噴微灌技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展重點

文／龔時宏，李久生，李光永

噴微灌技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1. 噴微灌區(qū)域分布及模式

噴微灌（微噴灌、滴灌）技術(shù)在節(jié)水灌溉技術(shù)中占據(jù)重要地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大陸目前噴微灌面積分別達(dá)到266.67萬hm2和120萬hm2，分別占有效灌溉面積的4.8%和2.1%，占節(jié)水灌溉工程面積的12.5%和5.6%。

目前我國已形成的微灌技術(shù)應(yīng)用模式為：長江以南以大棚微灌為主（提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，降低田間勞動強(qiáng)度），其次為果樹微灌；山東、東北、華北地區(qū)為溫室蔬菜、果樹微灌并重；西北地區(qū)以棉花、果樹為主，其次為荒漠化治理、荒山和道路綠化。

已形成的噴灌技術(shù)應(yīng)用模式包括：大田糧食作物半固定噴灌系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)作物固定式噴灌系統(tǒng)、草地及規(guī)模化經(jīng)營的大型機(jī)組式噴灌系統(tǒng)、山丘區(qū)輕小型機(jī)組噴灌系統(tǒng)、園林綠地固定式（自動化）噴灌系統(tǒng)。

2.噴微灌設(shè)備

隨著技術(shù)的發(fā)展，我國噴微灌設(shè)備取得了長足的發(fā)展。

（1）對微灌設(shè)備總的評價

微灌產(chǎn)品門類和系列基本配套，基本可滿足各類用戶的需要，質(zhì)量得到了較大幅度的提高（與20世紀(jì)90年代以前比較），一些產(chǎn)品的研制成功，在國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已產(chǎn)生較大反響。

（2）對噴灌設(shè)備總的評價

研制生產(chǎn)了PY系列噴頭，有近20種型號，但由于耐久性、可靠性及制造工藝、成本等方面的原因，目前應(yīng)用越來越少；自主開發(fā)了全射流噴頭，具有10多種型號，但由于射流元件易損耗、射流導(dǎo)向小孔易堵塞，實際生產(chǎn)中未大量應(yīng)用；引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的ZY系列噴頭，是目前農(nóng)田噴灌的主流產(chǎn)品；研制生產(chǎn)了系列中心支軸式噴灌機(jī)和平移式噴灌機(jī)，引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)了系列卷盤式噴灌機(jī)組；研制生產(chǎn)了系列小型汽油、柴油噴灌機(jī)組。

總體而言，從量上講，噴微灌設(shè)備可滿足發(fā)展的需要，但還存在設(shè)備水力性能有待提高、系列化程度不高等問題。

技術(shù)發(fā)展趨勢及存在的問題

1.微灌技術(shù)

(1）家庭小型微灌系統(tǒng)在促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用已受到人們普遍關(guān)注

家庭小型灌溉系統(tǒng)也稱重力滴灌，控制面積1～2畝(0.067～0.133hm2)，工作水頭1～2m，水源可以是水桶、水箱等，能有效利用非常小的水源，適合于我國農(nóng)村土地承包經(jīng)營的特點，在一些地方得到推廣應(yīng)用。但存在系統(tǒng)設(shè)計（灌水均勻度、灌水量等）和適宜的灌水器品種少等問題制約。

（2）地下滴灌技術(shù)已成為研究熱點

地下滴灌有其他灌水方法無可比擬的優(yōu)點，可利用污水灌溉、沒有地表大田滴灌帶回收和鋪設(shè)問題兩大優(yōu)勢已成為采用地下滴灌的兩個主要原動力。地下滴灌已成為近幾年世界各國科學(xué)家研究的熱點，并取得了很大進(jìn)展。新疆已開展了地下滴灌的規(guī)模應(yīng)用，但所用設(shè)備大多為進(jìn)口設(shè)備，單位投資較大，且應(yīng)用技術(shù)研究不充分，目前大規(guī)模萎縮。

根系堵塞及鼠害問題是影響地下滴灌系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要制約因素之一。

（3）微灌已成為一項具有保護(hù)自然環(huán)境功能的灌水技術(shù)

眾所周知，微灌不僅可以提高肥料和農(nóng)藥的使用效率，減少化學(xué)物質(zhì)的施用量，有效防止地下水污染，同時還可以利用污水(地下滴灌)或微咸水灌溉，并且在防止沙漠化、生態(tài)改良等方面也具有重要作用。

（4）滴灌帶來的環(huán)境惡化問題已引起人們重視

出于經(jīng)濟(jì)目的，滴灌帶越來越薄，使用壽命一季或兩季，這是世界大田滴灌的趨勢。目前滴灌帶來的環(huán)境問題已引起用戶關(guān)注，部分農(nóng)民已認(rèn)識到問題的嚴(yán)重性。如何回收和再利用廢舊滴灌帶是值得深入研究的課題。

（5）微灌設(shè)備系列化、可靠性問題越來越受到重視

灌水器是微灌系統(tǒng)的核心部件之一，目前世界先進(jìn)制造公司或廠家具有較完善的系列和可靠性，而我國目前具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的灌水器不多，究其原因，其一，缺乏相應(yīng)的設(shè)計理論指導(dǎo)，滴頭的設(shè)計與研發(fā)已成為阻礙國內(nèi)企業(yè)與國外廠商競爭的主要因素。其二，在配套設(shè)備如過濾器、注肥裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、自動控制設(shè)備等方面存在技術(shù)水平較低、系列化不足等問題。

2.噴灌技術(shù)

（1）低壓低能耗噴灌技術(shù)受到重視

隨著能源日趨緊張，發(fā)展低壓噴灌已成為一種趨勢，如美國部分地區(qū)應(yīng)用表明，將高壓噴頭換為工作壓力為0.245MPa的低壓噴頭，每噴灑1000m3的水可節(jié)省能耗9.6美元。目前許多國家致力于低壓噴灌系統(tǒng)的研制開發(fā)，低能量精確灌溉（LEPA）是當(dāng)前的代表。該技術(shù)利用大型噴灌機(jī)，通過從噴灌裝置臂上向下延伸到作物的管道將水供給作物，除噴灌機(jī)外， LEPA系統(tǒng)還包括小射程大流量低壓噴頭、低壓壓力流量調(diào)節(jié)器等關(guān)鍵設(shè)備。采用LEPA技術(shù)可使水利用效率達(dá)到88%～98%。目前我國也已開始研究及應(yīng)用。

（2）綜合利用清潔能源越來越受到青睞

開辟新能源利用，如風(fēng)能、太陽能等，就噴灌而言，最有利用前途的是風(fēng)能。美國、澳大利亞等國家開始利用風(fēng)能灌溉，美國大平原地區(qū)有1.2億畝（0.08億hm2）的灌溉面積，在20世紀(jì)末有一半采用了風(fēng)力泵；德國在卷盤式噴灌機(jī)上開始使用太陽能。在我國，山東新泰市風(fēng)龍王設(shè)備有限公司研制生產(chǎn)的風(fēng)力提水系統(tǒng)揚程為10～40m，流量2～8m3/h，中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所開發(fā)的風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)揚程最大可達(dá)40m，流量最大可達(dá)10m3/h，太陽能提水灌溉系統(tǒng)揚程15～30m，流量5m3/h，可應(yīng)用于小型灌溉系統(tǒng)。

（3）大型機(jī)組單機(jī)控制面積逐步擴(kuò)大，機(jī)組日趨輕型化

國外為提高噴灌機(jī)的生產(chǎn)效率，減少設(shè)備投資，節(jié)省勞力和運行管理費，努力擴(kuò)大單機(jī)控制面積，如美國內(nèi)布拉斯加州樂克得公司研制了一種中心支軸式噴灌機(jī)，由30個塔架組成，長1182m，控制面積437.07hm2。在擴(kuò)大面積的同時，盡力提高機(jī)組的適應(yīng)能力，噴灌機(jī)組的爬坡能力由6%提高到30%；桁架也由過去的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展為鋁合金結(jié)構(gòu)，機(jī)架重量減輕60%。我國目前機(jī)組塔架長一般為300～400m，多為鋼制。

3.噴微灌自動控制及精準(zhǔn)灌溉技術(shù)

（1）自動化設(shè)備集成化及智能化程度越來越高

從最早的水力控制、機(jī)械控制，到目前應(yīng)用廣泛的計算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度、智能化程度及可靠性越來越高，操作也越來越簡便。如以色列近年開發(fā)的可編程邏輯控制器（PLC），通過把不同網(wǎng)絡(luò)連接到主機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；開發(fā)的現(xiàn)代診斷式控制器，通過不同的傳感器采集信息，通過Internet 網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、GSM等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，然后通過計算機(jī)處理信息，作出灌溉計劃。

（2）新的控制理論得到廣泛應(yīng)用

由于人工智能技術(shù)的發(fā)展，新的控制理論得到廣泛應(yīng)用。例如用專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測和建模，使得控制器能更及時、準(zhǔn)確地預(yù)測環(huán)境參數(shù)，同時控制這些參數(shù)使其更適于作物生長。這些系統(tǒng)一般以土壤濕度傳感器測土壤水分，通過自動氣象站估算出作物的蒸騰量，然后把這兩個信息經(jīng)模糊化后輸入到模糊控制器，經(jīng)模糊決策得出模糊輸出，傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制電磁閥動作，如果該控制不能得到滿意的結(jié)果，還可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化控制。

（3）傳感器設(shè)備系統(tǒng)化，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)系列化、省能化

目前自動灌溉系統(tǒng)使用的各類傳感器（土壤水分、溫度、壓力、水位、雨量、作物生理指標(biāo)等）已系統(tǒng)化，控制閥（水動閥、電磁閥等）已形成系列。同時在自動控制器、自動控制閘門中廣泛使用太陽能等自然能源。

變量精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是目前國際上最先進(jìn)的灌溉技術(shù)，可針對農(nóng)田中不同區(qū)域和作物種類，控制不同量的灌溉水、化肥和農(nóng)藥（除草劑）等，已進(jìn)入生產(chǎn)實際應(yīng)用。一些單位也開展了相關(guān)技術(shù)研究，但總體而言由于缺乏信息采集設(shè)備和變量灌溉控制設(shè)備（變量噴頭、變量供水設(shè)備、壓力調(diào)節(jié)器、肥或藥變量供給設(shè)備、定位設(shè)備、控制設(shè)備）等，技術(shù)尚不成熟。

噴微灌技術(shù)發(fā)展重點

1. 高效微灌技術(shù)體系

高效微灌技術(shù)體系適應(yīng)低壓微灌發(fā)展方向，是以系統(tǒng)設(shè)計及管理技術(shù)為支撐、以高效低壓微灌設(shè)備為手段、以生產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)造的一體化技術(shù)集成體。

在新材料應(yīng)用、水力學(xué)機(jī)理、材料力學(xué)、機(jī)電一體控制等研究的基礎(chǔ)上，借助計算機(jī)模擬仿真技術(shù)、流體可視化技術(shù)、過程控制和模擬技術(shù)、新材料添加復(fù)合技術(shù)、先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)等開發(fā)低壓微灌設(shè)備；利用計算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）等研究低壓微灌的設(shè)計理論和方法。

涉及的技術(shù)研究與產(chǎn)品研發(fā)內(nèi)容包括：

（1）大田高性能低壓微灌系統(tǒng)

研制適合低壓的高水力性能（抗堵性能、均勻性能）、低流態(tài)指數(shù)（具有較強(qiáng)的壓力補(bǔ)償功能）的滴灌灌水器；低壓廉價管材；低壓配套設(shè)備，包括低壓壓力調(diào)節(jié)器、低壓施肥系統(tǒng)、低水頭損失過濾器等；研究低壓滴灌系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論和方法。

（2）大田高性能地下滴灌系統(tǒng)

研制適合大田的高性能（抗堵性能、均勻性能）地下滴灌專用灌水器及配套技術(shù)（包括流道設(shè)計、灌水器異形出水口打孔技術(shù)和設(shè)備）；針對不同作物及區(qū)域特點，選取合理的施藥制度（目前主要采用treflan）防止根系堵塞的發(fā)生；開發(fā)系統(tǒng)配套設(shè)備（過濾、排氣、沖洗、控制設(shè)備等）、毛管埋設(shè)機(jī)具等；研究地下滴灌設(shè)計理論及運行管理技術(shù)等。

（3）中水園林綠地地下微灌系統(tǒng)

研制適用于城鎮(zhèn)中水園林綠地地下灌溉的微灌灌水器、適合中水特點的過濾設(shè)備、灌溉控制設(shè)備等；研究系統(tǒng)設(shè)計理論及管理技術(shù)等。構(gòu)建中水園林綠地地下微灌系統(tǒng)，具有可充分利用城市污水資源、不對環(huán)境造成二次污染等特點。

（4）溫室地下負(fù)壓網(wǎng)精量微灌系統(tǒng)

研制適合溫室的地下負(fù)壓網(wǎng)微灌灌水器、控制器等；研究系統(tǒng)設(shè)計理論及運行管理技術(shù)等。構(gòu)建溫室地下負(fù)壓網(wǎng)精量微灌系統(tǒng)，具有水肥精量、適合作物倒茬等特點。

（5）適合微型水源的可移動集成微灌系統(tǒng)

研制適合西部及山區(qū)微型水源的提水機(jī)具、微灌設(shè)備（大流量微灌灌水器、經(jīng)濟(jì)型小口徑耐壓管材、微型小水頭損失的過濾設(shè)備、移動設(shè)備）等。構(gòu)建適合微型水源的可移動集成微灌系統(tǒng)，具有機(jī)動、靈活，適合分散微型水源應(yīng)用的特點。

2.節(jié)能噴灌技術(shù)體系

涉及的技術(shù)研究與產(chǎn)品研發(fā)內(nèi)容包括：

（1）多功能噴灌系統(tǒng)

研制適合多目標(biāo)利用的噴灌設(shè)備，包括適合施肥（藥）的高均勻性（水量分布）專用噴頭、具有壓力補(bǔ)償特性的噴頭、異形景觀噴頭、肥（藥）注入設(shè)備、控制調(diào)節(jié)設(shè)備等；研究系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論和方法、運行管理技術(shù)等。構(gòu)建設(shè)備利用率高、勞動生產(chǎn)效率高、適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的多功能噴灌系統(tǒng)。

（2）低壓精量大型機(jī)組式噴灌系統(tǒng)

研制適合大型噴灌機(jī)組使用的大流量流量調(diào)節(jié)器、低壓灌水器、土壤水肥等適時監(jiān)測設(shè)備、控制設(shè)備等；研究系統(tǒng)的配套設(shè)計理論及管理技術(shù)。構(gòu)建低壓、精量、適時、適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的精量噴灌系統(tǒng)。

（3）小型多功能機(jī)組式噴灌系統(tǒng)

研制小型多功能噴灌機(jī)組，包括高均勻性（水量分布）小型低壓噴頭、小型肥（藥）注入設(shè)備、控制調(diào)節(jié)設(shè)備、系統(tǒng)集成等。構(gòu)建機(jī)動靈活、適應(yīng)不同灌溉對象的小型多功能機(jī)組式噴灌系統(tǒng)。