波涌灌溉系統(tǒng)一般由波涌灌控制閥、自動控制器、輸水管道等設(shè)備組成，其中控制閥和自控器是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。目前在國外已有波涌灌控制閥投放市場。近年來我國已從國外引進數(shù)套波涌灌溉設(shè)備，由于價格昂貴、數(shù)量有限僅用于試驗研究?？紤]到節(jié)水灌溉和灌溉自動化是未來發(fā)展的必然趨勢，研制適合于國情的波涌灌溉設(shè)備是十分必要的。結(jié)合國家“九五”科技攻關(guān)項目，經(jīng)過幾年來的努力，已開發(fā)出波涌灌控制閥及自動控制器，取得初步成果。
    1　波涌灌溉設(shè)備的構(gòu)成 
    1.1　波涌灌控制閥 
    考慮到灌區(qū)自動化灌溉需要，研制的波涌灌控制閥采用雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)來切換水流推進方向，根據(jù)自控器指令實現(xiàn)對供水過程的間歇控制。特別是在無人值守狀態(tài)下，灌溉結(jié)束后能迅速自動切斷水流，避免過量灌溉引起的浪費?？刂崎y目前由鐵質(zhì)材料做成，主要組成構(gòu)件包括：閥體、閥門和減速.閥體結(jié)構(gòu)類似于三通，由三段直徑為200 mm(8″)的鐵管組合連接而成，一端與水源相連，兩端為出水口。閥門為帶有周邊止水墊圈的圓形閘門，其中中軸上下兩端經(jīng)止水軸承分別與閥體和減速箱連接。受減速箱控制，閘門環(huán)繞中心軸作直角旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水流開啟和關(guān)門狀態(tài)。密閉的減速箱被固定在閥體兩側(cè)并通過中心軸與閘門相接。箱內(nèi)裝有：(1)傳動機構(gòu)，考慮到蝸桿傳動具有工作平穩(wěn)無噪聲可自鎖等優(yōu)點，本設(shè)計中采用普通圓柱蝸桿傳動及蝸輪減速；(2)驅(qū)動器，用來控制閥門啟閉的微型直流電動機；(3)定位器，由光控管和光控板組成，旨在確定閥門的啟閉狀態(tài)；(4)減速器，將高速運轉(zhuǎn)的電動機(3 000 r/min)轉(zhuǎn)速通過兩級減速降至10 r/min左右，再驅(qū)動閥門；(5)緩沖器，防止電機過載和保證閥門的閉合狀態(tài)。    
    1.2　自動控制器 
    自控器是波涌灌溉系統(tǒng)的控制中心，控制電路板及軟件是控制器的核心部分，它接受人工輸入的參數(shù)，對波涌閥發(fā)出操作指令，實現(xiàn)閘門的交替啟閉。閘門位置由光電管定位，控制器接收到光電管信號后，決定是否啟閉電動機。自控器主要由下述部分構(gòu)成。 
    主控部分。采用89C518位微控制器為核心，附設(shè)鍵盤及顯示器組成。鍵盤用來設(shè)置系統(tǒng)時間、起始時間、每次灌水時間、間歇時間和波涌次數(shù)等。這些輸入?yún)?shù)被自動保存，電源關(guān)閉或掉電也不丟失。顯示器由6位LED數(shù)碼管組成，顯示參數(shù)及工作時間狀態(tài)，由于采用了掃描方式降低了功耗。系統(tǒng)時鐘為24 h制，采用后備電池，關(guān)機后時鐘仍正常工作。 
    電機控制部分。由74LS07驅(qū)動4組繼電器，推動左右兩閘門的電機轉(zhuǎn)動。不工作時電機兩端接地。電機正轉(zhuǎn)時，左端接+6 V，右端接地，反轉(zhuǎn)時，則左端接地，右端接+6 V。 
    位置傳感部分。由4組光電耦合器組成，分別指示兩個閘門的開關(guān)狀態(tài)，并將接收信號傳回主控部分。 
    電源部分。由太陽能電池板、4 A.h/6 V蓄電池和低壓差抗電源反接穩(wěn)壓器件LM2940組成。平日太陽能電池板對蓄電池浮充。波涌灌系統(tǒng)運行時，蓄電池為設(shè)備提供電源并經(jīng)LM2940穩(wěn)壓后供給主板?？紤]到非常情況，電源也配置了交流充電系統(tǒng)。 
    功能選擇部分.用“控制方式”按鈕選擇波涌閥運行方式，控制器能分別控制左閥、右閥或雙閥，實現(xiàn)全關(guān)、全開，單閥交替運行等功能。
    控制器的應(yīng)用操作包括參數(shù)設(shè)置和自控運行兩部分。自控運行是在接受到一些基本輸入?yún)?shù)后，經(jīng)控制程序運算，由控制中心發(fā)出指令自動完成。參數(shù)設(shè)置的操作過程如下：(1)打開電源，控制器自動將波涌閥復(fù)位――左右閥門同時關(guān)閉；(2)選擇“控制方式”，確定波涌閥的工作狀態(tài)，選項有左閥、右閥、雙閥；(3)選擇“系統(tǒng)時間”，用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象，用“+”、“-”調(diào)整系統(tǒng)時間；(4)選擇“啟始時間”，用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象，用“+”、“-”調(diào)整波涌灌溉事件的起始時間；(5)選擇“灌水時間”，用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象，用“+”、“-”確定單次波涌灌溉水流推進時間；(6)選擇“間歇時間”，用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象，用“+”、“-”確定單次波涌灌溉停水時間；(7)選擇“波涌次數(shù)”，用“+”、“-”調(diào)整波涌次數(shù)，每按一次“+”在秒的數(shù)碼管上加1，最大到99，每按一次“-”在秒的數(shù)碼管上減1，最小到0。 
    以上設(shè)置完畢后，控制器進入自動工作狀態(tài)。要說明的是，雙閥控制指“左開右關(guān)”或“右開左關(guān)”的交替工作狀態(tài)，當(dāng)“間歇時間”大于等于“灌水時間”時，在一個循環(huán)周期末，兩閥將同時關(guān)閉，關(guān)閉時間為“間歇時間”減去“灌水時間”，之后進入第二輪循環(huán)工作狀態(tài)；當(dāng)“間歇時間”小于“灌水時間”時，雙閥無法同時工作，此情況下，只能單閥運行。無論什么時候，一旦按下“系統(tǒng)復(fù)位”鍵，波涌閥左右閥門將同時關(guān)閉，本次灌水至此終止。    
    1.3　控制閥與自控器的連接 
    為使用方便，避免非法或誤操作，控制器和波涌閥的接口采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，二者間的連接只需使用電纜線對插即可(惟一可插)，操作簡單安全。    
    2　設(shè)備性能及特點 
    開發(fā)研制的波涌灌設(shè)備具有如下工作性能和特點。 
    雙閥工作狀態(tài)下，單臺波涌閥的最大過流量Q及相應(yīng)可控制的灌溉面積S用下式估算 
其中式中A為輸水管道截面積；d為輸水管道直徑；ε為流量系數(shù)；h為農(nóng)渠分水口處的壓力水頭；λ為沿程水頭損失系數(shù)；ξ為局部水頭損失系數(shù)；L為輸水管道長度；T為輪灌周期；m為灌水定額；t為每日灌水時間；η為水的有效利用系數(shù)。附表給出假定作物輪灌周期為7 d，每天灌水時間為12 h，不同輸水管道長度和壓力水頭組合下計算得到的單臺波涌閥最大過流量Q及相應(yīng)可控制的灌溉面積數(shù)量。對渠灌區(qū)而言，當(dāng)農(nóng)渠分水口處的水頭壓差為30～50 cm時，波涌灌設(shè)備控制的面積是4～6 hm2，而在井灌區(qū)，控制面積則取決于機井泵的富余水頭。    
    附表　單臺波涌閥最大過流量及相應(yīng)可控制灌溉面積的估算 
    水頭H/m 輸水管道長度L/m  
L=25 m L=50 m  
ε Q/m3.s-1 S/hm2 ε Q/m3.s-1 S/hm2  
0.3 0.4 0.030 5 4.61 0.324 4 0.024 7 3.74
    0.5 0.4 0.039 4 5.95 0.324 4 0.031 9 4.83
0.8 0.4 0.049 8 7.53 0.324 4 0.040 4 6.11
1.0 0.4 0.055 7 8.41 0.324 4 0.045 1 6.83
1.5 0.4 0.068 2 10.31 0.324 4 0.055 3 8.36
2.0 0.4 0.078 7 11.90 0.324 4 0.063 8 9.65  
    注：d=0.2 m；λ=0.026；∑ξ=2；m=750 m3/hm2；η=0.75。  
    自控器工作電壓6 V，平均工作電流2.5 A，開關(guān)時間T=3 s，蓄電池儲能為4 A.h/6 V。理論上講，工作次數(shù)為1 920次，相應(yīng)的波涌次數(shù)對雙閥而言為480次，對單閥是960次。受設(shè)備加工、安裝精度所限，實際功耗較大會降低電池一次充電后的工作次數(shù)。盡管如此，一次充電量還是能夠滿足灌溉運行中閥門啟閉耗能的需求。 
    太陽能電池板的尺寸為152 mm×152 mm，相應(yīng)理論功率為1 V.A，在正常光照下平均電壓為8 V，平均充電電流為0.1 A。蓄電池完全放電后充滿所需時間約30 h，若按每天有效充電6 h計算(上午10點至下午4點)，則需5 d。故建議每次使用前應(yīng)將自控器置于室外陽光下充電一周確保安全運行。 
    結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了一閥多用，既可作為單管系統(tǒng)使用，又能用作雙管系統(tǒng)交替換向使用，增加了設(shè)備靈活性。由于設(shè)備具有自動關(guān)斷水流功能，可實現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)距離控制。 
    控制器參數(shù)設(shè)置簡單明了，只涉及到波涌灌的最基本參數(shù)，利于農(nóng)民學(xué)習(xí)掌握，易于田間推廣應(yīng)用。 
    設(shè)備操作簡便，用戶只需用電纜線將自控器和波涌閥連接既可投入使用，且控制器與減速箱的接口采用防水防塵保護，適宜于野外農(nóng)田的氣候環(huán)境條件。 
    3　田間初步考核 
    開發(fā)研制的波涌灌設(shè)備已于1998年分別在井灌區(qū)和渠灌區(qū)冬小麥灌溉試驗中進行了初步田間考核。波涌閥進水口采用PE軟管與低壓輸水管道出水口或農(nóng)渠分水口相連，而波涌閥的兩個出水口則由裝有眾多閘孔的田間軟管系統(tǒng)連接。軟管上的閘孔可直接放水入畦進行灌溉。試驗設(shè)計的單寬流量是0.003 m3/s.m，畦長為150～200 m，試驗結(jié)果表明整套設(shè)備工作運行狀態(tài)良好，波涌閥變向啟閉正常自如，水流切換時間準(zhǔn)確無誤，閘門止水效果較佳，達(dá)到了原設(shè)計要求和性能指標(biāo)，具備較強的田間實用性。 
    考核結(jié)果也表明，這套設(shè)備能夠非常便利地在井灌區(qū)投入應(yīng)用，一方面現(xiàn)有的低壓管道出水口可以方便的與波涌閥進水口相接，另一方面井泵的富余壓力水頭又為經(jīng)PE軟管輸水提供了足夠動力，保證了波涌灌水方法對入畦單寬流量的要求。
    渠灌區(qū)內(nèi)使用波涌閥會受到兩個因素的制約。其一來自農(nóng)渠分水口處水頭壓差的限制，當(dāng)水頭一定時，輸水軟管的沿程水頭損失和波涌灌設(shè)備自身產(chǎn)生的局部水頭損失將導(dǎo)致入畦流量減少，無法滿足波涌灌水技術(shù)參數(shù)的要求。根據(jù)試驗結(jié)果，渠道出水口處的水頭壓差至少應(yīng)大于30 cm，波涌閥輸水管道長度也不宜太長。其二是有必要對現(xiàn)有農(nóng)渠出水口的結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)改造，以便其與波涌閥進水口銜接。 
    4　結(jié)　論 
    研制適合國情的波涌灌設(shè)備是實現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用這一節(jié)水灌溉方法的必要條件之一。已開發(fā)出的波涌灌控制閥及自動控制器具有一閥多用、操作簡便的特點。田間試驗初步考核結(jié)果證明這套設(shè)備已達(dá)到設(shè)計要求和性能指標(biāo)，具備較強的田間實用性。在此基礎(chǔ)上，將進一步提高和完善控制閥及自控器的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)，采用輕型材料替代現(xiàn)有材質(zhì)，減輕設(shè)備自重，易于田間靈活移動。此外，還應(yīng)開發(fā)與波涌灌設(shè)備相配套的田間輸水管道和相應(yīng)的管件閘孔等，從而提供性能良好、價格適度的波涌灌溉成套系統(tǒng)。有理由相信，隨著我國波涌灌設(shè)備的成功開發(fā)和改進完善以及波涌灌系統(tǒng)生產(chǎn)的系列化，波涌灌水技術(shù)一定能夠在我國節(jié)水灌溉事業(yè)中發(fā)揮出應(yīng)有的重要作用。 
    感謝蔡林根教授對本項工作給予悉心指導(dǎo)，本項目為“九五”攻關(guān)項目。