自動(dòng)節(jié)水灌溉技術(shù)研究及其應(yīng)用

李建新

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農(nóng)用灌溉水利技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效實(shí)施的基礎(chǔ)，合理應(yīng)用灌溉技術(shù)能夠?yàn)檗r(nóng)作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好條件，尤其在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，大面積耕作的農(nóng)田對(duì)于灌溉要求更高，傳統(tǒng)漫灌式灌溉不能充分利用水資源，不合理的灌溉還會(huì)造成水土流失。2017—2022年，每年的中央一號(hào)文件均會(huì)對(duì)建設(shè)高效節(jié)水農(nóng)田提出相關(guān)要求，我國(guó)農(nóng)田的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了良好開展。但目前來看，我國(guó)的現(xiàn)代化灌溉技術(shù)應(yīng)用仍處于起步階段，現(xiàn)代微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)普及程度仍待提升，尤其對(duì)于水資源短缺地區(qū)，應(yīng)當(dāng)通過合理應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)提高水資源利用率。

1 節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用情況

1.1 國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)

節(jié)水灌溉技術(shù)作為精確農(nóng)業(yè)的重要組成部分，一直以來受到世界各國(guó)的高度重視，尤以歐洲、日本等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家研究與應(yīng)用居多，節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家展現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效實(shí)現(xiàn)了資源的最佳利用。美國(guó)在近百年來一直致力于節(jié)水灌溉技術(shù)的研究與普及，為更好滿足西部干旱、半干旱農(nóng)田的用水需求，對(duì)農(nóng)田進(jìn)行了大范圍的管道輸水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并以農(nóng)田為核心建立了系統(tǒng)化的節(jié)水灌溉技術(shù)體系。自20世紀(jì)50年代，美國(guó)開始推廣節(jié)水灌溉技術(shù)后，到21世紀(jì)初期，其節(jié)水灌溉農(nóng)田比例以超過55%，尤其在2010年以后的十余年間，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電氣控制技術(shù)與節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了深度融合，并逐漸對(duì)不同地區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉與氣象、土壤等信息的結(jié)合，灌溉過程全程自動(dòng)化，農(nóng)民僅通過電子設(shè)備查看排水灌水過程即可。日本針對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)也開展了大量的研究和應(yīng)用工作，由于日本地區(qū)的主食以水稻為主，因此，在有限的農(nóng)業(yè)耕地面積條件下，水田占比接近58%，這對(duì)水資源的有效利用提出了更高要求。日本的節(jié)水灌溉技術(shù)初期引進(jìn)于美國(guó)，現(xiàn)階段在灌溉技術(shù)改良區(qū)已實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉覆蓋率超過90%，為提高節(jié)水灌溉技術(shù)的普及效率，日本將很多農(nóng)業(yè)水利工程劃歸為國(guó)家項(xiàng)目，由政府出資，并在法律層面規(guī)定灌溉設(shè)備設(shè)施改良費(fèi)用由政府和個(gè)人分擔(dān)，有效促進(jìn)了節(jié)水灌溉技術(shù)的普及應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)和政策布局對(duì)于我國(guó)而言具有一定的參考和借鑒價(jià)值，有利于我國(guó)節(jié)水灌溉工程建設(shè)合理性的提升[1]。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展特征

我國(guó)對(duì)于節(jié)水灌溉技術(shù)的研究滯后于國(guó)際平均水平，早期的研究集中于渠道襯砌、短溝灌溉等簡(jiǎn)單技術(shù)，對(duì)于節(jié)水能力的提升十分有限。到20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)的管道輸水技術(shù)得到快速發(fā)展，噴灌、微灌等節(jié)水灌溉設(shè)備在一定范圍內(nèi)得到推廣和普及。到20 世紀(jì) 90 年代初期，受到國(guó)家政策的影響，節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，節(jié)水灌溉產(chǎn)品市場(chǎng)初步建立。21世紀(jì)以后，我國(guó)的節(jié)水灌溉面積得到了快速增長(zhǎng)，如圖1、圖2所示，農(nóng)業(yè)耕地整體的節(jié)水灌溉面積從2000年的0.144 億hm2增長(zhǎng)到2020年0.378億hm2，增長(zhǎng)162.5%，其中噴灌、微灌、管道輸水灌溉等高效節(jié)水灌溉面積達(dá)到0.23億hm2。農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)從2000年的0.41增長(zhǎng)到2020年的0.67，增長(zhǎng)63.4%。近年來，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉年均用水量基本維持在3 400億m3，需完成0.69億hm2的耕地，灌溉用水量占全社會(huì)用水總量的56%左右，節(jié)水灌溉技術(shù)的進(jìn)一步普及和發(fā)展意義重大[2]。

圖1 2000—2020年我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積變化情況

圖2 2000—2020年我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)變化情況

現(xiàn)階段，我國(guó)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)施得到了長(zhǎng)足發(fā)展與進(jìn)步，但目前仍存在較多技術(shù)性問題和推廣工作需要深入開展，我國(guó)農(nóng)業(yè)科研人員也針對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行了本土化的研究與自動(dòng)化技術(shù)升級(jí)。2016年沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)姜森嚴(yán)[3]針對(duì)遼寧省玉米生產(chǎn)過程實(shí)際情況，選取4個(gè)玉米種植面積比超過60%的分區(qū)地點(diǎn)，分別進(jìn)行了覆膜滴灌、無膜滴灌、傳統(tǒng)溝灌三類對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了覆膜滴灌的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，覆膜滴灌使玉米株高、葉面積指數(shù)、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、產(chǎn)出率等指標(biāo)均明顯提升，同時(shí)說明了部分區(qū)域應(yīng)用覆膜滴灌的不適用性，強(qiáng)調(diào)了合理選擇節(jié)水灌溉技術(shù)的重要性；2017年石河子大學(xué)劉南江[4]針對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的干旱半干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集器，利用GSM短信通訊方式進(jìn)行土壤水分、溫度、電磁閥啟閉狀態(tài)等多種數(shù)據(jù)信息的采集，并實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉電磁閥的控制，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器能實(shí)現(xiàn)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間對(duì)土壤水分、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并自動(dòng)灌溉；2019年東北農(nóng)業(yè)大學(xué)張忠明[5]針對(duì)黑龍江地區(qū)水稻生產(chǎn)過程的灌溉技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)了控制灌溉、“薄、淺、濕、曬”灌溉、葉齡模式灌溉、“淺、濕”灌溉等多種灌溉試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?duì)比了多種灌溉模式的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了各灌溉處理水稻在生長(zhǎng)生育性狀、耗水量、產(chǎn)量等眾多數(shù)據(jù)的特征，說明了不同灌溉模式的應(yīng)用方向，有利于合理選擇黑土區(qū)的灌溉方式；2021年河北農(nóng)業(yè)大學(xué)張兵[6]研究了河北省果農(nóng)節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用普及的影響因素，對(duì)果農(nóng)采用意愿和行為差異性分析，說明了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織化和標(biāo)準(zhǔn)化程度、水利基礎(chǔ)設(shè)施、政府補(bǔ)貼范圍等因素對(duì)果農(nóng)應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)的影響關(guān)系，給出了多項(xiàng)促進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用的有效措施，有利于提高節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用率。

2 自動(dòng)節(jié)水灌溉技術(shù)組成

2.1 管道輸水技術(shù)

管道輸水是現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)，主要是將灌溉用水利用水泵送入輸水管路，利用水泵提供的壓力進(jìn)行供水，供水管路布置在灌溉的關(guān)鍵位置，保證灌溉工作能覆蓋整個(gè)農(nóng)田。管道輸水主要用于替代傳統(tǒng)渠道輸水，其應(yīng)用能有效減少水資源滲漏和蒸發(fā)損失，能更好保證水資源充分應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中，同時(shí)管道輸水技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)渠道輸水在送水速度、灌溉量、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面優(yōu)勢(shì)明顯，并與現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)合[7]。

2.2 電氣控制與檢測(cè)技術(shù)

電氣控制是自動(dòng)灌溉的實(shí)施者，是替代傳統(tǒng)灌溉過程人工判斷土壤狀態(tài)、人工控制灌溉時(shí)機(jī)、人工控制灌溉量等過程，將電氣控制技術(shù)與管道輸水技術(shù)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的高精度灌溉控制。電氣控制主要包括了土壤溫濕度測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、方案判斷、灌溉決策、灌溉實(shí)施等內(nèi)容，通過傳感器獲取的不同區(qū)域的土壤狀態(tài)控制電磁閥進(jìn)行區(qū)域化的精確自動(dòng)灌溉。

2.3 灌溉技術(shù)類別

現(xiàn)階段應(yīng)用的節(jié)水灌溉技術(shù)主要包括噴灌、滴灌、滲灌、微噴灌等多種類別。噴灌是利用泵體將水增壓后被噴頭的特殊結(jié)構(gòu)以小水滴的形式噴出，使其均勻?yàn)⒙溆谕寥辣砻妫侵饕墓?jié)水灌溉技術(shù)之一，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地形地勢(shì)的適應(yīng)性好，技術(shù)應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是受風(fēng)力影響較大，不適宜風(fēng)力過大地區(qū)應(yīng)用；滴灌是將水增壓后在管路中輸送，管路中均勻布置有滴頭，水在滴頭位置滴入田間，緩慢均勻浸潤(rùn)土壤，其優(yōu)點(diǎn)是省水能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是使用過程受水質(zhì)影響大，水質(zhì)不良地區(qū)易出現(xiàn)滴頭堵塞；滲灌是將輸水管路安裝于地下，水管能夠按照指定流量滲水，從而浸潤(rùn)根系土壤，其優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)一步降低水分蒸發(fā)，提高水資源利用率，缺點(diǎn)是管道布局占用地下空間，不利于耕作，且維修困難；微噴灌是介于噴灌和滴灌之間的一種灌溉技術(shù)，微噴灌能夠在實(shí)現(xiàn)灌溉的同時(shí)將化肥溶于水中噴灑于作物植株上，顯著提高化肥利用率，多用于葉面施肥場(chǎng)合使用[8]。

3 自動(dòng)節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.1 輸水管路的合理布局

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境十分復(fù)雜，不同地區(qū)受到地形、地貌，生產(chǎn)習(xí)慣的影響，對(duì)于輸水管路的布局存在很大差異性。因此在引進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)前，應(yīng)根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的灌溉網(wǎng)絡(luò)布局。明確要引進(jìn)的灌溉技術(shù)種類，如噴灌、微灌等，再根據(jù)農(nóng)田形狀、農(nóng)機(jī)行駛路線等對(duì)管路進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保輸水管路與正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不干涉；合理設(shè)計(jì)管路密度，避免布局過密造成管路材料和水資源浪費(fèi)。

3.2 電控系統(tǒng)的建立與硬件選型

電控系統(tǒng)是自動(dòng)節(jié)水灌溉實(shí)施的關(guān)鍵，需要在完成輸水管路和噴頭、滴頭等選擇的同時(shí)進(jìn)行電控技術(shù)的適配，包括電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、總體的灌溉策略設(shè)計(jì)，如土壤信息的獲取方案、灌溉開啟標(biāo)準(zhǔn)、灌溉時(shí)間流量、灌溉后監(jiān)測(cè)等；同時(shí)還要進(jìn)行細(xì)節(jié)的硬件設(shè)計(jì)，如電磁閥功能選擇、電磁閥位置布置、傳感器選型、傳感器位置設(shè)計(jì)及信息數(shù)據(jù)傳輸方式等。

3.3 灌溉設(shè)備使用與技能培訓(xùn)

在灌溉設(shè)備布局與建設(shè)完成后，農(nóng)機(jī)推廣部門及灌溉設(shè)備的生產(chǎn)、銷售廠家還要重視對(duì)農(nóng)民進(jìn)行節(jié)水灌溉設(shè)備使用及維護(hù)保養(yǎng)培訓(xùn)，確保農(nóng)民掌握自動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備日常使用、遠(yuǎn)程控制、調(diào)試、故障處理等技能，保證設(shè)備性能得到充分發(fā)揮。

4 結(jié)語

總體上看，我國(guó)節(jié)水灌溉相關(guān)工作在取得顯著成果的同時(shí)，技術(shù)應(yīng)用仍與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距。因此，農(nóng)業(yè)管理部門和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)因地制宜加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作的普及與技術(shù)研發(fā)力度，推廣真正適合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)水灌溉模式與技術(shù)，在完善基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)，重視節(jié)水灌溉理念的普及，加快推進(jìn)智慧灌區(qū)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉過程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理。