开启，可适当增大重锤的重量，但不宜过大，否则会使闸门开启速度过快，产生撞击等不利因素，影响设备使用的稳定性和寿命。所以，重锤的重量按下列公式计算：
G锤≥G闸+F+f′+(G闸+F)+(1+f′)（G闸+F）(6)
式中：G锤——重锤重量；
G闸——闸门的重量；
F′——滑轮内产生的摩擦力；
F——闸门与闸墩之间的摩擦力；
f′——滑轮内磨擦系数。
2.1.3支撑结构设计支撑结构采用角铁构成，其结构体积少，易于搬运，不易损坏，结实耐用，使用寿命长。为调节波涌流灌溉的性能参数，如灌溉流量（单宽流量）、灌水周期时间、周期灌水时间、周期停水时间、循环率等，需在支撑结构上配置具有调节能力的机构。本装置中，采用简单合理的设计方法，对各参数均可实现无级调节。
对波涌流灌溉流量（单宽流量）的调节控制，是利用支架上两个挡销之间距离的变化来完成的，左右两块挡销之间采用螺丝联接，可通过螺丝的转动，实现两个挡销之间距离的无级调节，从而可对闸门开启高度进行无级调节，控制灌溉流量大小。灌水的周期时间是利用控制池水位的上升及下降周期时间来控制的，控制池中水位的上升及下降周期时间与闸门的开启与关闭周期时间是一致的，即控制池中水位的一个上升和下降周期时间等于闸门的一个开启和关闭周期时间，而闸门的开启和关闭周期时间就是一个放水和停水的周期时间，亦即波涌流灌溉的周期时间。所以，通过调节控制池中水位的上升和下降的周期时间就可以调节波涌流灌溉的周期时间。
控制池的进水从稳压池中引取，其进水量流量大小由稳压池出水管上闸阀控制，可调节其出水流量大小，进而调节控制池进水时间；此外，与之配套的是在控制池内设有虹吸管，虹吸管的作用是将控制池中的水吸走，使水位下降。当控制池内水位上升到一定高度时，虹吸管形成虹吸。装置设计时使虹吸流量大于进水流量，所以，形成虹吸后，控制池内水位开始下降，虹吸管上设有真空破坏装置，当控制池内水位下降到一定高度时，真空破坏装置吸入空气，破坏虹吸管内的真空，使虹吸结束。由于稳压池出水管一直向控制池内供水，此时，控制池水位又开始回升。在虹吸管出水末端也设有闸阀来调节虹吸管出水流量，以调节控制池出流时间，以后此过程重复进行，水位重复升降。所以，利用控制池的进水管和出水管上设置的闸阀，可实现进水量和出水量的无级调节，以达到控制池一个进水和出水的周期时间，即实现灌溉的周期时间的调节。在周期时间确定后，还可以调节周期灌水时间和周期停水时间。其方法是调节杠杆与销钉之间联接拉绳的长度。如前所述，杠杆与销钉之间拉绳上端的一部分采用螺丝联接，可实现其联接长度的无级调节，即长度在一定范围内可任意改变，从而使浮体在不同位置时，销钉开启，控制闸门的相对开启时间和关闭时间，达到控制和调节灌溉的周期灌水时间和周期停水时间大小的目的。所以，此装置虽然结构并不复杂，但却具有很好的功能，完全可以满足波涌流灌溉技术指标的要求，而且各性能参数均可任意调节，调节装置和方法都较为简便，结构性能稳定、结实耐用，具有很多的独特优点。
2.2 控制水池设计
控制水池（如图1所示）是用来调节控制闸门开启和关闭的装置，其内设有浮体、虹吸管、浮球阀等设备，浮球装置在浮体内，为使装置造价降低，可结合当地材料，采用用砖或块石砌成，为防止浮体在控制水池内上下运行时与池内壁之间产生磨擦，应将控制池内壁做适当的处理，一般可用水泥抹面即可，既美观又实用，也可根据需要采用移动式的，可用钢板焊制，并将其与支架设计成组合式装置，使用更加方便，使用率高。
3结论
该波涌流节水灌溉水力自动控制装置系统，结构简单，价格便宜，操作方便，使用年限长，不需要用管道输水，很适合用于渠道输水灌区。同时，还可直接利用浑水进行灌溉，不需要净水处理。本系统的优点还在于可直接利用灌溉水本身作为动力，实现波涌流节水灌溉，从而省去了专门的动力系统，使用更为方便。波涌流节水灌溉技术在我国已有一定面积的推广，具有较好的节水增产效果。再者，我国农田灌溉绝大多数仍以地面灌溉为主，所以，应大力发展波涌流地面节水灌溉技术。
波涌流灌溉水力自动控制装置，可有力地推动波涌流灌溉技术的推广应用，对提高灌水质量，节约灌溉用水，缓解水资源紧缺现状，有着重要的现实意义。
参考文献
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3/19/2007
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