北方農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)探討

高紅軍

摘要：農(nóng)業(yè)灌溉用水方式直接影響我國糧食安全和經(jīng)濟(jì)安全。介紹我國農(nóng)業(yè)用水及節(jié)水灌溉現(xiàn)狀，分析節(jié)水灌溉技術(shù)研究方向，重點(diǎn)在自走式圓形噴灌及技術(shù)集成研究、自走式噴灌機(jī)田間規(guī)劃軟件開發(fā)、低能耗大田微灌系統(tǒng)系列化產(chǎn)品研發(fā)、智能化自走式噴灌機(jī)研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)力，提升我國北方節(jié)水技術(shù)裝備水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水高效利用。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉；農(nóng)業(yè)用水；自走式噴灌系統(tǒng)；技術(shù)；探討

中圖分類號：TU991.64 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1674-1161（2023）03-0042-02

我國是農(nóng)業(yè)大國，提高農(nóng)田灌溉效益是至關(guān)重要的內(nèi)容[1]。我國單位耕地水資源量僅為世界平均水平的4/5，且時空分布極不均勻，加大了水資源利用難度。受全球氣候變化和人類活動影響，全國南北方頻繁發(fā)生極端災(zāi)害性干旱，進(jìn)一步加劇了水資源緊張程度。尤其是近年來，不同地區(qū)不同年份干旱頻發(fā)，且已成常態(tài)。我國80%的糧食產(chǎn)于灌溉農(nóng)田，糧食產(chǎn)量波動與農(nóng)業(yè)旱災(zāi)災(zāi)情密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國平均每年農(nóng)田受旱面積達(dá)2 566萬hm2，減產(chǎn)糧食約350億kg。水資源地區(qū)性短缺成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生活水平的重要因素。

1 我國農(nóng)業(yè)用水及節(jié)水灌溉現(xiàn)狀

據(jù)水利部發(fā)布的2021年度《中國水資源公報》顯示，2021年全國用水總量為5 920.2億m3，其中農(nóng)業(yè)用水為3 644.3億m3，占用水總量的61.5%。與2020年相比，農(nóng)業(yè)用水增加31.9億m3。我國干旱、半干旱土地面積占國土面積的一半以上，農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占農(nóng)業(yè)用水量的90%以上。盡管全國節(jié)水灌溉面積已達(dá)到2 446萬hm2，但仍不足全國耕地總面積的20%。農(nóng)業(yè)灌溉用水是真正的用水大戶，農(nóng)業(yè)灌溉用水方式和方法直接影響我國糧食安全和經(jīng)濟(jì)安全。傳統(tǒng)灌溉方式會造成水資源的浪費(fèi)，在水資源短缺的情況下，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。目前，我國大田灌溉多采用大水漫灌、溝灌等作業(yè)形式，灌溉方法和灌溉技術(shù)落后，灌溉設(shè)施陳舊、效率低，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水利用率低，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用系數(shù)僅為0.48，存在極為嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們對農(nóng)產(chǎn)品的需求不斷增長，但有限的土地資源和水資源短缺制約北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)對保障農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)和糧食安全至關(guān)重要。當(dāng)前，我國單位灌溉面積水資源量僅為世界平均水平的1/5，必須大力推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)，這是解決水資源短缺的有效方法。農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)在轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，提升淡水資源利用效率方面發(fā)揮著重要的作用[3]。目前，世界各國非常重視農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用，我國與發(fā)達(dá)國家先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)相比，還存在較大差距。針對我國地域廣闊、自然地貌條件差異大、水資源分布不均等特點(diǎn)，建立噴灌與微灌技術(shù)并舉的節(jié)水灌溉技術(shù)體系，符合中國國情。這就要求有關(guān)研究單位在原有噴灌和微灌技術(shù)裝備研究基礎(chǔ)上，通過技術(shù)篩選和改進(jìn)研發(fā)，加大節(jié)水灌溉裝備開發(fā)與示范，提升節(jié)水灌溉技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用，緩解水資源緊缺壓力。

2 節(jié)水灌溉技術(shù)研究方向

2.1 技術(shù)路線

針對我國北方農(nóng)業(yè)灌溉特點(diǎn)，對現(xiàn)有節(jié)水灌溉設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)分析與評估，對原有產(chǎn)品技術(shù)性能和工作可靠性進(jìn)行改進(jìn)和升級，在此基礎(chǔ)上研發(fā)先進(jìn)適用節(jié)水灌溉設(shè)備，并以北方農(nóng)業(yè)區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)逐步向全國各地輻射。同時，針對節(jié)水灌溉技術(shù)裝備應(yīng)用中出現(xiàn)的技術(shù)問題，組織技術(shù)力量攻關(guān)，提高產(chǎn)品性能和工作可靠性，促進(jìn)節(jié)水灌溉裝備的普及應(yīng)用。

2.2 研發(fā)方向

2.2.1 開展自走式圓形噴灌及技術(shù)集成研究 自走式圓形噴灌機(jī)于1952年發(fā)明于美國，具有灌溉面積大、自動化程度高、投入成本低、使用維護(hù)簡單、使用壽命長、灌溉均勻度高、節(jié)水省工等優(yōu)點(diǎn)。桁架是自走式圓形噴灌機(jī)系統(tǒng)的承載體，也是其關(guān)鍵部件，其跨距越長則機(jī)組單面灌溉面積投資越低。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，桁架已形成多種規(guī)格，但不同規(guī)格跨距桁架之間的構(gòu)件通用性較差，增加了生產(chǎn)成本。有必要開展相關(guān)產(chǎn)品通用性研究，形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，以減少投入成本，促進(jìn)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

自走式噴灌機(jī)組的噴頭配置與水質(zhì)源供水量、系統(tǒng)壓力、機(jī)組長度等一系列因素相關(guān)聯(lián)，但缺少固定配置模式，導(dǎo)致配置不合理，灌溉均勻性差，直接影響灌溉質(zhì)量。隨著機(jī)組控制面積的擴(kuò)大，因機(jī)組噴頭配置不合理而造成的農(nóng)作物減產(chǎn)影響不容忽視?？梢酝ㄟ^合理配置噴頭，避免問題發(fā)生。有必要優(yōu)化噴頭配置，開發(fā)噴灑控制系統(tǒng)軟件，保證較高的噴灑均勻性。

2.2.2 研發(fā)輕型拖移單長跨自走式噴灌機(jī) 我國農(nóng)業(yè)地域差異性大，有些地區(qū)水源分散、作業(yè)地塊較小。由于作業(yè)面積不足，機(jī)組大多時間處于閑置狀態(tài)，這在無形中增加了灌溉成本。針對這些區(qū)域，需要研發(fā)噴灌作業(yè)轉(zhuǎn)移機(jī)組，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)輪灌，這樣可以大大降低作業(yè)成本。采用外徑165 mm主輸水管桁架雖可以節(jié)省一次性工裝建設(shè)費(fèi)，但考慮到機(jī)組的移動和灌溉面積因素，采用外徑133 mm的主輸水管更為合理，這樣除了滿足灌溉要求外，還可減少整機(jī)質(zhì)量，節(jié)約機(jī)組生產(chǎn)成本，降低機(jī)組田間拖移對牽引動力機(jī)的功率要求，取得節(jié)能減排的效果。

2.2.3 開發(fā)自走式噴灌機(jī)田間規(guī)劃軟件 自走式噴灌機(jī)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，然而，隨著大田灌溉作業(yè)范圍的擴(kuò)大，出現(xiàn)大田灌溉作業(yè)管理問題及作業(yè)質(zhì)量監(jiān)管問題。由于缺少有效的灌溉調(diào)度及管理手段，導(dǎo)致機(jī)組配置不合理，降低了大田灌溉作業(yè)效率，影響了灌溉作業(yè)質(zhì)量，帶來了水資源的浪費(fèi)。自走式噴灌作業(yè)的影響因素較為復(fù)雜，因此，在機(jī)組選型和示范推廣時需要綜合考慮土壤、地形、水源、作物、氣象、動力、機(jī)型等因素。目前，噴灌機(jī)應(yīng)用過程中還存在選型不合理、灌溉技術(shù)參數(shù)不科學(xué)、節(jié)水節(jié)能不顯著、投資與運(yùn)營成本偏高等缺點(diǎn)，尤其在多機(jī)組多水源聯(lián)合供水時表現(xiàn)得尤為明顯。因此，有必要開發(fā)自走式噴灌機(jī)田間規(guī)劃軟件，搞好工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高用戶管理水平，為用戶提供高質(zhì)量的噴灌作業(yè)服務(wù)，最大程度地利用農(nóng)機(jī)資源，提高機(jī)組運(yùn)營效率，降低后期運(yùn)行成本。

2.2.4 開發(fā)低能耗大田微灌系統(tǒng)系列化產(chǎn)品 傳統(tǒng)微灌系統(tǒng)首部工作系統(tǒng)配套功率大，導(dǎo)致微觀系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用高，一次性投資大，限制了微灌在大田作物上的應(yīng)用。現(xiàn)有的重力灌溉系統(tǒng)使用傳統(tǒng)滴灌管網(wǎng)，首部工作壓力小，只適于溫室大棚及小塊農(nóng)田使用。通過大口徑低壓力調(diào)節(jié)器、低壓施肥裝置性能改進(jìn)，開發(fā)低能耗大田灌溉系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)行費(fèi)用和一次性投資的目，且有節(jié)能作用。再通過灌溉制度軟件開發(fā)與應(yīng)用，可以有效指導(dǎo)農(nóng)戶實(shí)施精準(zhǔn)灌溉，從而拓寬微灌系統(tǒng)大田作物應(yīng)用范圍，提高微灌系統(tǒng)的使用效能。

2.2.5 研發(fā)智能化自走式噴灌機(jī) 大田灌溉作業(yè)工況條件復(fù)雜，傳統(tǒng)大田噴灌管理需要看天看地看作物，勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低。近年來，智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，智能化自走式噴灌機(jī)作業(yè)裝備的研發(fā)成為農(nóng)業(yè)裝備研究焦點(diǎn)之一?？蓪πl(wèi)星拍攝圖片、航拍圖片及農(nóng)田其他設(shè)備拍攝照片進(jìn)行智能識別，通過人工智能和深度學(xué)習(xí)分析這些圖像信息，從而對該地塊的作物水分需求做出精準(zhǔn)預(yù)測，實(shí)施精確噴灌作業(yè)。實(shí)踐證明，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于大田噴灌作業(yè)，以全過程智能化管理、精準(zhǔn)化作業(yè)為核心，通過大數(shù)據(jù)指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)本、高效、精準(zhǔn)，構(gòu)建大田種植數(shù)字化管理模式，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中運(yùn)用節(jié)水灌溉技術(shù)，對提高灌溉效率、節(jié)約灌溉用水、推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起著重要作用[4]。我國北方農(nóng)業(yè)發(fā)展在國家糧食安全戰(zhàn)略中具有重要地位，加強(qiáng)節(jié)水灌溉技術(shù)研究及推廣應(yīng)用，是推動北方農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。噴灌是一種被廣泛應(yīng)用的節(jié)水灌溉方式，在我國北方具有廣泛的應(yīng)用前景。通過大田自走式噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，可全面提升我國北方節(jié)水技術(shù)裝備水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水高效利用，推動我國農(nóng)業(yè)灌溉用水由粗放式向節(jié)約型轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，為保障我國糧食安全提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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Discussion on Water-Saving Irrigation Technology in Northern Farmland

GAO Hongjun

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： Agricultural irrigation water directly affects food security and economic security in China. This paper introduces the present situation of agricultural water and water-saving irrigation in China， analyzes the research direction of water-saving irrigation technology， focuses on self-propelled circular sprinkling irrigation and technology integration research， self-propelled sprinkler field planning software development， low-energy field micro-irrigation system series product development， intelligent self?propelled sprinkler research and development and other fields， so as to improve the level of water-saving technology and equipment in northern China， and realize efficient use of agricultural irrigation water.

Key words： water-saving irrigation; agricultural water; self-propelled sprinkling irrigation system; technology; discussion