中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水噴微灌裝備研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

劉俊萍，朱興業(yè)，袁壽其，李紅，湯躍

(江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

近年來(lái)全球氣候異常，旱災(zāi)和洪澇頻發(fā)，中國(guó)水資源嚴(yán)重短缺，時(shí)空分布不均.習(xí)近平總書(shū)記提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水方針和農(nóng)業(yè)要節(jié)水化的新思想[1].《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先，完善水資源配置體系，國(guó)家水網(wǎng)骨干工程主要包括重大引調(diào)水、供水灌溉和防洪減災(zāi)[2].農(nóng)業(yè)是用水大戶，占全國(guó)用水總量的62.1%[3].截至2020年底，中國(guó)耕地面積約1.35億hm2，農(nóng)田有效灌溉面積0.68億hm2，節(jié)水灌溉面積0.38億hm2，高效節(jié)水灌溉面積僅0.23億hm2，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.565[3].可見(jiàn)，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大，迫切需要研發(fā)和推廣適用的高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉裝備與技術(shù).因此，發(fā)展節(jié)水灌溉是國(guó)家一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，而研發(fā)節(jié)能節(jié)水灌溉裝備則是重要保障.

《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》提出要推廣噴灌、微灌、滴灌、低壓管道輸水灌溉、集雨補(bǔ)灌、水肥一體化、覆蓋保墑等技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)測(cè)墑灌溉[4].《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加快發(fā)展農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)指導(dǎo)意見(jiàn)》提出中國(guó)不可能在短期內(nèi)通過(guò)流轉(zhuǎn)土地搞大規(guī)模集中經(jīng)營(yíng)，要將先進(jìn)適用的技術(shù)、裝備和組織形式等有效導(dǎo)入小農(nóng)戶生產(chǎn)[5].指出了中國(guó)大國(guó)小農(nóng)的基本國(guó)情農(nóng)情.因此，如何適應(yīng)中國(guó)的國(guó)情農(nóng)情，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉裝備迎來(lái)挑戰(zhàn)與機(jī)遇.

噴微灌是主要農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及抗旱減災(zāi)中發(fā)揮著重要作用.中國(guó)各省(區(qū)、市)“十三五”期間高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)任務(wù)中噴灌面積占全國(guó)高效節(jié)水灌溉面積20.74%，其中，在中國(guó)東北地區(qū)占49.7%，華北地區(qū)占22.5%[6].中國(guó)微灌面積占全國(guó)高效節(jié)水灌溉面積39%左右，西北、西南、華北等地占比較大[7].發(fā)展噴微灌是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要途徑.

1 噴微灌裝備現(xiàn)狀

噴灌設(shè)備中，大型噴灌機(jī)包括平移式和中心支軸式，中小型噴灌機(jī)包括滾移式、卷盤(pán)式和輕小型噴灌機(jī).主要的類型及特點(diǎn)如表1所示.

表1 主要噴灌機(jī)類型及特點(diǎn)Tab.1 Types and characteristics of main sprink-ler irrigation machine

國(guó)外大型噴灌機(jī)應(yīng)用較為廣泛，主要廠家有美國(guó)的Valley、奧地利的Bauer等.中國(guó)大型噴灌機(jī)經(jīng)歷了從無(wú)到有，從有到產(chǎn)業(yè)化的歷程，主要廠家有中國(guó)農(nóng)機(jī)院現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司、滄州華雨灌溉設(shè)備有限公司等[8].大型噴灌機(jī)的機(jī)械化程度高，作業(yè)效率高，適合大規(guī)模集中連片地塊.但當(dāng)控制面積較小，例如中國(guó)東北地塊間設(shè)有防風(fēng)林時(shí)，大型噴灌機(jī)無(wú)法施展或?qū)嵤┏杀靖?同時(shí)，中國(guó)水資源分布復(fù)雜，在一些干旱缺水地區(qū)地下水源不豐富，一臺(tái)噴灌機(jī)需要多臺(tái)機(jī)井供水，多井匯合、多泵并聯(lián)，容易超采地下水[9-10].國(guó)外卷盤(pán)式噴灌機(jī)的應(yīng)用在歐洲較多，生產(chǎn)主要集中在意大利、法國(guó)和奧地利等國(guó)，如意大利的CASELLA公司等[11].國(guó)內(nèi)銷量較大的企業(yè)主要在江蘇，如江蘇華源節(jié)水集團(tuán)股份有限公司等.中小型噴灌機(jī)適合了中國(guó)大國(guó)小農(nóng)的基本國(guó)情，適應(yīng)大中小不同地塊、市場(chǎng)占有率最大[12-14].而面廣量大的卷盤(pán)式噴灌機(jī)及輕小型噴灌機(jī)還存在智能化程度不高、整機(jī)效率低、工況適應(yīng)性較差、系列化程度不足、缺少綠色動(dòng)力、組合模式單一等問(wèn)題[15].

微灌設(shè)備包括灌水器、過(guò)濾設(shè)備、水肥一體化設(shè)備及精量控制系統(tǒng)等，其中灌水器是關(guān)鍵部件，經(jīng)歷了孔口式、渦流式、微管長(zhǎng)流道式、透水毛管、螺紋長(zhǎng)流道式、迷宮流道式、壓力補(bǔ)償灌水器等發(fā)展過(guò)程，形式越來(lái)越多[7].對(duì)灌水器抗堵性能的提升研究也有了明顯的效果.但在中國(guó)西北等地區(qū)受水資源約束的限制，為了發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，直接引用高含沙黃河水進(jìn)行灌溉，黃河水泥沙濃度高達(dá)3.7～26.5 kg/m3，灌水器不同水質(zhì)下的抗堵性能還需進(jìn)一步加強(qiáng)，選型配置尚需優(yōu)化[16].高性能的壓力補(bǔ)償式滴頭還主要依賴進(jìn)口，硅膠類PC滴頭難以回收利用[17].微灌水肥一體化系統(tǒng)的智能決策的精準(zhǔn)算法還需進(jìn)一步研究，系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性有待提高[18-19].

針對(duì)上述問(wèn)題，“十三五”以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水噴微灌裝備方面研發(fā)了一些新技術(shù)與新裝備，文中主要對(duì)“十三五”以來(lái)取得的部分新進(jìn)展進(jìn)行分析.

2 研究進(jìn)展

2.1 大型噴灌機(jī)

大型噴灌機(jī)的智能化程度較高，開(kāi)展大型噴灌機(jī)相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)的主要單位包括中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、江蘇大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)田灌溉研究所等.中國(guó)大型噴灌機(jī)裝備方面的研究主要有變量技術(shù)、自主控制技術(shù)、噴頭配置等方面.

趙偉霞等[9]對(duì)大型噴灌機(jī)的變量灌溉系統(tǒng)建立方法、變量灌溉管理分區(qū)方法、決策支持系統(tǒng)等方面對(duì)變量技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的分析，近年來(lái)對(duì)變量技術(shù)的研究取得了較多顯著的成果.在大型噴灌機(jī)的噴頭配置方面，采用國(guó)外的低壓噴頭較多，例如Nelson公司的D3000，R3000和Senninger公司的LDN，i-Wob等.趙偉霞等[20]對(duì)圓形噴灌機(jī)噴頭安裝高度對(duì)灌水質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，提出了保證噴灌均勻性和灌水深度情況下根據(jù)作物高度調(diào)整噴頭安裝高度的建議.LIU等[21]對(duì)大型平移式噴灌機(jī)通過(guò)不同的噴頭配置實(shí)現(xiàn)區(qū)域變量灌溉進(jìn)行了研究.針對(duì)單井水量不足的問(wèn)題，張?jiān)讫埖萚22]在圓形噴灌機(jī)入機(jī)處設(shè)計(jì)安裝了兩井泵匯流裝置，用來(lái)調(diào)節(jié)大型噴灌機(jī)的流量和穩(wěn)定水壓.在大型噴灌機(jī)的自主控制方面，嚴(yán)海軍等[23]開(kāi)發(fā)了一套基于北斗技術(shù)的圓形噴灌機(jī)尾槍定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)尾槍的高精度定位.孟令剛等[24]對(duì)大型平移式噴灌機(jī)分布式級(jí)聯(lián)協(xié)同導(dǎo)航控制方法進(jìn)行研究，減小噴灌機(jī)以不同速度協(xié)同導(dǎo)航行走時(shí)的航向偏差.大型噴灌機(jī)采用的低壓噴頭大部分依賴進(jìn)口，中國(guó)對(duì)大型噴灌機(jī)低壓噴頭的研究主要以引進(jìn)、消化、吸收、改進(jìn)為主.例如，張以升[25]針對(duì)大型噴灌機(jī)的非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)噴頭低壓下噴灑的水力性能.

總體上，中國(guó)大型噴灌機(jī)的研發(fā)在技術(shù)上取得了顯著進(jìn)步，在自主導(dǎo)航控制技術(shù)、變量技術(shù)等方面與國(guó)外的差距越來(lái)越小，在高性能低壓噴頭方面還需加大研究力度，實(shí)現(xiàn)大型噴灌機(jī)高性能低壓噴頭的國(guó)產(chǎn)化.

2.2 卷盤(pán)式噴灌機(jī)

卷盤(pán)式噴灌機(jī)符合中國(guó)的國(guó)情農(nóng)情，因此，國(guó)內(nèi)卷盤(pán)式噴灌機(jī)在實(shí)現(xiàn)智能化軟件開(kāi)發(fā)、水渦輪優(yōu)化、機(jī)理研究等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)全面的研究.開(kāi)展卷盤(pán)式噴灌機(jī)相關(guān)研發(fā)工作的主要單位包括江蘇大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)等.卷盤(pán)式噴灌機(jī)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是提升機(jī)組效率及降低能耗的主要部件，也是技術(shù)核心.黎耀軍等[26]對(duì)JP75卷盤(pán)式噴灌機(jī)水渦輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化.李丹等[27]對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)牽引裝置油光互補(bǔ)供電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置研究.湯玲迪[28]分別對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)水渦輪結(jié)構(gòu)、模型建立、產(chǎn)品研發(fā)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示了驅(qū)動(dòng)水渦輪內(nèi)流損失機(jī)理，掌握了影響效率的關(guān)鍵因素，優(yōu)化了水渦輪結(jié)構(gòu)等，提高了整機(jī)效率，與江蘇華源節(jié)水集團(tuán)股份有限公司合作聯(lián)合開(kāi)發(fā)了新型水渦輪、永磁電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)3種動(dòng)力的系列產(chǎn)品，如圖1所示，已在中國(guó)黑龍江、河南、河北等多省得到廣泛應(yīng)用，并大量出口至國(guó)外.在卷盤(pán)式噴灌機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)智能化方面，GU等[29]針對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)智能化程度低問(wèn)題，構(gòu)建了以氣象因子感知、根區(qū)水質(zhì)實(shí)時(shí)決策的物聯(lián)網(wǎng)卷盤(pán)式噴灌機(jī)智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，建立了以根系土壤含水率為綜合因子的灌溉決策方法及云平臺(tái)軟件系統(tǒng).

圖1 智能化卷盤(pán)式噴灌機(jī)系列

同時(shí)在“十三五”期間，針對(duì)中國(guó)西北黃土高原農(nóng)區(qū)耕地面積少、田塊小、不連片、多種作物交叉種植、風(fēng)大、水資源匱乏特點(diǎn)，研發(fā)了自動(dòng)折疊桁架卷盤(pán)噴灌機(jī)[30]，如圖2所示，解決了折疊桁架伸縮運(yùn)動(dòng)難預(yù)測(cè)問(wèn)題，提高了折疊桁架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性.

圖2 自動(dòng)折疊桁架卷盤(pán)噴灌機(jī)Fig.2 Automatic folding truss reel sprinkling irriga-tion machine

卷盤(pán)式噴灌機(jī)根據(jù)中國(guó)的區(qū)域特性，基本實(shí)現(xiàn)了智能及精準(zhǔn)化，但高端卷盤(pán)式噴灌機(jī)的核心部件如液壓驅(qū)動(dòng)部件等還處于起步階段，在智能決策模型的精度方面還有待進(jìn)一步的提高.

畬族民歌除上面提到的敘事歌、小說(shuō)歌、傳統(tǒng)山歌和現(xiàn)代山歌以外，還有大量的謎歌、字歌、兒歌等一類用于教育子女增進(jìn)知識(shí)的題材，如《畬族童歌》、《牧羊姑娘》等。這些豐富的童謠歌曲可以適當(dāng)在我校學(xué)前教育專業(yè)推廣，成為我校的特色課程。

2.3 輕小型噴灌機(jī)組

輕小型噴灌機(jī)組是中國(guó)1種比較有代表性的機(jī)組，適應(yīng)中國(guó)農(nóng)村發(fā)展的需要，受到農(nóng)戶歡迎.在輕小型噴灌機(jī)組新能源利用及多功能性的研究新進(jìn)展主要有以下幾個(gè)方面：

針對(duì)中國(guó)的電力不充沛地區(qū)，太陽(yáng)能光伏噴灌系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)前景.談明高等[31]研發(fā)了全光照無(wú)蓄電池光伏水泵灌溉系統(tǒng)，提出了光伏水泵多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度復(fù)雜變化條件下出水量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè).劉俊萍等[32]研究了太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)的光照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)水力性能的影響，對(duì)太陽(yáng)能噴灌系統(tǒng)在中國(guó)不同地區(qū)的噴頭進(jìn)行了優(yōu)化配置.吳普特[33]研發(fā)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的卷盤(pán)式和平移式噴灌機(jī)組，以及對(duì)光伏驅(qū)動(dòng)的輕小型噴灌機(jī)組的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)等.上述的研究是光伏技術(shù)與噴灌技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，符合中國(guó)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，取得了初步成效，但在成熟應(yīng)用上還有較長(zhǎng)的一段路要走，其核心問(wèn)題為光伏轉(zhuǎn)換效率較低、組件價(jià)格相對(duì)較高、光伏噴灌系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠，設(shè)備的多工況設(shè)計(jì)理論及科學(xué)的系統(tǒng)配置尚需完善.

在輕小型噴灌機(jī)組的多功能性方面，江蘇大學(xué)做了較多的開(kāi)發(fā)，例如：為解決圓形域組合噴灌存在的超噴、漏噴和能耗高的問(wèn)題，采用變頻調(diào)速技術(shù)，創(chuàng)建了方形域組合節(jié)能噴灌模式，建立了一種方形域變頻機(jī)組，針對(duì)方形域變頻機(jī)組噴頭噴灑起落點(diǎn)不一致的問(wèn)題，構(gòu)建了精確開(kāi)環(huán)控制方法及控制器，發(fā)明了噴頭精確定位裝置.該機(jī)組在園林及庭院等場(chǎng)合具有一定的應(yīng)用前景.同時(shí)，為了滿足輪作、倒茬等同一地塊多種作物的灌溉需求，針對(duì)噴灌、滴灌不同運(yùn)行工況，采用多工況水力設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了噴滴灌兩用泵，實(shí)現(xiàn)了在噴灌、滴灌2種工況下高效運(yùn)行，研發(fā)了噴滴灌兩用機(jī)組，如圖3所示，提出了噴滴灌兩用機(jī)組優(yōu)化方法，單位能耗降低9.4%.

圖3 噴滴灌兩用機(jī)組Fig.3 Dual purpose sprinkler and drip irrigation

朱興業(yè)等[34]研發(fā)了1種新型輕小型平移式噴灌機(jī)組，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)、灑水車、控制系統(tǒng)等部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該機(jī)組輕便靈活、連接拆卸迅速、跨數(shù)可調(diào)整，如圖4所示.在上述研究基礎(chǔ)上，對(duì)輕小型平移式噴灌機(jī)組進(jìn)行智能化開(kāi)發(fā)，提出了基于農(nóng)田作物的需水規(guī)律控制噴灌車行走速度的決策方法，實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)灌溉.

圖4 新型輕小型平移式噴灌機(jī)組Fig.4 New light and small translational sprinkler irrigation unit

中國(guó)輕小型噴灌機(jī)組由于形式上實(shí)現(xiàn)機(jī)械化存在弱點(diǎn)，但在固定式噴灑的精準(zhǔn)智能決策方面進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了基于氣象感知的智能化控制.在產(chǎn)品的多功能性開(kāi)發(fā)方面研制了多款適應(yīng)于中國(guó)不同灌溉需求的多功能輕小型噴灌機(jī)組.中國(guó)土地及作物多種多樣，綠色能源的高效利用、節(jié)能減排技術(shù)方面還有待進(jìn)一步的加強(qiáng).同時(shí)，研發(fā)更多的適應(yīng)于不同作物及地形地貌的多功能噴灌機(jī)組形式是發(fā)展趨勢(shì).

2.4 低壓噴頭

低壓噴灌是降低噴灌系統(tǒng)能耗的重要途徑，研發(fā)低壓噴頭是發(fā)展低壓噴灌的關(guān)鍵技術(shù)之一.近幾年在低壓噴頭的研發(fā)方面，取得了初步成果.

中國(guó)的大中型噴槍還主要以進(jìn)口及仿制國(guó)外產(chǎn)品為主.低壓噴灑技術(shù)還沒(méi)有在長(zhǎng)射程噴頭上進(jìn)行驗(yàn)證.在中長(zhǎng)射程噴頭方面，為解決普通噴頭低壓下射程短和均勻性不高的問(wèn)題，江蘇大學(xué)分別以反作用式、射流式及搖臂式噴頭為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了3種低壓噴頭.一種為低壓散水齒噴頭[35]，如圖5所示，設(shè)計(jì)了新型間斷式散水齒、空間流道、異形噴嘴等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，與國(guó)外NelsonR33噴頭相比，低壓下組合均勻性平均提高了27%.一種為中國(guó)獨(dú)創(chuàng)的外取水射流噴頭[36]，如圖6所示，設(shè)計(jì)的外取水結(jié)構(gòu)使低壓工況下組合均勻性明顯提高.另一種為摻氣搖臂式噴頭[37]，采用摻氣的方法降低了搖臂式噴頭的工作壓力，擴(kuò)寬了搖臂式噴頭的工作壓力范圍.

圖5 低壓散水齒噴頭

圖6 外取水射流噴頭

低壓噴頭目的為擴(kuò)寬噴頭的工作壓力范圍，使噴頭在變工況下運(yùn)行均保持良好的水力性能.中遠(yuǎn)射程噴頭的低壓噴灑技術(shù)理論體系還不夠完善，在遠(yuǎn)射程噴槍實(shí)現(xiàn)低壓均勻噴灑方面還有待進(jìn)一步的研究.

2.5 多功能噴頭

在噴頭多功能性實(shí)現(xiàn)方面，針對(duì)中國(guó)新疆紅棗作物高溫、干燥噴霧加濕與降溫的需求，朱興業(yè)等[38]設(shè)計(jì)了可調(diào)縫隙式噴嘴結(jié)構(gòu)，研發(fā)了1種新型縫隙式低壓霧化噴頭，解決了低壓、小流量、霧化噴灑的技術(shù)難題，改善小氣候.

針對(duì)中國(guó)棚架作物的種植特點(diǎn)以及灌水、噴藥要求，張晴[39]發(fā)明了1種水藥兩用噴頭，實(shí)現(xiàn)了低壓工況灌水、中高壓工況噴藥的雙重功能.

針對(duì)果樹(shù)的灌水需求，朱德蘭等[40]建立了微噴灌與陶瓷滲灌互補(bǔ)的灌溉模式，研發(fā)了伸縮式微噴頭.

這些多功能噴頭的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)低壓霧化、水藥一體化、滲灌微噴互補(bǔ)等功能，豐富了噴微灌等噴灑模式.中國(guó)針對(duì)具體作物及地域特點(diǎn)開(kāi)發(fā)新型灌溉模式及適用裝備還不夠，種類還不夠豐富，系統(tǒng)性研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng).

2.6 滴灌裝備

針對(duì)滴灌易堵塞問(wèn)題，中國(guó)學(xué)者長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)行了諸多研究，對(duì)現(xiàn)有灌水器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并研發(fā)了一些新裝備.例如，王新坤等[41]應(yīng)用射流附壁與換向產(chǎn)生的脈沖技術(shù)，開(kāi)發(fā)了同向毛管射流三通、雙向毛管射流三通，形成了脈沖滴灌技術(shù)，提高了抗堵性能，當(dāng)同向毛管射流三通和雙向毛管射流三通同時(shí)使用時(shí)抗堵效果更佳.劉露等[42]對(duì)適應(yīng)于黃河水滴灌的灌水器進(jìn)行篩選研究，建立了面向不同灌溉作物的滴灌帶產(chǎn)品選擇方法.侯鵬等[43]研究了內(nèi)鑲貼片式灌水器結(jié)構(gòu)-淤積泥沙特性-堵塞特性參數(shù)間的關(guān)系，為灌水器的抗堵性能結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供支撐.針對(duì)滴灌帶重復(fù)回收利用的市場(chǎng)需求，牛文全等[44]研制1種經(jīng)濟(jì)環(huán)保、成型工藝簡(jiǎn)單、水力性能及抗堵塞性能優(yōu)良的一體化壓力補(bǔ)償式滴頭，利用TPE代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅橡膠彈性片，實(shí)現(xiàn)降低回收利用成本的目的.采用PE材料復(fù)合技術(shù)，研制出具有壓力補(bǔ)償功能的微孔薄壁滴灌帶，解決了負(fù)壓吸泥和作物根系入侵堵塞問(wèn)題，成本下降25%以上.李云開(kāi)[45]研發(fā)了小型自清洗灌水器、低壓滲透過(guò)濾器等產(chǎn)品，建立了低碳環(huán)保型滴灌綜合技術(shù)體系.開(kāi)發(fā)了微納米氣泡發(fā)生器、移動(dòng)式水肥氣一體機(jī)及一體化調(diào)控滴灌系統(tǒng).

這些滴灌灌水器、滴灌帶等產(chǎn)品一定程度上提高了抗堵塞性能，但產(chǎn)品的制造上還存在一定的問(wèn)題，如工藝性、加工精度、灌水器的膜片材料等方面還需進(jìn)一步的改進(jìn).

過(guò)濾器是滴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備之一，砂石過(guò)濾器、離心過(guò)濾器和網(wǎng)式、疊片過(guò)濾器品種規(guī)格已相對(duì)較多，在過(guò)濾不同水質(zhì)時(shí)常常采用不同類型過(guò)濾器相組合的方式.目前較多的為對(duì)過(guò)濾器針對(duì)不同工況下的具體需求展開(kāi)研究，例如，針對(duì)復(fù)雜灌溉水質(zhì)對(duì)大流量過(guò)濾器的需求，李盛寶[46]創(chuàng)建三層濾網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，研發(fā)了大流量復(fù)合網(wǎng)式過(guò)濾器，過(guò)濾周期較長(zhǎng)，過(guò)濾精度較高，解決產(chǎn)品能耗高、過(guò)濾效率低的問(wèn)題.

針對(duì)微灌系統(tǒng)水流精量調(diào)配需求，張曉斌等[47]設(shè)計(jì)出閥門(mén)體+感應(yīng)體的閥體結(jié)構(gòu)，研制出精量調(diào)配設(shè)備，流量調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度高達(dá)81.5%～99.5%.雷宏軍[48]設(shè)計(jì)出循環(huán)曝氣的水氣高效耦合系統(tǒng)，研制了水氣耦合灌溉裝備及其自動(dòng)控制系統(tǒng)，解決摻氣比率低、出氣不均勻的難題，曝氣比例由12%增加至30%.

微灌系統(tǒng)的過(guò)濾器、控制調(diào)節(jié)裝置、自動(dòng)控制設(shè)備等配套設(shè)備還存在系列化程度低等問(wèn)題.針對(duì)不同區(qū)域及作物下的灌溉模式，進(jìn)行合理配套，是今后微灌技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì).

2.7 水肥一體化裝備

目前常用的水肥一體化施肥設(shè)備有文丘里施肥器、比例施肥泵、壓差施肥罐、智能施肥機(jī)及柱塞泵等，國(guó)內(nèi)對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行了較多研究，基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化.例如：汪小珊等[49]對(duì)泵注式施肥裝置柱塞泵、射流器等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，完成了方便用戶使用的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā).智能施肥機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展較為迅速，用戶需求量較大，缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)的精度不夠，決策模型不夠?qū)嵱?高性能的比例施肥泵目前還主要依賴進(jìn)口，如法國(guó)Dosatron、以色列Mixrite公司等.在國(guó)內(nèi)，湯攀等[50]掌握了比例施肥泵吸肥腔單向閥等參數(shù)對(duì)水力性能的影響規(guī)律，降低了閥芯后端旋渦強(qiáng)度，相比國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品，施肥精度有所提高.除了上述設(shè)備以外，針對(duì)固體肥料的水肥一體化施用，張志洋等[51]研發(fā)了2種基于溶解混施功能的水肥一體化裝置，如圖7所示.泵入式精準(zhǔn)混施裝置應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)首部，自流式精準(zhǔn)混施裝置應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)末端.精準(zhǔn)水肥混施裝置可同步進(jìn)行固體肥添加、肥料溶解和注肥，且實(shí)現(xiàn)了施肥濃度的自動(dòng)調(diào)節(jié).劉俊萍等[52]研發(fā)了1種蠕動(dòng)泵注肥配肥裝置，構(gòu)建了蠕動(dòng)泵配肥注肥的智能系統(tǒng).同時(shí)針對(duì)蠕動(dòng)泵回流問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了蠕動(dòng)泵回流程度，提高了注肥配肥精度.

圖7 精準(zhǔn)水肥混施裝置

3 發(fā)展趨勢(shì)及思考

2021年陸續(xù)發(fā)布的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化轉(zhuǎn)型升級(jí)的通知》[53]等文件指出：十四五期間，推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化，由耕、種、收環(huán)節(jié)向全過(guò)程發(fā)展，由平原地區(qū)向丘陵山區(qū)擴(kuò)展.推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合、機(jī)械化信息化融合、機(jī)械化生產(chǎn)與農(nóng)田建設(shè)融合、補(bǔ)齊短板.推進(jìn)中國(guó)排灌裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí).“十三五”期間農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化化肥農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)取得明顯成效[54]，“十四五”時(shí)期，將深入推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量行動(dòng)：集成組裝一批化肥農(nóng)藥減量增效技術(shù)模式，重點(diǎn)推廣水肥一體化等技術(shù)；推進(jìn)統(tǒng)防統(tǒng)治與綠色防控融合，積極推廣先進(jìn)施肥施藥機(jī)械，加快替代落后機(jī)械.“十四五”規(guī)劃綱要[2]提出：力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，支持節(jié)水、節(jié)能、減排等先進(jìn)技術(shù).

灌溉裝備發(fā)展趨勢(shì)為節(jié)能節(jié)水化、智能化、區(qū)域模式化及標(biāo)準(zhǔn)化.灌溉裝備需優(yōu)先發(fā)展方向，攻克關(guān)鍵共性技術(shù)，研制重點(diǎn)產(chǎn)品，主要有以下幾個(gè)方面：

1) 灌溉裝備節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研究.開(kāi)展大型灌區(qū)排灌泵站的節(jié)能改造，提高系統(tǒng)效率，降低能耗水平.開(kāi)發(fā)低壓噴灌、低壓滴灌及低壓管灌技術(shù)及裝備，降低系統(tǒng)能耗.研制生態(tài)友好型軸流泵、高效大流量高揚(yáng)程大型離心泵等.

2) 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉裝備與技術(shù)模式.研發(fā)丘陵山區(qū)集水、供水、水資源優(yōu)化調(diào)度等裝備，建立多種丘陵山區(qū)抗旱補(bǔ)灌灌溉模式，開(kāi)發(fā)微灌、噴灌系統(tǒng)壓力調(diào)控裝備.研制低能耗多工況高揚(yáng)程提水泵、應(yīng)急管網(wǎng)系統(tǒng)等新型灌溉排水移動(dòng)泵站，滿足丘陵山區(qū)應(yīng)急搶險(xiǎn)環(huán)境下的供排水需求.

3) 鹽堿地灌排控鹽技術(shù)與裝備.針對(duì)中國(guó)土壤鹽化問(wèn)題，集成水鹽測(cè)墑技術(shù)，提升灌溉裝備智能化水平，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)節(jié)水抑鹽智能調(diào)控、水肥協(xié)同調(diào)控，開(kāi)發(fā)鹽堿地節(jié)水抑鹽灌排裝備，提高中國(guó)中低產(chǎn)田的生產(chǎn)能力.

4) 水肥藥一體化及綠色防控技術(shù)與裝備.集成水肥信息、病蟲(chóng)害防控監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究在線精量配肥、配藥和灌溉、施肥、施藥方法，優(yōu)化田間灌溉管網(wǎng)布置，開(kāi)發(fā)不同作物滴灌、噴灌水肥藥精準(zhǔn)管控決策模型及裝備.

5) 智能化精確灌溉裝備.提高灌溉裝備的智能化水平，進(jìn)一步降低大中型噴灌機(jī)和噴頭運(yùn)行壓力與能耗，提高微灌系統(tǒng)的抗堵塞性和可靠性.

6) 綠色多源互補(bǔ)模式和非常規(guī)水資源節(jié)水灌溉裝備.開(kāi)發(fā)低水頭、生態(tài)型、微型抽水蓄能裝備、大功率低成本太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)等能源互補(bǔ)的能源微網(wǎng)節(jié)水灌溉裝備系統(tǒng)，形成綜合配套的清潔能源節(jié)水灌溉技術(shù)模式.開(kāi)展養(yǎng)殖污水等非常規(guī)水資源灌溉利用技術(shù)及裝備.