任务六　波涌灌溉技术

目标：（1）了解波涌灌溉的特点、方式和设备。

　　　（2）掌握波涌灌溉的组成、类型和技术要求。

要点：波涌灌溉的组成、类型和技术要求。

波涌灌溉又称涌流灌溉或间歇灌溉。它是把灌溉水断续地按一定周期向灌水沟（畦）供水，逐段湿润土壤，直到水流推进到灌水沟（畦）末端为止的一种节水型地面灌溉新技术。也就是说，波涌灌溉向灌水沟（畦）供水不是连续的，其灌溉水流也不是一次灌水就推进到灌水沟（畦）末端，而是灌溉水在第一次供水输入灌水沟（畦）达一定距离后，暂停供水，过一定时间后再继续供水，如此分几次间歇反复地向灌水沟（畦）供水的地面灌水技术。

一、波涌灌溉的特点

1．节水效果明显

波涌灌溉采用供水与停水交替发生的间歇灌水方式，其最显著的特点就是节水。畦长在100～300m时，间歇灌溉比连续灌溉节水10%～30%，畦长越长，节水率越大。

2．灌水质量提高

波涌灌溉具有灌水均匀、灌水质量高、田面水流推进速度快、省水、节能和保肥等优点。

3．可实现小定额灌溉和自动控制

由于地面输水灌溉较易推广，只要在田间管理系统上增加一个间歇阀和自动控制器，就可以成为一个自动化的间歇灌溉系统装置，实现灌溉的自动化控制。

波涌灌溉特别适宜在我国旱作物灌区农田地面灌溉推广应用。但是波涌灌需要较高的管理水平，如操作者技术不熟练，可能会产生问题。

二、波涌灌溉的方式

目前，波涌灌溉的田间灌水方式主要有以下3种。

1．定时段-变流程方式（又称时间灌水方式）

这种田间灌水方式是在灌水的全过程中，每个灌水周期（一个供水时间和一个停水时间）的放水流量和放水时间一定，而每个灌水周期的水流推进长度则不相同。这种方式对灌水沟（畦）长度小于400m的情况很有效，需要的自动控制装置比较简单，操作方便，而且在灌水过程中也很容易控制。因此，目前在实际灌溉中，波涌灌溉多采用此种方式。

2．定流程-变时段方式（又称距离灌水方式）

这种田间灌水方式是每个灌水周期的水流新推进的长度和放水流量相同，而每个灌水周期的放水时间不相等。这种灌水方式比定时段-变流程方式的灌水效果要好，尤其是对灌水沟（畦）长度大于400m的情况，灌水效果更佳。但是，这种灌水方式不容易控制，劳动强度大，灌水设备也相对比较复杂。

3．定流程-流量方式（又称增量灌水方式）

这种灌水方式是以调整控制灌水流量来达到较高灌水质量的一种方式。这种方式是在第一个灌水周期内增大流量，使水流快速推进到灌水沟（畦）总长度的3/4的位置处停止供水，然后在随后的几个灌水周期中，再按定时段-变流程方式或定流程-变时段方式或定流程-变时段方式，以较小的流量来满足计划灌水定额的要求。该方式主要适用于土壤透水性较强的地块。

三、波涌灌溉的组成

波涌灌溉系统一般由水源、波涌阀、控制器和输配水管道等组成，其中波涌阀和控制器是整个系统的核心设备，又称为波涌灌溉设备，如图2-20所示。

1．水源

能按时按量供给作物需水且符合水质要求的河流、塘库、井泉均可作为波涌灌溉的水源。在井灌区可来自低压输水管道给水栓（出水口），在渠灌区则取自农渠分水闸口。

2．波涌阀

波涌阀按动力供给形式分为水力驱动式和太阳能（蓄电池）驱动式两类，按结构形式则分为单向或双向阀两类。整个阀体呈三通结构的T形，采用铝合金材料铸造。水流从进水口引入后，由位于中间位置的阀门向左、右交替分水，阀门由控制器中的电动马达驱动。

3．控制器

控制器由微处理器、电动机、可充电电池及太阳能板组成，采用铝合金外罩保护。控制器用来实现波涌阀开关的转向，定时控制双向供水时间并自动完成切换，实现波涌灌水自动化控制器的参数输入形式以旋钮式和触键式为主，具有数字输入及显示功能，内置计算程序可自动设置阀门的关断时间间隔。

4．输配水管道

输配水管道采用PE软管或PVC硬管将低压输水管道出水口或农渠分水口与波涌阀进水口相连，在波涌阀出水口处装有软管（硬管）伸向两侧，起到传统的控制闸孔完成出流灌溉。

四、波涌灌溉的类型

根据管道布置方式的不同，将波涌灌溉系统分为“双管”系统和“单管”系统两类。

1．“双管”系统

“双管”波涌灌田间灌水系统如图2-21所示。一般通过埋在地下的暗管把水输送到田间，再通过阀门和竖管与地面上带有阀门的管道相连。这种阀门可以自动地在两组管道间开关水流，故称“双管”。通过控制两组间的水流可以实现间歇供水。当这两组灌水沟结束灌水后，灌水工作人员可将全部水流引到另一放水竖管处，进行下一组波涌灌水沟的灌水。对已具备低压输水管网的地方，采用这种方式较为理想。

2．“单管”系统

“单管”波涌灌田间灌水系统如图2-22所示。通常是由一条单独带阀门的管道与供水处相连接，故称“单管”。管道上的各出水口则通过低水压、低气压或电子阀控制，而这些阀门均按一字形排列，并由一个控制器控制这个系统。

五、波涌灌溉的设备

由国家节水灌溉北京工程技术研究中心（中国水利水电科学研究院水利研究所）开发生产的波涌灌溉设备（专利号：ZL 99257311．4），自身具有配水和控制两大功能，控制器具有“时间耦合”特性，有利于地面灌溉自动化的实现。波涌灌溉设备在2000年已通过水利部组织的专家鉴定，设备外形结构和性能指标均达到国际同类产品的先进水平，填补国内空白，如图2-23所示。

1．涌流阀

涌流阀的结构形式主要有两种：一种是气囊阀，以水力或气体驱动；另一种是机械阀，以水力或电力驱动。机械阀常分为单阀结构、双阀结构两种类型。单阀结构只能向左或向右切换水流，自身无法实现水流截止状态。双阀结构不仅具有交替切换水流的功能，实现定向输配水，而且当灌水结束时，阀体本身还具有自动关断水流的功能，可实现无人值守和遥控。波涌阀的主要构件包括：

（1）驱动器：由两台微型直流电机组成，分别控制左右阀门的启闭状态。

（2）减速器：与驱动器均同位于减速箱内。减速器将电动机转速降至10r/min左右，再驱动阀门。同一波涌阀上的两个阀门板是由一个控制器和两个完全相同的变速箱控制的。减速箱采用三级变速，其中两级直齿圆柱齿轮传动，一级蜗轮蜗杆传动，总传动比为1787．5。在分配传动比时，主要以减小变速箱的体积为条件，经综合分析确定蜗轮齿数Z1＝16，Z2＝60，蜗杆头数Z3＝1，蜗轮齿数Z4＝70，Z5＝12，Z6＝36。高速级的两个大齿轮和滑动轴承均在箱体内部，不受环境影响。变速箱与整机的装配采用对称结构，协调美观，且便于自控器控制信号的传送。

（3）阀门：阀门为带有周边止水垫圈的圆形闸门，中心轴两端经止水轴承分别与阀体和减速箱连接。受减速箱控制，阀门环绕中心轴做直角旋转，实现水流开启和关闭状态。密闭的减速箱被固定在阀体两侧并通过中心轴与闸门相接。

（4）阀体：阀体为主体结构，类似于三通，铝合金材质。由三段直径约为200mm的铝合金管组合连接而成，一端与水源连接，另两端为出水口。

（5）其他：止水垫圈、止水橡胶等。

2．控制器

控制器是波涌阀工作的控制中心，它接受外界参数，通过运算，对涌流阀发出操作指令。控制电路板及软件是控制器的核心部分，负责控制直流电动机，实现闸门的启闭。主要组成包括：

（1）电源部分。由太阳能电池板、4Ah/6V蓄电池和低压差抗电源反接稳压器件组成。平时利用太阳能电池板对蓄电池进行浮充，经稳压器稳压后供给主板。也可用交流电对蓄电池直接充电。太阳能充电板的外形尺寸为48mm×51mm，最大充电电流在标准光强下为50mA，正常工作电压为7V，最大输出功率为0．3W。使用波涌灌溉设备前，应将太阳能电池板在太阳下暴晒一周，或用输出为6V的充电器，对蓄电池进行充电，充电口位于控制器内侧，为4芯插口，“1”芯为正，“4”芯为负。

（2）主控部分。以微控制器为核心，由键盘和显示器组成。通过键盘设置系统时间，起始工作时间，每次放水时间，停水时间。波涌次数和单，双阀工况选择等。显示器为液晶板（LCD），6位数字显示，分别表示各参数及工作状态。微控制器是CMOS器件，功耗很低，显示采用扫描方式以降低功耗。波涌阀控制器面板上有液晶板（LCD）一块，6位数字显示，由时间分隔符“：”将6位数字分隔成3段。参数设置或参数设置错误时，数字之间的小数点将会出现。波涌阀控制器面板上共有5个按键，分别为“设置”“→”“＋”“-”“复位”，它们互相配合可以完成不同的波涌灌溉参数设置。

（3）电机控制部分。由4组继电器推动左右两阀的电机转动。平时电机两端接地，电机不工作。电机正转时，电机左端接＋6V，右端接地；反之，左端接地，右端接＋6V。

控制器的“系统时间”设置，可令处于同一灌溉系统中的各单台波涌灌溉设备具有统一的“时间基准”，使看似无序的波涌灌溉设备在统一的时间参照系下形成有序的工作运行排列。“时间耦合”特性有利于灌区输配水系统实行自动化管理。此外，控制器的输入参数只涉及波涌灌水技术应用的最基本参数，概念简单明了，便于农民学习掌握，实地应用。

六、波涌灌溉的技术要求

波涌灌溉可以分为波涌沟灌和波涌畦灌两类。它们与传统的连续沟灌、畦灌的最主要区别在于完成一次灌水需要几个放水和停水周期，才能湿润灌水畦（沟）的全部长度。如图2-24所示是由3个周期完成灌水的波涌灌过程图。

1．波涌灌溉控制参数

波涌灌溉控制参数包括波涌间歇供水的周期时间、供水周期数以及循环率等。

（1）周期。指一次波涌灌的一个供水和停水过程称一个灌水周期。每个供水周期内的灌水时间可在30～60min范围内选择。

（2）周期数（n）。指完成波涌灌全过程所需放水和停水过程的次数又称周期数。一般田块在200m以上时，以3～4个供水周期为宜；200m以下的田块，则以2～3个周期为宜。

（3）放水时间和停水时间。放水时间包括周期放水时间和总放水时间。周期放水时间是指一个周期向灌水沟畦供水的时间；总放水时间是指完成灌水组灌水的实际时间，为各周期放水时间的总和，其值根据灌水经验估算，一般采用连续灌水时间的65%～90%。畦田较长、入畦流量较大时取大值。

停水时间是两次放水时间之间的间歇时间，一般等于放水时间，也可大于放水时间。

（4）周期时间（T）。在一个周期内，放水时间与停水时间之和称周期放水时间。

（5）循环率（γ）。放水时间与周期时间T之比称循环率。为便于波涌灌溉设备的工作运行和田间实施操作，取循环率为1/2，即一次供水周期内的灌水时间与停水时间相等。

（6）灌水流量（Q）。常以单宽流量表示，q［L/（s·m）］。

2．波涌灌溉技术要素

波涌灌溉技术要素是在特定的灌水控制参数下影响田间灌水效果的技术参数，如田块规格、田面坡度、入沟（畦）流量等。波涌灌溉技术要素直接影响灌水质量，应根据地形、土壤情况合理选定。

（1）田块规格。它对波涌灌水质量的影响主要反映在沟畦长度的差异上。波涌畦灌条件下的节水率随畦块长度的增加而增大，但畦田长度超过350m后，节水率开始出现下降的趋势，因此其最大畦（沟）长度不宜超过400m，可在100～350m范围内选择。此时，不仅具有较高的节水率，而且灌水均匀度、灌水效率和储水效率都较高，总体灌水质量高。

（2）田面坡度。通常，当畦面坡降在0．0005～0．005范围内时，波涌畦灌的灌水效率大致在85%，灌水均匀度在83%～93%之间，储水效率在84%左右，具有良好的灌溉性能。当沟底坡降在0．0001～0．01之间时，波涌沟灌的灌水效率为81%～87%，灌水均匀度在85%左右，储水效率大于85%，波涌沟灌具有较好的灌水质量。

（3）入沟（畦）流量。即放水流量，一般由水源、灌溉季节、田面和土壤状况确定。流量越大，田面流速越大，水流推进距离越长，灌水效率越高，但流量过大会对土壤产生冲刷，因此应综合考虑。

一般入畦单宽流量控制在2～4L/（s·m）范围内的波涌畦灌系统性能良好，而入沟流量在1．5～3L/（s·m）之间，可获得较好的波涌灌水效果。

根据试验研究结果，在土壤条件下，适宜于波涌畦灌应用的田间技术要素组合条件是：畦长100～350m，畦面坡降0．0005～0．005，入畦单宽流量2～4L/（s·m），畦块田面平整精度指标小于3cm；适宜于波涌沟灌应用的田间技术要素组合条件是：沟长100～350m，沟底坡降0．0001～0．01，入沟单宽流量1．5～3L/（s·m），沟面平整精度指标小于4cm。