一种暗管虹吸增流的快速降渍排涝装置及方法与流程

本发明属于农业工程和防灾减灾领域，特别涉及一种暗管虹吸增流的快速降渍排涝装置及方法。

背景技术：

1、农业生产中，作物常因田间地下水位过高或表面积水遭受涝渍灾害，导致减产或绝收。尤其在长期阴雨天或土壤入渗能力较低（如黏壤土）条件下，土壤多余水分难以及时排出，根系缺氧胁迫加剧，严重影响作物的生长发育。为应对涝渍威胁，工程排水措施被广泛采用，其中暗管排水技术因其占地少、排水效率相对较高，已成为农田涝渍治理的核心手段之一。然而，现有暗管排水系统在应对黏壤土等低渗透性土壤时，仍面临显著的技术瓶颈。如暗管的排水能力受限于其埋深和管径，传统提升排水流量的方式（如加大暗管埋深、加密布设间距或增大管径）不仅大幅增加工程投资和施工难度，且对低渗透性土壤的排水效率提升有限，难以满足快速降渍除涝的要求等。

2、公开号cn111350173a的专利文献，公开了一种提高田间浅埋暗管排水量的方法，通过在浅埋吸水暗管出口处安装一段虹吸管，使虹吸管下端出流口降低到设定深度，与集水明沟连通，利用虹吸作用增大作用水头以提升排水流量。然而，该方法在实际应用中存在以下局限：在田间落差较小的条件下，虹吸管内气体难以自行排除，易形成气堵，严重削弱虹吸效应甚至导致虹吸中断；该方法未针对黏土、壤土等不同质地土壤入渗特性的差异进行结构优化，在黏壤土地区难以实现稳定、高效的增流排涝效果。此外，有研究表明，黏土层位于暗管层时，仅10 cm厚的黏土层即可导致暗管排水量减少20%，进一步凸显了针对黏壤土进行排水装置结构优化的必要性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种暗管虹吸增流的快速降渍排涝装置及方法，旨在克服现有暗管排水技术中虹吸增流装置在低落差条件下启动困难、管内气体难以自行排除、易形成气堵导致虹吸失效的缺陷，同时解决现有技术未针对黏壤土等低渗透性土壤进行结构优化、排水增流效果不稳定的问题。

2、为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

3、一方面是，一种暗管虹吸增流的快速降渍排涝装置，包括前端吸水暗管和末端外排水位维持设施，还包括：

4、快速虹吸增流结构体，连接于所述吸水暗管和外排水位维持设施之间，包括排气启动段和增流保持段，所述排气启动段用于将所述快速虹吸增流结构体管腔内的气体排出以启动虹吸，所述增流保持段用于在虹吸启动后维持水流的持续稳定流动；

5、所述外排水位维持设施的底部构造有局部下沉小井。

6、进一步的，所述快速虹吸增流结构体为串联结构，所述排气启动段包括水平段、变径启动段，所述增流保持段包括下弯缓冲段、竖向动力段和末端能量回收段，各段沿水流方向依次连接；

7、所述水平段，与所述吸水暗管连接，伸入土中的长度至少2m，沿水流方向设置有≤1%的逆坡，以使水流中的气体在重力分力作用下向所述变径启动段方向汇集；

8、所述变径启动段，为偏心缩径转接结构，包括底平顶缩的偏心缩径段和连接段，用于将顶部气体挤压排出并维持底部水流连续以提前启动虹吸；

9、在所述水平段的最高处设置有排气装置，用于排出管腔内积聚的气体。

10、进一步的，所述变径启动段的直径缩减为水平段直径的0.6～0.7倍，且缩径段长度为喉部直径的1.5～2.5倍；

11、所述下弯缓冲段的下弯角为50°～90°，曲率半径为1.5～3倍管径；

12、所述竖向动力段，包括过渡段、锥形第一扩展段和管状第一末段；其中，所述过渡段长为1～1.5倍管径；第一扩展段的锥形渐扩至1～1.5倍水平段管径，长度为3～5倍喉部直径，扩径角为5°～8°；第一末段为竖直管，长度外排水位维持设施的水位差确定。

13、进一步的，所述末端能量回收段，包括第二扩展段和第二末段，扩径至水平段管径的1.5～2.0倍，长度为水平段管径的2～3倍，维持0.1～0.15m淹没深度和0.15～0.2m的离底高度，以有效防止空气回吸和提高虹吸稳定性。

14、进一步的，所述排气装置包括：

15、排气管，设置在水平段的最高处，所述排气管连接管腔内部的一端端口被切割为45度斜面，且该斜面的朝向与管腔内设计水流方向相反，

16、单向截止阀，可与所述排气管匹配地连接；或

17、引气管，一端与所述排气管连接，另一端插入所述外排水位维持设施的水面5cm以下。

18、进一步的，所述快速虹吸增流结构体为三通式结构，包括水平连接段、斜向排气管和竖向管），三者形成非标准"y"字型结构；

19、所述排气启动段包括：水平连接段和斜向排气管；

20、水平连接段与所述吸水暗管连接，所述斜向排气管向上并向右倾斜，其左侧与所述水平连接段上侧弧形连接，右侧向下通过弧形过渡与所述竖向管右侧连接，所述斜向排气管的垂直高度不大于所述吸水暗管的埋深，内径小于所述吸水暗管内径，上出口设置有单向出气阀；

21、所述增流保持段包括竖向管及其配套压力传感器与电磁阀，所述竖向管左侧与所述水平连接段下侧弧形连接，所述竖向管的主体是竖直管、末端呈喇叭口形，所述竖直的部分为可调节长度的插拔模块结构，用于调整竖向管的长度；

22、所述压力传感器安装于所述水平连接段末端最高点处，所述电磁阀安装于所述竖向管末端。

23、进一步的，所述斜向排气管左侧与水平连接段上侧形成弧形过渡连接，其相切点处斜向排气管的切线仰角为25°～45°；

24、所述斜向排气管右侧向下与所述竖向管右侧形成弧型平滑过渡连接，其曲率半径为水平连接段直径的1.5～3倍；

25、所述斜向排气管的直径为水平连接段直径的0.2～0.3倍；

26、所述喇叭口的单侧扩散半角为5°～6°，长度为1.5～2.5倍水平连接段直径，所述竖向管的竖直段直径等于水平连接段的直径。

27、进一步的，所述压力传感器、电磁阀配合太阳能板和低功耗单片机形成控制回路，其控制逻辑为：

28、当时，开启电磁阀；

29、当时，关闭电磁阀；

30、其他情况，电磁阀保持不动；

31、其中，p为压力传感器监测的压力值，为当地大气压，h为斜向排气管的垂向高度。

32、第二方面，一种快速虹吸增流结构体，应用于所述装置，包括依次连接的水平段、变径启动段、下弯缓冲段、竖向动力段和末端能量回收段，其中：

33、所述水平段设置有≤1%的逆坡，以使水流中的气体在重力分力作用下向所述变径启动段方向汇集；所述水平段的最高处设置有排气管，用于排出管腔内积聚的气体，所述排气管的出口端可连接引气管或单向排气阀；

34、所述变径启动段为偏心缩径转接结构，包括底平顶缩的偏心缩径段和连接段，所述变径启动段的直径缩减为所述水平段直径的0.6～0.7倍，且缩径段长度为喉部直径的1.5～2.5倍；

35、所述下弯缓冲段，其下弯角为50°～90°，曲率半径为1.5～3倍管径；

36、所述竖向动力段，包括过渡段、锥形第一扩展段和管状第一末段，所述竖向动力段的中间扩展部分长度为3～5倍喉部直径，扩径角为5～8度，其中的过渡段长度为1～1.5倍管径长，第一扩展段的锥形渐扩至1～1.5倍水平段管径，用于降低流速和能量损失以避免水流脱耦；

37、所述末端能量回收段，长度为水平段管径的2～3倍，包括锥形第二扩展段和第二末段，扩径至水平段管径的1.5～2.0倍，用于防止空气回吸和提高虹吸稳定性。

38、第三方面，一种暗管虹吸增流的快速降渍排涝方法，方法步骤如下：

39、步骤1. 布设系统

40、在目标农田的耕作层以下一定深度埋设吸水暗管；

41、将虹吸增流结构体的水平段或水平连接段与所述吸水暗管的出口连接，将所述虹吸增流结构体的末端置于外排水位维持设施的水面以下，使所述末端出口的高程低于所述吸水暗管的高程，形成虹吸作用所需的水位差；

42、步骤2. 气体主动排除与虹吸启动

43、 利用所述水平段或水平连接段沿水流方向设置的逆坡，使管内水流中的气体在重力分力作用下自动向管腔局部最高处汇集；通过设置于所述管腔局部最高处的排气装置将汇集的气体排出管外，使管内形成连续水柱，从而在低落差条件下快速启动虹吸；

44、对于三通式结构，初始状态下电磁阀处于关闭状态，由吸水暗管汇入的水流在竖向管内蓄积，水流中的气体在重力分力作用下向水平连接段末端最高处汇集，经斜向排气管上端的单向出气阀排出管外；待竖向管内水柱蓄满且管腔顶部气体基本排尽，管内水柱蓄满且压力升高至设定阈值时，电磁阀开启，管内形成连续水柱并启动虹吸。

45、步骤3. 变径虹吸增流

46、虹吸启动后，水流依次流经排气启动段和增流保持段，其中：

47、对于串联式结构，水流在水平段沿逆坡流动，气体在重力分力作用下向最高处汇集并通过排气装置排出；水流从大管径进入缩径段，流速增大、管内压力降低，增大了虹吸作用水头，实现增流；同时，底平顶缩结构使顶部气体进一步被挤压排出，底部水流保持连续，形成满管流状态；在所述竖向动力段内，水流经渐扩段时，流速降低、压力回升，避免水流因流速过高而发生脱耦；水流经末端出口时，水流进一步扩径减速，将动压转化为静压，保持淹没出流，防止空气从出口回吸进入管道；

48、对于三通式结构，虹吸排水过程中产生的微弱气泡经由斜向排气管收集并排出，以维持管腔内的满管流状态；当吸水暗管来水量降低或阶段停止排水时，管内压力恢复至大气压，电磁阀关闭，待下次来水蓄积，气体再次经斜向排气管排出且压力升至设定阈值后，电磁阀再次开启，实现间歇式自动运行；

49、步骤4. 持续降渍

50、利用虹吸作用产生的负压，持续抽吸土壤中的多余水分并通过所述末端连接的外排水位维持设施排出田间，直至农田地下水位降至设计目标深度，并在降雨间歇期维持该低水位，防止渍害复发。

51、本发明的有益效果是：

52、实现低落差条件下的快速虹吸启动，通过在水平段设置逆坡，引导水流中气体向管腔最高处汇集；同时结合偏心缩径变径段，利用流速增大产生的局部低压和顶部空间压缩，将管内残余气体彻底挤压排出。两者协同作用，有效解决传统暗管虹吸因气堵导致启动困难甚至失效的问题。

53、打破土壤入渗性能差对暗管排水速率的限制，显著提升排水流量与运行稳定性。采用缩径增速、多级渐扩稳流、末端能量回收的独特水力流道设计，有效避免了因流速过高导致的水柱脱耦现象，保证虹吸过程不中断。同时，y型三通结构的上置排气管能持续排出运行中产生的气泡，进一步强化了增流的持久性。

54、通过水力结构的设计创新，无需大幅度增加暗管埋深即可获取显著增流效果，降低了土方开挖和施工难度。同时，吸水暗管浅埋既利用了土壤上层大孔隙积聚的较大入渗能力，因地制宜的插拔式可调竖向管设计，能灵活适应不同外排水位维持设施水位变化，降低了施工和维护成本，提升适用范围。

55、经黏壤土暗管排水实地应用测试验证，在常规埋深和间距条件下，本装置较传统的自由暗管排水，其排水流量提升达 8.2%～17.1%，有效保障了农田排涝降渍，显著提高了农业防灾减灾能力。

56、以下结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。