大型噴灌裝備技術(shù)問題分析與建議

黃 乾，高印軍，薛 雁

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南，250014；2.山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南，250014）

山東省水資源短缺，畝均水資源量?jī)H有263 m3，約為全國(guó)平均水平的1/6。農(nóng)業(yè)是最大用水部門，占全省用水量的60%左右，農(nóng)業(yè)節(jié)水關(guān)系著全省的糧食安全和水安全。噴灌是當(dāng)前重要的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，目前全省約266.67萬hm2耕地實(shí)現(xiàn)了土地流轉(zhuǎn)，土地規(guī)模化經(jīng)營(yíng)下的大中型噴灌技術(shù)設(shè)備需求增加迅速，大中型灌溉裝備具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的節(jié)水潛力。

1 大型噴灌設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)大型噴灌機(jī)械裝備以中心支軸式噴灌機(jī)（又稱圓形噴灌機(jī)、時(shí)針式噴灌機(jī)）和平移式噴灌機(jī)為主，自20世紀(jì)70年代從美國(guó)引進(jìn)商品樣機(jī)后，經(jīng)歷了最初模仿、關(guān)鍵部件攻關(guān)、完善提高、示范推廣后，由于設(shè)備使用條件和土地家庭承包經(jīng)營(yíng)制度下的矛盾，經(jīng)歷了發(fā)展低潮[1]。隨著土地流轉(zhuǎn)和規(guī)?；?jīng)營(yíng)，最近十幾年來又得到了大面積的使用，而且更多的是農(nóng)戶、農(nóng)場(chǎng)自發(fā)購(gòu)置使用。節(jié)水灌溉噴灌面積中，管道式噴灌和輕小型噴灌機(jī)面積占比逐步下降，大中型噴灌設(shè)備占比有較大幅度上升。山東省的大中型噴灌設(shè)備的應(yīng)用面積近年來不斷擴(kuò)大，并且增加速度很快。

我國(guó)灌溉企業(yè)生產(chǎn)的大中型噴灌設(shè)備憑借性價(jià)比優(yōu)勢(shì)已成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主導(dǎo)，并且出口國(guó)外。但總體來看，國(guó)內(nèi)大中型噴灌裝備多為國(guó)外設(shè)備引進(jìn)后的仿制產(chǎn)品或國(guó)外產(chǎn)品代理，只有少數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)較為注重自主研發(fā)。設(shè)備在方案選型規(guī)劃設(shè)計(jì)、與水源和作物需水匹配使用方面，還存在明顯不足，缺乏完備的售后培訓(xùn)和服務(wù)體系。省內(nèi)對(duì)大型噴灌裝備關(guān)機(jī)技術(shù)裝置和耕地適應(yīng)性的科研攻關(guān)還比較欠缺。

2 存在的技術(shù)問題

2.1 噴灌機(jī)總體性能有待提高

大型噴灌機(jī)是技術(shù)含量最高的節(jié)水灌溉產(chǎn)品裝備，是真正意義上的灌溉機(jī)械化設(shè)備。其他灌溉方式，如管道灌溉、固定噴灌、微灌等設(shè)備設(shè)施大多為以固定和靜態(tài)使用，單元面積控制小，需要解決的技術(shù)難題單一。大型噴灌機(jī)技術(shù)復(fù)雜，要考慮大面積耕地（單元控制可達(dá)千畝以上）灌溉效果，如灌溉均勻度、精準(zhǔn)度，還要考慮對(duì)作物的低影響、低能耗等，噴灌機(jī)整體性能和單項(xiàng)技術(shù)需要協(xié)調(diào)。大型噴灌裝備塔車行進(jìn)過程中的速度調(diào)節(jié)、同步行進(jìn)、導(dǎo)向控制，針對(duì)不同耕地土質(zhì)和坡度的輪胎和驅(qū)動(dòng)裝置，均需要專用設(shè)備；專用噴頭配型、噴灑方式、位置優(yōu)化，不同規(guī)格垮架組合，地角臂系統(tǒng)、可脫落跨體組合技術(shù)，水壓變頻調(diào)節(jié)、過水量保護(hù)、壓力保護(hù)、水肥藥一體施用裝置等需要協(xié)同工作。大型噴灌機(jī)各個(gè)功能部件有多種組合，配套得當(dāng)、價(jià)格性能合理，整機(jī)工況效率高，設(shè)備才容易被接受，使用過程中才能使用長(zhǎng)久。目前國(guó)內(nèi)大型噴灌機(jī)整體性能方面還需要進(jìn)一步提升。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)部件研發(fā)能力需要提升

由于研發(fā)成本與產(chǎn)出效益的不匹配，國(guó)內(nèi)大型噴灌機(jī)核心設(shè)備還存在著部件精密度不高，不能自主生產(chǎn)或達(dá)不到進(jìn)口產(chǎn)品性能和效率，主要以進(jìn)口為主。目前關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備存在以下問題：國(guó)產(chǎn)系列噴頭組合噴灑均勻度不高；高性能水肥施用裝置研發(fā)不足，水肥藥難以達(dá)到精準(zhǔn)施用；適用不同土質(zhì)的高性能、大負(fù)載減速器研發(fā)不足；缺乏國(guó)產(chǎn)化的智能決策和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件等。這些均導(dǎo)致大型噴灌機(jī)核心部件的選擇和更換非常不便。經(jīng)常出現(xiàn)國(guó)產(chǎn)大型噴灌機(jī)，外殼和一般部件為國(guó)產(chǎn)，重要核心部件國(guó)外購(gòu)置組裝。關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備性能的缺陷導(dǎo)致了大型噴灌裝備成本和后期維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)的增加。

2.3 新技術(shù)和設(shè)備研發(fā)相對(duì)滯后

一些引領(lǐng)大型噴灌機(jī)發(fā)展方向的新技術(shù)，如變量灌溉技術(shù)、低能耗精準(zhǔn)灌溉技術(shù)等研究還明顯不足。例如大型噴灌機(jī)變量灌溉技術(shù)（VRI），是解決大型噴灌機(jī)較大單機(jī)控制面積內(nèi)土壤、作物空間變異問題，提高灌溉水利用效率的新方法，其系統(tǒng)組成方法的理論研究較為成熟，但大型噴灌機(jī)變量灌溉系統(tǒng)需要的軟硬件，如變量供水裝置、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等產(chǎn)品開發(fā)尚存在較多的時(shí)間[1]，國(guó)內(nèi)對(duì)于實(shí)現(xiàn)VRI的主流技術(shù)脈沖寬度調(diào)制（PWM），目前主要處于計(jì)算機(jī)模擬和小規(guī)模試驗(yàn)研究[2，3]，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)相對(duì)滯后。

2.4 相關(guān)設(shè)計(jì)水平有待提高

大型噴灌設(shè)備適用于地表水、地下水等各種水源的大面積灌溉，對(duì)作物和土壤質(zhì)地有很好的適應(yīng)性，坡度不大、地塊相對(duì)集中、無高大障礙物的耕地均可以規(guī)劃設(shè)計(jì)使用大型噴灌機(jī)。大多數(shù)大型噴灌機(jī)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備選型，其過程包括灌溉地塊地形查勘、水源分析、作物調(diào)查、灌溉規(guī)劃布置和噴灌機(jī)參數(shù)選擇等，對(duì)應(yīng)的計(jì)算包括作物灌溉需水、機(jī)組運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間，管道水力計(jì)算和水泵選型，跨架長(zhǎng)度和主要設(shè)備清單。用戶根據(jù)設(shè)計(jì)成果選擇相應(yīng)的大型灌溉設(shè)備。筆者從用戶使用和廠家裝配調(diào)查來看，很多設(shè)計(jì)單位人員對(duì)大型噴灌機(jī)缺乏了解，雖然滿足大型噴灌機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范基本要求，但設(shè)計(jì)深度不足，沒有考慮一些必要的技術(shù)因素如土壤入滲能力，作物葉面打擊強(qiáng)度，噴頭布置方式和安裝高度，地角漏噴處理等，需要設(shè)備廠家后期按經(jīng)驗(yàn)完成和補(bǔ)充。按照作物最大需水量設(shè)計(jì)的噴灌機(jī)運(yùn)行方式不適用于作物各階段的用水需求和噴灌機(jī)低能耗運(yùn)行模式，達(dá)不到最佳節(jié)水節(jié)能效果。國(guó)產(chǎn)化的相關(guān)設(shè)計(jì)軟件需要盡快開發(fā)。國(guó)外設(shè)備廠商一些設(shè)備選型設(shè)計(jì)說明和調(diào)查表等都值得學(xué)習(xí)和借鑒。

2.5 應(yīng)用效果數(shù)據(jù)庫需要完善

國(guó)外大型灌溉設(shè)備企業(yè)有著近70年的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)歷，形成了海量的應(yīng)用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，很注重使用過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用效果的積累和分析。一些國(guó)外企業(yè)在新設(shè)備和新技術(shù)研發(fā)后，會(huì)進(jìn)行一年以上的試驗(yàn)研究，對(duì)應(yīng)用效果和效益進(jìn)行分析，內(nèi)容包括不同降水水平年的用水量、作物產(chǎn)量，新設(shè)備投資與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出比較，種植戶對(duì)設(shè)備應(yīng)用的反饋等。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)和科研院所如果能完善相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，所積累的試驗(yàn)和應(yīng)用數(shù)據(jù)將有助于新設(shè)備的改進(jìn)提升，盡量避免在大型噴灌設(shè)備設(shè)計(jì)、應(yīng)用過程中走彎路，提高工作效率與產(chǎn)品性能。

3 發(fā)展趨勢(shì)與建議

3.1 發(fā)展趨勢(shì)

1）大型噴灌設(shè)備有更大發(fā)展空間。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和科技實(shí)力的增強(qiáng)，中國(guó)農(nóng)業(yè)排灌事業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。隨著我國(guó)土地流轉(zhuǎn)、土地規(guī)?；?jīng)營(yíng)、土地托管等土地集中管理面積的擴(kuò)大，農(nóng)耕、播種、施肥（藥）、收獲都逐步實(shí)現(xiàn)了普遍的機(jī)械化作業(yè)，灌溉的機(jī)械化水平相比較而言還有待于提高，以人力為主的灌溉方式，將逐步被灌溉設(shè)備替代，大型噴灌設(shè)備可以節(jié)約水資源和勞動(dòng)力資源，發(fā)展?jié)摿薮?，市?chǎng)前景廣闊。在噴灌產(chǎn)業(yè)化方面，世界上各種類別的噴灌設(shè)備在我國(guó)基本都有，我國(guó)耕地和管理模式的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品將快速研發(fā)。

2）設(shè)備的發(fā)展需適應(yīng)我國(guó)農(nóng)田建設(shè)和耕作模式。美國(guó)是大型噴灌設(shè)備的發(fā)源地，但自然社會(huì)條件的差異決定了應(yīng)用大型噴灌設(shè)備的條件和過程也不同。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部2018年數(shù)據(jù)，美國(guó)進(jìn)行灌溉的農(nóng)場(chǎng)有23萬多個(gè)，灌溉面積2 266.67萬hm2，每戶農(nóng)場(chǎng)平均耕地面積為176.67 hm2[4]。而我國(guó)地少人多，人均耕地占有量不足美國(guó)的1/6，農(nóng)民人均耕地大約為美國(guó)的1%，即使土地實(shí)施集中管理耕作，精耕細(xì)作、充分利用耕地仍是我國(guó)的耕植特點(diǎn)，因此用戶在大型噴灌機(jī)（以指針式噴灌機(jī)為主）的使用上與美國(guó)等國(guó)家的理念和操作有較大區(qū)別。例如：我國(guó)農(nóng)田以方田為主，大部分農(nóng)戶對(duì)指針式噴灌機(jī)圓形地角漏噴情況不易接受；農(nóng)田機(jī)耕路普遍較窄且兼顧通行通車，路邊村村通電桿設(shè)施、生態(tài)防風(fēng)林等，導(dǎo)致大型平移式噴灌機(jī)難以適應(yīng)道路和障礙物等，適應(yīng)中小地塊的指針式噴灌機(jī)將會(huì)更多應(yīng)用。因此，切實(shí)了解我國(guó)農(nóng)田建設(shè)和耕作模式，研發(fā)適用于我國(guó)耕作特點(diǎn)的大型噴灌裝備產(chǎn)品是目前應(yīng)注重的方向。

3.2 建議

1）企業(yè)參與更多研發(fā)任務(wù)。國(guó)內(nèi)不少科研院所和生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)噴灌設(shè)備現(xiàn)在技術(shù)問題對(duì)大型噴灌裝備關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行理論研究、試驗(yàn)和產(chǎn)品研發(fā)。從國(guó)外研發(fā)情況看，國(guó)內(nèi)相關(guān)有實(shí)力企業(yè)，在安裝、服務(wù)過程中，直接與用戶對(duì)接，對(duì)產(chǎn)品性能需要改進(jìn)之處了解更具體?？蒲胁块T與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，以企業(yè)為主導(dǎo)，實(shí)施產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的研發(fā)模式，并長(zhǎng)期跟蹤產(chǎn)品后期使用效果，積累試驗(yàn)和應(yīng)用數(shù)據(jù)。

2）注重水肥一體化發(fā)展。如果大型噴灌技術(shù)設(shè)備能將肥料隨灌溉一起均勻、精準(zhǔn)地施用于作物，將進(jìn)一步降低勞動(dòng)力使用量，節(jié)水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效用肥。大型噴灌水肥一體化精準(zhǔn)施用、測(cè)墑測(cè)肥變量灌溉，在設(shè)備和技術(shù)上還要深入研發(fā)。

3）加大購(gòu)置財(cái)政補(bǔ)貼。盡管大型噴灌設(shè)備節(jié)水省工，但一次性投資大，設(shè)備的使用和后期維修養(yǎng)護(hù)相對(duì)比較繁雜，費(fèi)用也不低。很多用戶為了節(jié)省設(shè)備投資，購(gòu)置時(shí)省去可選的保護(hù)性部件，使用相對(duì)便宜的輸水管材和噴頭，長(zhǎng)期使用節(jié)水效果不佳，設(shè)備壽命降低，年均投資更高?，F(xiàn)階段大型噴灌設(shè)備的購(gòu)置、培訓(xùn)等仍需要政府財(cái)政資金的支持。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收、仿制和研發(fā)，我國(guó)大型噴灌設(shè)備已具備一定產(chǎn)能和質(zhì)量水平，但相比較國(guó)外先進(jìn)噴灌生產(chǎn)企業(yè)，如維蒙特、保爾等公司相關(guān)產(chǎn)品，我國(guó)大型噴灌裝備還有很大提升空間。大型噴灌裝備將更加適合我國(guó)和山東省土地規(guī)?；?jīng)營(yíng)模式，市場(chǎng)潛力巨大。