波涌灌溉系統一般由波涌灌控制閥、自動控制器、輸水管道等設備組成，其中控制閥和自控器是整個系統的核心設備。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套波涌灌溉設備，由于價格昂貴、數量有限僅用于試驗研究。考慮到節水灌溉和灌溉自動化是未來發展的必然趨勢，研制適合于國情的波涌灌溉設備是十分必要的。結合國家“九五”科技攻關項目，經過幾年來的努力，已開發出波涌灌控制閥及自動控制器，取得初步成果。
1 波涌灌溉設備的構成
1.1 波涌灌控制閥
考慮到灌區自動化灌溉需要，研制的波涌灌控制閥采用雙向開關結構來切換水流推進方向，根據自控器指令實現對供水過程的間歇控制。特別是在無人值守狀態下，灌溉結束后能迅速自動切斷水流，避免過量灌溉引起的浪費。控制閥目前由鐵質材料做成，主要組成構件包括：閥體、閥門和減速.閥體結構類似于三通，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止水軸承分別與閥體和減速箱連接。受減速箱控制，閘門環繞中心軸作直角旋轉，實現水流開啟和關門狀態。密閉的減速箱被固定在閥體兩側并通過中心軸與閘門相接。箱內裝有：（1）傳動機構，考慮到蝸桿傳動具有工作平穩無噪聲可自鎖等優點，本設計中采用普通圓柱蝸桿傳動及蝸輪減速；（2）驅動器，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；（4）減速器，將高速運轉的電動機（3 000 r/min）轉速通過兩級減速降至10 r/min左右，再驅動閥門；（5）緩沖器，防止電機過載和保證閥門的閉合狀態。
1.2 自動控制器
自控器是波涌灌溉系統的控制中心，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，對波涌閥發出操作指令，實現閘門的交替啟閉。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成。
主控部分。采用89C518位微控制器為核心，附設鍵盤及顯示器組成。鍵盤用來設置系統時間、起始時間、每次灌水時間、間歇時間和波涌次數等。這些輸入參數被自動保存，電源關閉或掉電也不丟失。顯示器由6位LED數碼管組成，顯示參數及工作時間狀態，由于采用了掃描方式降低了功耗。系統時鐘為24 h制，采用后備電池，關機后時鐘仍正常工作。
電機控制部分。由74LS07驅動4組繼電器，推動左右兩閘門的電機轉動。不工作時電機兩端接地。電機正轉時，左端接+6 V，右端接地，反轉時，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狀態，并將接收信號傳回主控部分。
自力式壓力調節閥 ，電動流量調節閥,氮封裝置
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。波涌灌系統運行時，蓄電池為設備提供電源并經LM2940穩壓后供給主板。考慮到非常情況，電源也配置了交流充電系統。
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，實現全關、全開，單閥交替運行等功能。
控制器的應用操作包括參數設置和自控運行兩部分。自控運行是在接受到一些基本輸入參數后，經控制程序運算，由控制中心發出指令自動完成。參數設置的操作過程如下：（1）打開電源，控制器自動將波涌閥復位――左右閥門同時關閉；（2）選擇“控制方式”，確定波涌閥的工作狀態，選項有左閥、右閥、雙閥；（3）選擇“系統時間”，用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象，用“+”、“-”調整系統時間；（4）選擇“啟始時間”，用“小時/分/秒”按鈕選擇時間對象，用“+”、“-”調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”，用“+”、“-”調整波涌次數，每按一次“+”在秒的數碼管上加1，zui大到99，每按一次“-”在秒的數碼管上減1，zui小到0。
以上設置完畢后，控制器進入自動工作狀態。要說明的是，雙閥控制指“左開右關”或“右開左關”的交替工作狀態，當“間歇時間”大于等于“灌水時間”時，在一個循環周期末，兩閥將同時關閉，關閉時間為“間歇時間”減去“灌水時間”，之后進入第二輪循環工作狀態；當“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“系統復位”鍵，波涌閥左右閥門將同時關閉，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化標準，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 設備性能及特點
開發研制的波涌灌設備具有如下工作性能和特點。
雙閥工作狀態下，單臺波涌閥的zui大過流量Q及相應可控制的灌溉面積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；h為農渠分水口處的壓力水頭；λ為沿程水頭損失系數；ξ為局部水頭損失系數；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。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zui大過流量Q及相應可控制的灌溉面積數量。對渠灌區而言，當農渠分水口處的水頭壓差為30～50 cm時，波涌灌設備控制的面積是4～6 hm2，而在井灌區，控制面積則取決于機井泵的富余水頭。
附表 單臺波涌閥zui大過流量及相應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，開關時間T=3 s，蓄電池儲能為4 A.h/6 V。理論上講，工作次數為1 920次，相應的波涌次數對雙閥而言為480次，對單閥是960次。受設備加工、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。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*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將自控器置于室外陽光下充電一周確保安全運行。
結構設計考慮了一閥多用，既可作為單管系統使用，又能用作雙管系統交替換向使用，增加了設備靈活性。由于設備具有自動關斷水流功能，可實現無人值守和遠距離控制。
控制器參數設置簡單明了，只涉及到波涌灌的zui基本參數，利于農民學習掌握，易于田間推廣應用。
設備操作簡便，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，適宜于野外農田的氣候環境條件。
3 田間初步考核
開發研制的波涌灌設備已于1998年分別在井灌區和渠灌區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連接。軟管上的閘孔可直接放水入畦進行灌溉。試驗設計的單寬流量是0.003 m3/s.m，畦長為150～200 m，試驗結果表明整套設備工作運行狀態良好，波涌閥變向啟閉正常自如，水流切換時間準確無誤，閘門止水效果較佳，達到了原設計要求和性能指標，具備較強的田間實用性。
考核結果也表明，這套設備能夠非常便利地在井灌區投入應用，一方面現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。
渠灌區內使用波涌閥會受到兩個因素的制約。其一來自農渠分水口處水頭壓差的限制，當水頭一定時，輸水軟管的沿程水頭損失和波涌灌設備自身產生的局部水頭損失將導致入畦流量減少，無法滿足波涌灌水技術參數的要求。根據試驗結果，渠道出水口處的水頭壓差至少應大于30 cm，波涌閥輸水管道長度也不宜太長。其二是有必要對現有農渠出水口的結構進行適當改造，以便其與波涌閥進水口銜接。
4 結 論
研制適合國情的波涌灌設備是實現大面積推廣應用這一節水灌溉方法的必要條件之一。已開發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果證明這套設備已達到設計要求和性能指標，具備較強的田間實用性。在此基礎上，將進一步提高和完善控制閥及自控器的質量和標準，采用輕型材料替代現有材質，減輕設備自重，易于田間靈活移動。此外，還應開發與波涌灌設備相配套的田間輸水管道和相應的管件閘孔等，從而提供性能良好、價格適度的波涌灌溉成套系統。有理由相信，隨著我國波涌灌設備的成功開發和改進完善以及波涌灌系統生產的系列化，波涌灌水技術一定能夠在我國節水灌溉事業中發揮出應有的重要作用。
