喷微灌技术现状及未来发展重点

2012-07-12龚时宏李久生李光永

中国水利 2012年2期

关键词：微灌灌水灌溉

文／龚时宏，李久生，李光永

喷微灌技术发展现状

1. 喷微灌区域分布及模式

喷微灌（微喷灌、滴灌）技术在节水灌溉技术中占据重要地位。据不完全统计，我国大陆目前喷微灌面积分别达到266.67万hm2和120万hm2，分别占有效灌溉面积的4.8%和2.1%，占节水灌溉工程面积的12.5%和5.6%。

目前我国已形成的微灌技术应用模式为：长江以南以大棚微灌为主（提高作物产量和品质，降低田间劳动强度），其次为果树微灌；山东、东北、华北地区为温室蔬菜、果树微灌并重；西北地区以棉花、果树为主，其次为荒漠化治理、荒山和道路绿化。

已形成的喷灌技术应用模式包括：大田粮食作物半固定喷灌系统、经济作物固定式喷灌系统、草地及规模化经营的大型机组式喷灌系统、山丘区轻小型机组喷灌系统、园林绿地固定式（自动化）喷灌系统。

2.喷微灌设备

随着技术的发展，我国喷微灌设备取得了长足的发展。

（1）对微灌设备总的评价

微灌产品门类和系列基本配套，基本可满足各类用户的需要，质量得到了较大幅度的提高（与20世纪90年代以前比较），一些产品的研制成功，在国际学术界和工业界已产生较大反响。

（2）对喷灌设备总的评价

研制生产了PY系列喷头，有近20种型号，但由于耐久性、可靠性及制造工艺、成本等方面的原因，目前应用越来越少；自主开发了全射流喷头，具有10多种型号，但由于射流元件易损耗、射流导向小孔易堵塞，实际生产中未大量应用；引进技术生产的ZY系列喷头，是目前农田喷灌的主流产品；研制生产了系列中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机，引进技术生产了系列卷盘式喷灌机组；研制生产了系列小型汽油、柴油喷灌机组。

总体而言，从量上讲，喷微灌设备可满足发展的需要，但还存在设备水力性能有待提高、系列化程度不高等问题。

技术发展趋势及存在的问题

1.微灌技术

(1）家庭小型微灌系统在促进农业发展中的作用已受到人们普遍关注

家庭小型灌溉系统也称重力滴灌，控制面积1～2亩(0.067～0.133hm2)，工作水头1～2m，水源可以是水桶、水箱等，能有效利用非常小的水源，适合于我国农村土地承包经营的特点，在一些地方得到推广应用。但存在系统设计（灌水均匀度、灌水量等）和适宜的灌水器品种少等问题制约。

（2）地下滴灌技术已成为研究热点

地下滴灌有其他灌水方法无可比拟的优点，可利用污水灌溉、没有地表大田滴灌带回收和铺设问题两大优势已成为采用地下滴灌的两个主要原动力。地下滴灌已成为近几年世界各国科学家研究的热点，并取得了很大进展。新疆已开展了地下滴灌的规模应用，但所用设备大多为进口设备，单位投资较大，且应用技术研究不充分，目前大规模萎缩。

根系堵塞及鼠害问题是影响地下滴灌系统进一步推广应用的主要制约因素之一。

（3）微灌已成为一项具有保护自然环境功能的灌水技术

众所周知，微灌不仅可以提高肥料和农药的使用效率，减少化学物质的施用量，有效防止地下水污染，同时还可以利用污水(地下滴灌)或微咸水灌溉，并且在防止沙漠化、生态改良等方面也具有重要作用。

（4）滴灌带来的环境恶化问题已引起人们重视

出于经济目的，滴灌带越来越薄，使用寿命一季或两季，这是世界大田滴灌的趋势。目前滴灌带来的环境问题已引起用户关注，部分农民已认识到问题的严重性。如何回收和再利用废旧滴灌带是值得深入研究的课题。

（5）微灌设备系列化、可靠性问题越来越受到重视

灌水器是微灌系统的核心部件之一，目前世界先进制造公司或厂家具有较完善的系列和可靠性，而我国目前具有完全自主知识产权的灌水器不多，究其原因，其一，缺乏相应的设计理论指导，滴头的设计与研发已成为阻碍国内企业与国外厂商竞争的主要因素。其二，在配套设备如过滤器、注肥装置、控制调节装置、自动控制设备等方面存在技术水平较低、系列化不足等问题。

2.喷灌技术

（1）低压低能耗喷灌技术受到重视

随着能源日趋紧张，发展低压喷灌已成为一种趋势，如美国部分地区应用表明，将高压喷头换为工作压力为0.245MPa的低压喷头，每喷洒1000m3的水可节省能耗9.6美元。目前许多国家致力于低压喷灌系统的研制开发，低能量精确灌溉（LEPA）是当前的代表。该技术利用大型喷灌机，通过从喷灌装置臂上向下延伸到作物的管道将水供给作物，除喷灌机外， LEPA系统还包括小射程大流量低压喷头、低压压力流量调节器等关键设备。采用LEPA技术可使水利用效率达到88%～98%。目前我国也已开始研究及应用。

（2）综合利用清洁能源越来越受到青睐

开辟新能源利用，如风能、太阳能等，就喷灌而言，最有利用前途的是风能。美国、澳大利亚等国家开始利用风能灌溉，美国大平原地区有1.2亿亩（0.08亿hm2）的灌溉面积，在20世纪末有一半采用了风力泵；德国在卷盘式喷灌机上开始使用太阳能。在我国，山东新泰市风龙王设备有限公司研制生产的风力提水系统扬程为10～40m，流量2～8m3/h，中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所开发的风力提水灌溉系统扬程最大可达40m，流量最大可达10m3/h，太阳能提水灌溉系统扬程15～30m，流量5m3/h，可应用于小型灌溉系统。

（3）大型机组单机控制面积逐步扩大，机组日趋轻型化

国外为提高喷灌机的生产效率，减少设备投资，节省劳力和运行管理费，努力扩大单机控制面积，如美国内布拉斯加州乐克得公司研制了一种中心支轴式喷灌机，由30个塔架组成，长1182m，控制面积437.07hm2。在扩大面积的同时，尽力提高机组的适应能力，喷灌机组的爬坡能力由6%提高到30%；桁架也由过去的钢结构发展为铝合金结构，机架重量减轻60%。我国目前机组塔架长一般为300～400m，多为钢制。

3.喷微灌自动控制及精准灌溉技术

（1）自动化设备集成化及智能化程度越来越高

从最早的水力控制、机械控制，到目前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度、智能化程度及可靠性越来越高，操作也越来越简便。如以色列近年开发的可编程逻辑控制器（PLC），通过把不同网络连接到主机上进行数据采集和处理；开发的现代诊断式控制器，通过不同的传感器采集信息，通过Internet 网、远程控制、GSM等来实现数据传输，然后通过计算机处理信息，作出灌溉计划。

（2）新的控制理论得到广泛应用

由于人工智能技术的发展，新的控制理论得到广泛应用。例如用专家系统、模糊逻辑、神经网络来预测和建模，使得控制器能更及时、准确地预测环境参数，同时控制这些参数使其更适于作物生长。这些系统一般以土壤湿度传感器测土壤水分，通过自动气象站估算出作物的蒸腾量，然后把这两个信息经模糊化后输入到模糊控制器，经模糊决策得出模糊输出，传送给执行机构，控制电磁阀动作，如果该控制不能得到满意的结果，还可以通过神经网络来优化控制。

（3）传感器设备系统化，控制执行机构系列化、省能化

目前自动灌溉系统使用的各类传感器（土壤水分、温度、压力、水位、雨量、作物生理指标等）已系统化，控制阀（水动阀、电磁阀等）已形成系列。同时在自动控制器、自动控制闸门中广泛使用太阳能等自然能源。

变量精准灌溉技术是目前国际上最先进的灌溉技术，可针对农田中不同区域和作物种类，控制不同量的灌溉水、化肥和农药（除草剂）等，已进入生产实际应用。一些单位也开展了相关技术研究，但总体而言由于缺乏信息采集设备和变量灌溉控制设备（变量喷头、变量供水设备、压力调节器、肥或药变量供给设备、定位设备、控制设备）等，技术尚不成熟。

喷微灌技术发展重点

1. 高效微灌技术体系

高效微灌技术体系适应低压微灌发展方向，是以系统设计及管理技术为支撑、以高效低压微灌设备为手段、以生产技术为基础构造的一体化技术集成体。

在新材料应用、水力学机理、材料力学、机电一体控制等研究的基础上，借助计算机模拟仿真技术、流体可视化技术、过程控制和模拟技术、新材料添加复合技术、先进机械制造技术等开发低压微灌设备；利用计算机技术、地理信息系统（GIS）等研究低压微灌的设计理论和方法。

涉及的技术研究与产品研发内容包括：

（1）大田高性能低压微灌系统

研制适合低压的高水力性能（抗堵性能、均匀性能）、低流态指数（具有较强的压力补偿功能）的滴灌灌水器；低压廉价管材；低压配套设备，包括低压压力调节器、低压施肥系统、低水头损失过滤器等；研究低压滴灌系统优化设计理论和方法。

（2）大田高性能地下滴灌系统

研制适合大田的高性能（抗堵性能、均匀性能）地下滴灌专用灌水器及配套技术（包括流道设计、灌水器异形出水口打孔技术和设备）；针对不同作物及区域特点，选取合理的施药制度（目前主要采用treflan）防止根系堵塞的发生；开发系统配套设备（过滤、排气、冲洗、控制设备等）、毛管埋设机具等；研究地下滴灌设计理论及运行管理技术等。

（3）中水园林绿地地下微灌系统

研制适用于城镇中水园林绿地地下灌溉的微灌灌水器、适合中水特点的过滤设备、灌溉控制设备等；研究系统设计理论及管理技术等。构建中水园林绿地地下微灌系统，具有可充分利用城市污水资源、不对环境造成二次污染等特点。

（4）温室地下负压网精量微灌系统

研制适合温室的地下负压网微灌灌水器、控制器等；研究系统设计理论及运行管理技术等。构建温室地下负压网精量微灌系统，具有水肥精量、适合作物倒茬等特点。

（5）适合微型水源的可移动集成微灌系统

研制适合西部及山区微型水源的提水机具、微灌设备（大流量微灌灌水器、经济型小口径耐压管材、微型小水头损失的过滤设备、移动设备）等。构建适合微型水源的可移动集成微灌系统，具有机动、灵活，适合分散微型水源应用的特点。