刘俊萍，朱兴业，袁寿其，李红，汤跃

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

近年来全球气候异常，旱灾和洪涝频发，中国水资源严重短缺，时空分布不均.习近平总书记提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”十六字治水方针和农业要节水化的新思想[1].《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出坚持节水优先，完善水资源配置体系，国家水网骨干工程主要包括重大引调水、供水灌溉和防洪减灾[2].农业是用水大户，占全国用水总量的62.1%[3].截至2020年底，中国耕地面积约1.35亿hm2，农田有效灌溉面积0.68亿hm2，节水灌溉面积0.38亿hm2，高效节水灌溉面积仅0.23亿hm2，农田灌溉水有效利用系数为0.565[3].可见，农业节水潜力巨大，迫切需要研发和推广适用的高效农业节水灌溉装备与技术.因此，发展节水灌溉是国家一项战略任务，而研发节能节水灌溉装备则是重要保障.

《国家节水行动方案》提出要推广喷灌、微灌、滴灌、低压管道输水灌溉、集雨补灌、水肥一体化、覆盖保墒等技术，加强农田土壤墒情监测，实现测墒灌溉[4].《农业农村部关于加快发展农业社会化服务指导意见》提出中国不可能在短期内通过流转土地搞大规模集中经营，要将先进适用的技术、装备和组织形式等有效导入小农户生产[5].指出了中国大国小农的基本国情农情.因此，如何适应中国的国情农情，农业节水灌溉装备迎来挑战与机遇.

喷微灌是主要农业高效节水灌溉技术，在农业生产及抗旱减灾中发挥着重要作用.中国各省(区、市)“十三五”期间高效节水灌溉工程建设任务中喷灌面积占全国高效节水灌溉面积20.74%，其中，在中国东北地区占49.7%，华北地区占22.5%[6].中国微灌面积占全国高效节水灌溉面积39%左右，西北、西南、华北等地占比较大[7].发展喷微灌是实现高效节水农业的重要途径.

1 喷微灌装备现状

喷灌设备中，大型喷灌机包括平移式和中心支轴式，中小型喷灌机包括滚移式、卷盘式和轻小型喷灌机.主要的类型及特点如表1所示.

表1 主要喷灌机类型及特点Tab.1 Types and characteristics of main sprink-ler irrigation machine

国外大型喷灌机应用较为广泛，主要厂家有美国的Valley、奥地利的Bauer等.中国大型喷灌机经历了从无到有，从有到产业化的历程，主要厂家有中国农机院现代农装科技股份有限公司、沧州华雨灌溉设备有限公司等[8].大型喷灌机的机械化程度高，作业效率高，适合大规模集中连片地块.但当控制面积较小，例如中国东北地块间设有防风林时，大型喷灌机无法施展或实施成本高.同时，中国水资源分布复杂，在一些干旱缺水地区地下水源不丰富，一台喷灌机需要多台机井供水，多井汇合、多泵并联，容易超采地下水[9-10].国外卷盘式喷灌机的应用在欧洲较多，生产主要集中在意大利、法国和奥地利等国，如意大利的CASELLA公司等[11].国内销量较大的企业主要在江苏，如江苏华源节水集团股份有限公司等.中小型喷灌机适合了中国大国小农的基本国情，适应大中小不同地块、市场占有率最大[12-14].而面广量大的卷盘式喷灌机及轻小型喷灌机还存在智能化程度不高、整机效率低、工况适应性较差、系列化程度不足、缺少绿色动力、组合模式单一等问题[15].

微灌设备包括灌水器、过滤设备、水肥一体化设备及精量控制系统等，其中灌水器是关键部件，经历了孔口式、涡流式、微管长流道式、透水毛管、螺纹长流道式、迷宫流道式、压力补偿灌水器等发展过程，形式越来越多[7].对灌水器抗堵性能的提升研究也有了明显的效果.但在中国西北等地区受水资源约束的限制，为了发展节水农业，直接引用高含沙黄河水进行灌溉，黄河水泥沙浓度高达3.7～26.5 kg/m3，灌水器不同水质下的抗堵性能还需进一步加强，选型配置尚需优化[16].高性能的压力补偿式滴头还主要依赖进口，硅胶类PC滴头难以回收利用[17].微灌水肥一体化系统的智能决策的精准算法还需进一步研究，系统的实用性和可靠性有待提高[18-19].

针对上述问题，“十三五”以来，中国农业节水喷微灌装备方面研发了一些新技术与新装备，文中主要对“十三五”以来取得的部分新进展进行分析.

2 研究进展

2.1 大型喷灌机

大型喷灌机的智能化程度较高，开展大型喷灌机相关技术与产品研发的主要单位包括中国农业机械化科学研究院、中国农业大学、中国水利水电科学研究院、江苏大学、西北农林科技大学、中国农科院农田灌溉研究所等.中国大型喷灌机装备方面的研究主要有变量技术、自主控制技术、喷头配置等方面.

赵伟霞等[9]对大型喷灌机的变量灌溉系统建立方法、变量灌溉管理分区方法、决策支持系统等方面对变量技术进展进行了较为全面的分析，近年来对变量技术的研究取得了较多显著的成果.在大型喷灌机的喷头配置方面，采用国外的低压喷头较多，例如Nelson公司的D3000，R3000和Senninger公司的LDN，i-Wob等.赵伟霞等[20]对圆形喷灌机喷头安装高度对灌水质量的影响进行研究，提出了保证喷灌均匀性和灌水深度情况下根据作物高度调整喷头安装高度的建议.LIU等[21]对大型平移式喷灌机通过不同的喷头配置实现区域变量灌溉进行了研究.针对单井水量不足的问题，张云龙等[22]在圆形喷灌机入机处设计安装了两井泵汇流装置，用来调节大型喷灌机的流量和稳定水压.在大型喷灌机的自主控制方面，严海军等[23]开发了一套基于北斗技术的圆形喷灌机尾枪定位系统，该系统应用北斗卫星定位技术和RTK实时动态定位技术实现尾枪的高精度定位.孟令刚等[24]对大型平移式喷灌机分布式级联协同导航控制方法进行研究，减小喷灌机以不同速度协同导航行走时的航向偏差.大型喷灌机采用的低压喷头大部分依赖进口，中国对大型喷灌机低压喷头的研究主要以引进、消化、吸收、改进为主.例如，张以升[25]针对大型喷灌机的非旋转折射式喷头进行优化，改进喷头低压下喷洒的水力性能.

总体上，中国大型喷灌机的研发在技术上取得了显著进步，在自主导航控制技术、变量技术等方面与国外的差距越来越小，在高性能低压喷头方面还需加大研究力度，实现大型喷灌机高性能低压喷头的国产化.

2.2 卷盘式喷灌机

卷盘式喷灌机符合中国的国情农情，因此，国内卷盘式喷灌机在实现智能化软件开发、水涡轮优化、机理研究等方面进行了较为系统全面的研究.开展卷盘式喷灌机相关研发工作的主要单位包括江苏大学、中国农业大学、西北农林科技大学等.卷盘式喷灌机驱动及传动机构是提升机组效率及降低能耗的主要部件，也是技术核心.黎耀军等[26]对JP75卷盘式喷灌机水涡轮进行了结构优化.李丹等[27]对卷盘式喷灌机牵引装置油光互补供电系统进行了优化配置研究.汤玲迪[28]分别对卷盘式喷灌机水涡轮结构、模型建立、产品研发等方面进行了系统研究，揭示了驱动水涡轮内流损失机理，掌握了影响效率的关键因素，优化了水涡轮结构等，提高了整机效率，与江苏华源节水集团股份有限公司合作联合开发了新型水涡轮、永磁电动机和液压马达3种动力的系列产品，如图1所示，已在中国黑龙江、河南、河北等多省得到广泛应用，并大量出口至国外.在卷盘式喷灌机实现精准智能化方面，GU等[29]针对卷盘式喷灌机智能化程度低问题，构建了以气象因子感知、根区水质实时决策的物联网卷盘式喷灌机智能精准灌溉系统，建立了以根系土壤含水率为综合因子的灌溉决策方法及云平台软件系统.

图1 智能化卷盘式喷灌机系列

同时在“十三五”期间，针对中国西北黄土高原农区耕地面积少、田块小、不连片、多种作物交叉种植、风大、水资源匮乏特点，研发了自动折叠桁架卷盘喷灌机[30]，如图2所示，解决了折叠桁架伸缩运动难预测问题，提高了折叠桁架运动稳定性.

图2 自动折叠桁架卷盘喷灌机Fig.2 Automatic folding truss reel sprinkling irriga-tion machine

卷盘式喷灌机根据中国的区域特性，基本实现了智能及精准化，但高端卷盘式喷灌机的核心部件如液压驱动部件等还处于起步阶段，在智能决策模型的精度方面还有待进一步的提高.

畲族民歌除上面提到的叙事歌、小说歌、传统山歌和现代山歌以外，还有大量的谜歌、字歌、儿歌等一类用于教育子女增进知识的题材，如《畲族童歌》、《牧羊姑娘》等。这些丰富的童谣歌曲可以适当在我校学前教育专业推广，成为我校的特色课程。

2.3 轻小型喷灌机组

轻小型喷灌机组是中国1种比较有代表性的机组，适应中国农村发展的需要，受到农户欢迎.在轻小型喷灌机组新能源利用及多功能性的研究新进展主要有以下几个方面：

针对中国的电力不充沛地区，太阳能光伏喷灌系统具有一定的市场前景.谈明高等[31]研发了全光照无蓄电池光伏水泵灌溉系统，提出了光伏水泵多工况优化设计方法，实现了太阳辐射强度复杂变化条件下出水量的准确预测.刘俊萍等[32]研究了太阳能喷灌系统的光照强度对系统水力性能的影响，对太阳能喷灌系统在中国不同地区的喷头进行了优化配置.吴普特[33]研发了太阳能驱动的卷盘式和平移式喷灌机组，以及对光伏驱动的轻小型喷灌机组的转向机构控制系统进行设计等.上述的研究是光伏技术与喷灌技术的有机结合，符合中国绿色农业发展的趋势，取得了初步成效，但在成熟应用上还有较长的一段路要走，其核心问题为光伏转换效率较低、组件价格相对较高、光伏喷灌系统的稳定性不够，设备的多工况设计理论及科学的系统配置尚需完善.

在轻小型喷灌机组的多功能性方面，江苏大学做了较多的开发，例如：为解决圆形域组合喷灌存在的超喷、漏喷和能耗高的问题，采用变频调速技术，创建了方形域组合节能喷灌模式，建立了一种方形域变频机组，针对方形域变频机组喷头喷洒起落点不一致的问题，构建了精确开环控制方法及控制器，发明了喷头精确定位装置.该机组在园林及庭院等场合具有一定的应用前景.同时，为了满足轮作、倒茬等同一地块多种作物的灌溉需求，针对喷灌、滴灌不同运行工况，采用多工况水力设计方法，发明了喷滴灌两用泵，实现了在喷灌、滴灌2种工况下高效运行，研发了喷滴灌两用机组，如图3所示，提出了喷滴灌两用机组优化方法，单位能耗降低9.4%.

图3 喷滴灌两用机组Fig.3 Dual purpose sprinkler and drip irrigation

朱兴业等[34]研发了1种新型轻小型平移式喷灌机组，对桁架结构、洒水车、控制系统等部件进行设计，该机组轻便灵活、连接拆卸迅速、跨数可调整，如图4所示.在上述研究基础上，对轻小型平移式喷灌机组进行智能化开发，提出了基于农田作物的需水规律控制喷灌车行走速度的决策方法，实现智能化精准灌溉.

图4 新型轻小型平移式喷灌机组Fig.4 New light and small translational sprinkler irrigation unit

中国轻小型喷灌机组由于形式上实现机械化存在弱点，但在固定式喷洒的精准智能决策方面进行了技术攻关，实现了基于气象感知的智能化控制.在产品的多功能性开发方面研制了多款适应于中国不同灌溉需求的多功能轻小型喷灌机组.中国土地及作物多种多样，绿色能源的高效利用、节能减排技术方面还有待进一步的加强.同时，研发更多的适应于不同作物及地形地貌的多功能喷灌机组形式是发展趋势.

2.4 低压喷头

低压喷灌是降低喷灌系统能耗的重要途径，研发低压喷头是发展低压喷灌的关键技术之一.近几年在低压喷头的研发方面，取得了初步成果.

中国的大中型喷枪还主要以进口及仿制国外产品为主.低压喷洒技术还没有在长射程喷头上进行验证.在中长射程喷头方面，为解决普通喷头低压下射程短和均匀性不高的问题，江苏大学分别以反作用式、射流式及摇臂式喷头为基础，设计了3种低压喷头.一种为低压散水齿喷头[35]，如图5所示，设计了新型间断式散水齿、空间流道、异形喷嘴等创新结构，与国外NelsonR33喷头相比，低压下组合均匀性平均提高了27%.一种为中国独创的外取水射流喷头[36]，如图6所示，设计的外取水结构使低压工况下组合均匀性明显提高.另一种为掺气摇臂式喷头[37]，采用掺气的方法降低了摇臂式喷头的工作压力，扩宽了摇臂式喷头的工作压力范围.

图5 低压散水齿喷头

图6 外取水射流喷头

低压喷头目的为扩宽喷头的工作压力范围，使喷头在变工况下运行均保持良好的水力性能.中远射程喷头的低压喷洒技术理论体系还不够完善，在远射程喷枪实现低压均匀喷洒方面还有待进一步的研究.

2.5 多功能喷头

在喷头多功能性实现方面，针对中国新疆红枣作物高温、干燥喷雾加湿与降温的需求，朱兴业等[38]设计了可调缝隙式喷嘴结构，研发了1种新型缝隙式低压雾化喷头，解决了低压、小流量、雾化喷洒的技术难题，改善小气候.

针对中国棚架作物的种植特点以及灌水、喷药要求，张晴[39]发明了1种水药两用喷头，实现了低压工况灌水、中高压工况喷药的双重功能.

针对果树的灌水需求，朱德兰等[40]建立了微喷灌与陶瓷渗灌互补的灌溉模式，研发了伸缩式微喷头.

这些多功能喷头的研发，实现低压雾化、水药一体化、渗灌微喷互补等功能，丰富了喷微灌等喷洒模式.中国针对具体作物及地域特点开发新型灌溉模式及适用装备还不够，种类还不够丰富，系统性研究还有待进一步加强.

2.6 滴灌装备

针对滴灌易堵塞问题，中国学者长期以来进行了诸多研究，对现有灌水器进行了结构改进，并研发了一些新装备.例如，王新坤等[41]应用射流附壁与换向产生的脉冲技术，开发了同向毛管射流三通、双向毛管射流三通，形成了脉冲滴灌技术，提高了抗堵性能，当同向毛管射流三通和双向毛管射流三通同时使用时抗堵效果更佳.刘露等[42]对适应于黄河水滴灌的灌水器进行筛选研究，建立了面向不同灌溉作物的滴灌带产品选择方法.侯鹏等[43]研究了内镶贴片式灌水器结构-淤积泥沙特性-堵塞特性参数间的关系，为灌水器的抗堵性能结构改进提供支撑.针对滴灌带重复回收利用的市场需求，牛文全等[44]研制1种经济环保、成型工艺简单、水力性能及抗堵塞性能优良的一体化压力补偿式滴头，利用TPE代替传统硅橡胶弹性片，实现降低回收利用成本的目的.采用PE材料复合技术，研制出具有压力补偿功能的微孔薄壁滴灌带，解决了负压吸泥和作物根系入侵堵塞问题，成本下降25%以上.李云开[45]研发了小型自清洗灌水器、低压渗透过滤器等产品，建立了低碳环保型滴灌综合技术体系.开发了微纳米气泡发生器、移动式水肥气一体机及一体化调控滴灌系统.

这些滴灌灌水器、滴灌带等产品一定程度上提高了抗堵塞性能，但产品的制造上还存在一定的问题，如工艺性、加工精度、灌水器的膜片材料等方面还需进一步的改进.

过滤器是滴灌系统的关键装备之一，砂石过滤器、离心过滤器和网式、叠片过滤器品种规格已相对较多，在过滤不同水质时常常采用不同类型过滤器相组合的方式.目前较多的为对过滤器针对不同工况下的具体需求展开研究，例如，针对复杂灌溉水质对大流量过滤器的需求，李盛宝[46]创建三层滤网复合结构，研发了大流量复合网式过滤器，过滤周期较长，过滤精度较高，解决产品能耗高、过滤效率低的问题.

针对微灌系统水流精量调配需求，张晓斌等[47]设计出阀门体+感应体的阀体结构，研制出精量调配设备，流量调节精准度高达81.5%～99.5%.雷宏军[48]设计出循环曝气的水气高效耦合系统，研制了水气耦合灌溉装备及其自动控制系统，解决掺气比率低、出气不均匀的难题，曝气比例由12%增加至30%.

微灌系统的过滤器、控制调节装置、自动控制设备等配套设备还存在系列化程度低等问题.针对不同区域及作物下的灌溉模式，进行合理配套，是今后微灌技术与设备的发展趋势.

2.7 水肥一体化装备

目前常用的水肥一体化施肥设备有文丘里施肥器、比例施肥泵、压差施肥罐、智能施肥机及柱塞泵等，国内对上述设备进行了较多研究，基本实现了国产化.例如：汪小珊等[49]对泵注式施肥装置柱塞泵、射流器等进行了系统研究，完成了方便用户使用的产业化开发.智能施肥机国内发展较为迅速，用户需求量较大，缺点是控制系统的精度不够，决策模型不够实用.高性能的比例施肥泵目前还主要依赖进口，如法国Dosatron、以色列Mixrite公司等.在国内，汤攀等[50]掌握了比例施肥泵吸肥腔单向阀等参数对水力性能的影响规律，降低了阀芯后端旋涡强度，相比国内同类产品，施肥精度有所提高.除了上述设备以外，针对固体肥料的水肥一体化施用，张志洋等[51]研发了2种基于溶解混施功能的水肥一体化装置，如图7所示.泵入式精准混施装置应用于灌溉系统首部，自流式精准混施装置应用于灌溉系统末端.精准水肥混施装置可同步进行固体肥添加、肥料溶解和注肥，且实现了施肥浓度的自动调节.刘俊萍等[52]研发了1种蠕动泵注肥配肥装置，构建了蠕动泵配肥注肥的智能系统.同时针对蠕动泵回流问题进行结构优化，降低了蠕动泵回流程度，提高了注肥配肥精度.

图7 精准水肥混施装置

3 发展趋势及思考

2021年陆续发布的《农业农村部关于加快推进农业机械化转型升级的通知》[53]等文件指出：十四五期间，推进农业机械化、智能化，由耕、种、收环节向全过程发展，由平原地区向丘陵山区扩展.推进农机农艺融合、机械化信息化融合、机械化生产与农田建设融合、补齐短板.推进中国排灌装备产业转型升级.“十三五”期间农业现代化化肥农药使用量零增长行动取得明显成效[54]，“十四五”时期，将深入推进化肥农药减量行动：集成组装一批化肥农药减量增效技术模式，重点推广水肥一体化等技术；推进统防统治与绿色防控融合，积极推广先进施肥施药机械，加快替代落后机械.“十四五”规划纲要[2]提出：力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，支持节水、节能、减排等先进技术.

灌溉装备发展趋势为节能节水化、智能化、区域模式化及标准化.灌溉装备需优先发展方向，攻克关键共性技术，研制重点产品，主要有以下几个方面：

1) 灌溉装备节能降耗关键技术研究.开展大型灌区排灌泵站的节能改造，提高系统效率，降低能耗水平.开发低压喷灌、低压滴灌及低压管灌技术及装备，降低系统能耗.研制生态友好型轴流泵、高效大流量高扬程大型离心泵等.

2) 丘陵山区农业灌溉装备与技术模式.研发丘陵山区集水、供水、水资源优化调度等装备，建立多种丘陵山区抗旱补灌灌溉模式，开发微灌、喷灌系统压力调控装备.研制低能耗多工况高扬程提水泵、应急管网系统等新型灌溉排水移动泵站，满足丘陵山区应急抢险环境下的供排水需求.

3) 盐碱地灌排控盐技术与装备.针对中国土壤盐化问题，集成水盐测墒技术，提升灌溉装备智能化水平，实现灌溉系统节水抑盐智能调控、水肥协同调控，开发盐碱地节水抑盐灌排装备，提高中国中低产田的生产能力.

4) 水肥药一体化及绿色防控技术与装备.集成水肥信息、病虫害防控监测技术，研究在线精量配肥、配药和灌溉、施肥、施药方法，优化田间灌溉管网布置，开发不同作物滴灌、喷灌水肥药精准管控决策模型及装备.

5) 智能化精确灌溉装备.提高灌溉装备的智能化水平，进一步降低大中型喷灌机和喷头运行压力与能耗，提高微灌系统的抗堵塞性和可靠性.

6) 绿色多源互补模式和非常规水资源节水灌溉装备.开发低水头、生态型、微型抽水蓄能装备、大功率低成本太阳能光伏系统等能源互补的能源微网节水灌溉装备系统，形成综合配套的清洁能源节水灌溉技术模式.开展养殖污水等非常规水资源灌溉利用技术及装备.