中国节水灌溉装备发展现状、 问题、趋势与建议

时间：2022-04-13 10:31:57 所属分类：农业工程 浏览量:

21 世纪以来，连续 11 个中央 1 号文件和中央水利工作会议，都要求把节水灌溉作为重大战略举措，在中央和地方一系列政策措施出台和不断加大投入的情况下，中国节水灌溉发展进入前所未有的快车道，产、学、研水平不断得到提升. 截至 2013 年底，中国高效节水灌溉面积为

　　21 世纪以来，连续 11 个中央 1 号文件和中央水利工作会议，都要求把节水灌溉作为重大战略举措，在中央和地方一系列政策措施出台和不断加大投入的情况下，中国节水灌溉发展进入前所未有的快车道，产、学、研水平不断得到提升. 截至 2013 年底，中国高效节水灌溉面积为 1. 43 × 107 hm2 ，其中喷灌为 3. 00 × 106 hm2 、微灌为 3. 87 × 106 hm2 、低压管道输水为 7. 40 × 106 hm2 ; 农田灌溉水有效利用系数提高到 0. 52，单方灌溉水粮食产量增加到 1. 75 kg，肥料、农药利用率提高了 5% ～ 20% ; 提高了技术集成、机械化、专业化生产经营程度，促进了农业规模化、集约化和现代化; 带动了节水产业迅速发展，企业数量激增，全国生产节水灌溉设备和材料的厂家已有 2 000 多家，形成了年生产 2. 00 × 106 多 hm2 节水灌溉设备和材料的供应能力[1]，在规模上基本能满足中国喷、微灌发展的需要，但是，自主研发能力较弱，在技术性能、产品质量、可靠性和稳定性等方面，与国际先进水平相比，还存在较大差距.

　　1 发展现状、存在问题及发展趋势

　　1. 1 喷灌装备 1. 1. 1 喷头 1. 1. 1. 1 国内外发展现状 1) 国外发展现状喷头是喷灌机组( 系统) 的关键部件，1933 年美国 Rainbird 公司成立并制造出世界上第 1 只摇臂式喷头，标志着喷头技术的开始. 到目前为止，国外喷头品牌、种类规格较多，主要分为以下几类: 弹出式喷头，包括弹出固定式喷头、弹出摇臂旋转式喷头、弹出齿轮旋转式喷头和弹出远射程喷枪，旋转式喷头，中心支轴大型喷灌机压力调节喷嘴等. ( 1) 弹出式喷头，包括 2 种类型，即弹出固定式喷头和弹出旋转式喷头. a) 弹出固定式喷头: 出口处安装 1 个出口喷嘴，喷嘴设计有各种不同的形式，每一种喷嘴都对应一个特定喷洒形状，例如全圆、半圆或者 1 /4 圆.通过更换喷嘴，同一喷体可以适用于不同土地轮廓形状的有效喷洒，价格便宜、操作简单. 现有弹出固定式喷头，设计工作压力为 0. 1 ～ 0. 2 MPa，喷洒半径为 1 ～ 5 m，喷灌强度为 25 ～ 65 mm / h，喷体高度为 5 ～ 50 cm[2]. 为了增强适应性，提高喷头喷洒效率，研制出仰角可以调节的喷灌喷嘴、矩形或者条状形的出口喷嘴、喷灌强度与土壤需求匹配的喷嘴等. b) 弹出摇臂式旋转喷头: 以弧形的模式往地面灌溉单股或者是多股水流，喷射角度为 40° ～ 360°，设计喷洒区域往往大于弹出固定式喷头的喷洒区域，喷洒半径为 6 ～ 50 m，喷灌强度为 2. 5 ～ 40. 0 mm / h. 通常由铜或黄铜制造，成本高于塑料或者齿轮式驱动旋转喷头的成本，弹簧机制需要进行定期的维护，以保证其工作的可靠性. 发展已经到了一个比较成熟的阶段，近年来在结构设计等方面的变化非常小[3]. c) 弹出齿轮式旋转喷头: 封闭体结构设计，防止灰尘和其他杂物堵塞对驱动机构的影响. 每一个喷体有多种不同尺寸型号的系列喷嘴可供选择，满足各种喷洒地形尺寸和喷灌强度需求. 喷洒半径为 6 ～ 20 m，喷射角度为 40° ～ 360°，工作压力为 0. 15 ～ 0. 45 MPa，喷灌强度为 5 ～ 20 mm / h. 具有成本低，运行安静，通用性强等优点.1. 1. 1. 2 存在的问题 ( 1) 喷头基础理论研究深度不够，缺乏系统性.对喷头内部过水流道的流动理论，喷头旋转驱动装置的几何参数与喷头自由射流之间的能量转换特性，摇臂喷头的结构与撞击动力学、全射流喷头的附壁动力学等，还有待深入研究. ( 2) 喷头工作压力偏高，能耗大. ( 3) 喷头喷洒不够均匀，用水效率低. ( 4) 喷头、电动机、水泵、管道等配套不尽合理，导致喷灌装置的效率低，容易造成系统的损坏. ( 5) 喷头自动化、智能化程度不高，造成大量劳动力的浪费. ( 6) 喷头的新材料与新工艺的研究应用比较薄弱. 目前国内喷头仍使用普通铸铁、碳素钢等材料，耐腐蚀性能得不到保障. ( 7) 科研单位与企业间技术交流不足，产学研结合不 够 紧 密，研究成果转化速度缓慢，转 化 效率低. 1. 1. 1. 3 发展趋势 ( 1) 多功能、节能、低压、综合利用等是喷头的发展趋势. ( 2) 开发研制适合中国国情的新型的、具有自主知识产权的喷灌设备，对改变国外产品垄断局面、降低工程造价、促进国内产业的发展具有重要意义. ( 3) 开发节能低压多用途喷头，包括扇形转运喷头、异型喷嘴喷头、抗风喷头、喷灌孔管、与绞盘式喷灌机配套的双摇臂喷头、与大型喷灌机配套的低压雾化喷头、环保绿化用的升降式喷头等.

　　1. 1. 2 大型喷灌机 1. 1. 2. 1 发展现状国外喷灌装备基本以时针式及平移式等大型喷灌机、卷盘式中小型喷灌机为主，轻小型喷灌机为辅. 大、中型喷灌机主要以大田作物为灌溉对象，轻小型喷灌机和固定/半固定喷灌机组以小田块、喷微灌等为对象. 1) 国外发展现状 20 世纪 50 年代初，美国人发明了圆形喷灌机，早期以液压驱动和水力驱动为主，1965 年出现电力驱动圆形喷灌机. 20 世纪 70 年代又出现了平移式喷灌机，可实现矩形地块的灌溉. 圆形喷灌机和平移式喷灌机自动化程度高、灌溉质量好、单机控制面积大，非常适应人多地少地区的农业生产. 国外生产圆形和平移式喷灌机的厂商较多，美国目前主要有 5 家大型喷灌机的生产厂家: Valmont 公司、 Lindsay 公司、Reinke 公司、T - L 公司和 Pierce 公司，其他国家有奥地利的 Bauer 公司、法国的 Irrifrance 公司、意大利的 Irriland 公司等[8]. 20 世纪 70 年代，随着能源的日趋紧张，采用中低压摇臂式喷头灌溉，入机压力有所下降; 20 世纪 80 年代后期，又出现了下悬式低压喷洒器，工作压力更低; 20 世纪 90 年代，又出现了变量精确喷灌技术，能够根据专家决策系统或用户经验输入的基本变量参数，改变或随机变化灌溉系统的结构参数和性能参数，达到实时、精确灌溉的目的.目前，主要有几种变量喷洒方式: 对多个喷头逐步调节，实现喷洒域内的变量喷洒; 设置合理的喷灌机 走 - 停 周 期，实现大型喷灌机的变量喷洒[9]; 采用电磁阀控制喷头流量，实现大型喷灌机的变量喷洒[10]; 根据 DGPS 信号或者无线传输获得的地理信息，采用 PLC 自动控制平移式喷灌机移动，实现大型喷灌机的精确喷灌[11]; 通过微型计算机控制步进电动机工作，从而改变喷嘴处调节杆的位置，实现喷头流量的调节，可实现大型喷灌机精确喷灌[12]. 2) 国内发展现状中国大型喷灌机主要经历了起步阶段( 1976— 1978 年) 、引进和关键部件攻关阶段( 1979—1986 年) 、完善提高与稳妥推广阶段( 1987—1997 年) 、技术创新和产业化阶段( 1998—至今) 共 4 个阶段[13]，主要应用于黑龙江、吉林、内蒙古、辽宁、甘肃、河北和河南等地区. 2009 年以前，大型喷灌机市场需求量较小. 从 2010 年开始，呈快速增长趋势，特别是 2012 年东北四省区增粮行动启动，迎来了前所未有的发展机遇. 据估计，截至 2013 年 10 月，全国大型喷灌机保有量 1. 6 × 104 台左右，灌溉面积达到 4. 87 ×105 hm2 ，占全国喷灌面积的 10% 左右. 国内从事大型喷灌机生产和经营活动的企业有 30 余家，代表性企业有现代农装科技股份有限公司、沧州华雨灌溉设备有限公司、宁波维蒙圣菲农业机械有限公司、大连银帆农业喷灌机制造有限公司、沃达尔( 天津) 有限公司等. 国外品牌和国产设备并存、份额相当，国外品牌质量较好、性能较优、价格较高，国内设备价格相对低. 示范区项目多以国外品牌为主，一般项目多以国产设备为主. 受“三北”防风林带规格限制，机型多以短小为主，国内销售的大型喷灌机多在 280 ～ 300 m.

　　1. 1. 3 中型喷灌机 1. 1. 3. 1 国内外发展现状 1) 国外发展现状中型卷盘式喷灌机在欧洲具有 50 多年的发展历史，已有各种用途的系列化机型，具有机动性强、维护保养方便、使用寿命长等特点. 制造企业在欧洲是以机动性更强的卷盘式中小型喷灌机为主; 目前对我国市场具有较大影响的是意大利、法国和奥地利等国的制造企业. 国外大中型喷灌装备平均寿命长达 15 a 左右，智能化程度较高，基本实现了按不同作物需水量进行精细灌溉. 2) 国内发展现状中型卷盘式喷灌机在 20 世纪 90 年代引入中国，当时已形成了小规模生产能力，以 50 和 75 这 2 种机型为主，之后停滞了 10 a 多. 随着我国水资源的日益短缺和农业灌溉的节水需求，2010 年左右开始恢复生产，从年生产量几百台到 2013 年已经达到近万台，应用以中国北方和中原地区为主. 但机型还是国外 20 世纪八九十年代的产品，几十年来一直没有大的改进，整机寿命还远不及国外机型，整机能耗高于国外机型 10% 左右，基本没有智能化灌溉功能，国内销量较大的企业主要集中在江苏. 1. 1. 3. 2 存在的问题国内中型卷盘式喷灌机主要存在水涡轮和传动机构的效率不高、机械控制不精确所造成的喷灌质量不高和智能化程度不高等问题. 1. 1. 3. 3 发展趋势智能化是中型卷盘式喷灌机的发展趋势，通过现代信息化技术将灌溉技术与灌溉装备深度融合，实现不同地区、不同土壤、不同作物、不同气象条件的精细灌溉.

　　1. 2 微灌装备 1. 2. 1 发展现状 1. 2. 1. 1 国外发展现状微灌技术早在 20 世纪中期已经开始应用，以色列、美国、西班牙、意大利、澳大利亚、韩国等国家的研究水平一直处于世界的前列. 近年来，美国的微灌面积发展很快，到 2010 年已发展到 1. 53 × 106 hm2 ，是世界上发展微灌最快的国家之一. 以色列水资源的自然枯竭，迫使其最大限度采用节水灌溉技术，80% 的灌溉面积采用了先进的微灌技术，成为微灌技术发展最具代表性的国家. 1) 滴灌灌水器滴灌灌水器是滴灌系统的核心产品，经历了孔口式、涡流式、微管长流道式、透水毛管、螺纹长流道式到迷宫流道式以及压力补偿灌水器等发展过程，形式越来越多，技术越来越先进. 按照滴灌灌水器与毛管的连接方式，大体上可分为 2 类: 一是一体化滴管( 带) 类，二是滴头类.2) 过滤、施肥及控制设备以色列、美国、西班牙等砂石过滤器、离心过滤器和网式、叠片过滤器品种规格较全，都有手动、半自动和全自动反冲洗 3 种形式，自动反冲洗与自清洗连续过滤控制技术比较成熟，拥有先进的全自动盘式清洗过滤系统、全自动自吸式网式过滤器及全自动过滤站等产品，新型叠片过滤器流道采用曲面及反冲洗流道，减少了水头损失，把外壳旋转一定角度即可方便地实现反冲洗.

　　1. 2. 1. 2 国内发展现状滴灌产品的研究与开发，以 1974 年引进墨西哥滴灌设备为起点，20 世纪 80 年代开始仿制、改进与试点推广; 进入 20 世纪 90 年代后，在引进与仿制的基础上，国内滴灌产品具备了一定的自主研发能力，开发了一系列适合中国国情的滴灌产品. 经过 40 多年的发展，滴灌产品门类和系列基本配套，形成了灌水器、管材与管件、净化过滤设备、施肥设备、控制及安全装置等 5 个大类，品种规格多样化、系列化的滴灌产品. 全国共有滴灌管( 带) 生产线近 1 400 条，其中侧翼滴灌带生产线 1 300 多条、扁平滴头生产线 30 余条、圆柱滴头生产线 10 余条、管上式滴头生产线 2 条. 滴灌技术标准体系日趋完善，已制定了与滴灌技术相关的行业标准 15 部、国家标准 22 部，涉及工程技术、管理、产品等滴灌系统的各个组成部分，还有些省市根据自身发展条件和发展目标，制定了地方标准[17].

　　1. 2. 2 存在的问题近年来，我国微灌虽然发展速度较快，微灌设备产品基本配套，型号规格较为齐全，但低端产品居多，中、高端产品较少. 产品价位适合国情，但国内主要是通过引进、消化、吸收及改进的模式进行微灌关键技术与装备的研制，新产品研发进展迟缓. 低端微灌设备产能过剩，高端产品的研发与生产不能够满足市场需求，还依赖于进口[17，21].

　　1. 2. 3 发展趋势注重高效、多功能、低能耗、环保、智能化是微灌技术与产品发展的新趋势. 加强基础理论研究，加大新技术、新材料、新工艺在微灌领域的研究与应用力度，缩短新产品开发周期，改进和完善产品性能，提高设备与技术的可靠性、配套性和先进性，使微灌产品和设备日趋标准化、系列化与通用化，是今后微灌技术与产品研究及开发的目标[17，21]. ( 1) 高效、多功能、低能耗是微灌技术与产品的发展趋势. 随着能源危机的加剧，国家将节约能源提到战略高度. 开发高效、多功能、低压微灌技术与产品，降低能源消耗，提高微灌技术与设备的利用率将是微灌技术与产品研发的一个重要趋势. ( 2) 微灌技术与系统的配套性、可靠性问题越来越受到重视. 微灌灌水器设计理论研究滞后，国内微灌灌水器结构、水力性能、抗堵塞性能等与国外产品均有一定差距，成为阻碍与国外产品竞争的主要因素. 微灌系统的过滤器、注肥装置、控制调节装置、自动控制设备等配套设备存在技术水准较低、系列化程度差等问题. 因此，提高国内微灌系统理论与技术水平，增强设备可靠性、系统配套水平和专用零部件配套能力，从基础理论、应用技术、动力设备、提水与输水设备，到施水、施肥设备等全面考虑，进行合理配套，促使微灌技术健康稳步发展，以取得最佳综合效益，是今后微灌技术与设备的发展趋势.

　　1. 3 可再生能源节水灌溉技术 1. 3. 1 发展现状节水灌溉系统与设备正常功能的发挥，均需要有效地保证其能源供给. 农村土地分散，且边远地区集中建设农业生产配套电网投资大、难度大; 采用移动式柴油发动机，因运行和维护成本高而只有在集中的大型泵站相对有效. 而在许多农业生产区，日照充足，适合太阳能资源的开发; 有的地方水资源充足并具有有利的地势，适合水能资源的开发; 有的地方风能资源充足，适合风能资源的开发; 生物质资源普遍丰富，可开发生物柴油或沼气、电力等资源，既充分利用资源，又避免了焚烧造成的空气污染. 1. 3. 1. 1 国外发展现状 1) 太阳能灌溉技术太阳能光伏提水灌溉系统是光伏水泵技术与现代农业灌溉技术的有机接合，具有低能耗、节约资源、方便使用等优点，是一项具有广阔应用前景和巨大社会及经济价值的现代农业技术. 太阳能光伏提水灌溉系统主要由光伏发电系统、光伏水泵提水系统、灌溉系统以及控制系统等几部分组成，其中光伏水泵提水系统是关键[22].2) 低水头小型和微型水电灌溉技术欧盟的水电开发程度已经相当高. 通过调查和分析，欧盟的小水电主要以低水头和超低水头的小型和微型水电为主[26 - 27]. 由于应用环境的多样、复杂，以及小型和微型水电技术的来源为各种大型水电技术，因而技术和设计方面都存在一些差别. 这些差别不仅增加了电站、机组的设计、建设和制造成本，并且由于其存在的复杂性，还影响了低水头小型水电的开发利用.

　　1. 3. 2 存在的问题 1. 3. 2. 1 太阳能节水灌溉技术 ( 1) 光伏水泵系统的配置不合理. 光伏水泵系统可分为带有蓄电池系统和不带蓄电池系统 2 大类. 目前我国大多数场合使用的光伏水泵都采用太阳能光伏电池与直流电动机直接耦合的方式，不需要配备蓄电池. 但这样的系统一般功率较小，无法大规模推广应用. 对于大功率光伏水泵系统，一般均采用交流电动机. 在这种情况下，为了稳定水泵的工作特性，一般都会配备大容量的蓄电池. 这不仅增加了光伏水泵的初期投资成本，也增加了系统的维护成本，同时还降低了系统的可靠性，缩短了系统的使用寿命. 另外，蓄电池的使用也极易对环境造成污染.

　　2 节水灌溉装备发展建议

　　2. 1 丘陵山区节水灌溉综合配套技术研究 2. 1. 1 蓄水、引水、提水相结合的水资源开发与联合调度技术 ( 1) 雨水集蓄技术. ( 2) 提水泵站优化配置技术. ( 3) 雨水集蓄、引水与提水设施的技术集成. ( 4) 水资源决策与联合调度. 2. 1. 2 丘陵山区低水头发电、太阳能提水加压技术 ( 1) 开发丘陵山区小水库、水窖、蓄水池、塘堰的低水头发电设备与技术，开发丘陵山区太阳能光伏技术，为丘陵山区生活及节水灌溉系统提供电力. ( 2) 研制适用于丘陵山区的太阳能光伏水泵及低水头发电配套水泵. ( 3) 研制配套喷微灌关键设备及水肥一体化装备. ( 4) 开发丘陵山区轻小型灌溉机组与中型灌溉机组. 2. 1. 3 丘陵山区土壤水分调控技术 ( 1) 丘陵坡地土壤湿润体特性及水分分布规律. ( 2) 丘陵坡地土壤湿润体影响因素及影响规律. ( 3) 丘陵坡地土壤湿润均匀性的影响因素. ( 4) 丘陵坡地土壤湿润体计算模型及土壤水分运动模型.2. 1. 4 丘陵山区主要经济作物需水规律及灌溉制度 ( 1) 丘陵地区主要经济作物需水规律. ( 2) 丘陵地区主要经济作物水分胁迫响应特征及机制. ( 3) 丘陵地区主要经济作物需水与水分胁迫调控技术. 2. 1. 5 丘陵山区高效节水灌溉技术 ( 1) 喷灌灌水技术. 丘陵山区喷灌技术特点、丘陵山区喷灌灌水技术参数计算方法、丘陵山区组合喷灌设计、丘陵山区喷灌管网优化布置及水力设计方法等. ( 2) 滴灌灌水技术. 丘陵山区滴灌毛管水力特征、丘陵山区滴灌灌水技术参数计算方法、丘陵山区滴灌系统轮灌方案、丘陵山区滴灌管网优化布置及设计方法等. ( 3) 适用于丘陵山区家庭微型井、集雨池、水窖等分散微型水源的移动式灌溉系统模式. ( 4) 适用于集中水源与分散水源的固定式、半固定式灌溉模式，包括首部移动管道固定模式、首部固定管道移动模式、干管固定支管移动模式及首部管道全部固定模式等. ( 5) 根据喷灌、微灌对压力水头的要求，结合作物种植地形坡度情况，研究丘陵坡顶部为微灌( 滴灌、微润灌) 、底部为喷灌的灌溉模式，以充分利用地形高差，降低系统能耗. ( 6) 开发分散微型水源的移动式灌溉机组. ( 7) 适用于丘陵作物轮作倒茬需要的喷滴灌两用灌溉模式.

　　2. 2 智能化精确喷灌机组 ( 1) 轻小型喷灌机组. 研制自动拖移、可变速运行、低能耗的新型轻小型喷灌机组; 集成高均匀性低压喷头、小型肥( 药) 注入设备、控制调节设备等，研制多功能轻小型喷灌机组. ( 2) 中型卷盘式喷灌机组的智能化控制与节能降耗. ( 3) 大型喷灌机低压与精确化. 研制适合大型喷灌机组使用的低压喷头、流量调节器、水肥适时监测设备、变量控制设备等，开发低压、精确、多功能的大型喷灌机.

　　2. 3 低成本高效喷、微灌和水肥药协同精准控制技术与装备 2. 3. 1 低能耗喷、微灌技术与产品的研发 ( 1) 完善 CFD-CAD-CAM 有机结合的滴灌产品设计理论与方法. 将 CAD、CFD 和 CAM 技术有机结合，建立喷、微灌产品内部流场计算理论和三维造型的可视化设计方法，具有流动模拟和水力性能预测功能，易于优化结构参数，快速开发出性能良好的喷、微灌产品. ( 2) 研制低压均匀喷洒喷头、适合施肥( 药) 施用的高均匀性专用喷头、具有压力补偿特性的喷头、抗风喷头、大型喷灌机用低压雾化喷头、景观喷头等. ( 3) 研制微压、小流量、高抗堵、压力补偿性能优良、耐用、价廉的滴灌灌水器.2. 3. 2 多功能喷、微灌系统的开发 ( 1) 具备施肥( 药) 的多功能喷、微灌系统，能够实现滴灌、微喷灌、涌泉灌等多功能的灌溉系统. ( 2) 低造价、低能耗和高水力性能的大田低压滴灌系统. ( 3) 研制适合地下滴灌的成套技术、灌水器、过滤设备与施肥装置等系统配套设备，研究地下滴灌设计理论及运行管理技术，完善地下滴灌技术体系. ( 4) 研制以人力、电池、太阳能等为动力的微型水泵，微型施肥、过滤器等设备，开发适合分散微型水源的微型微灌系统. ( 5) 研制微灌射流脉冲发生器，开发新型射流脉冲滴灌系统.2. 3. 3 水肥药协同精准施用装备与技术 ( 1) 开发驱动能量小、轻便耐用的新型水力驱动注( 药) 肥器，研制轻便耐用的新型射流脉冲水力驱动施肥泵. ( 2) 研发灌溉、排水共用系统和肥( 药) 溶解、混匀、比例冲施装备与技术，解决灌溉、排水及施肥 ( 药) 一体化问题. ( 3) 研发精量灌溉施肥及流量浓度控制技术与装备，研发施肥施药一体化多功能装备，实现水肥药同施，提高作业效率.

　　参考文献( References)

　　[1] 李国英. 中国节水灌溉状况新闻发布会[EB/OL]. ( 2014 - 09 - 29) [2014 - 11 - 30]. http: / /www. china. com. cn/ zhibo /2014 - 09 /29 /content _ 33626156. htm? show = t.

　　[2] Burillo G S，Delirhasannia R，Playán E. Initial drop velocity in a fixed spray plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2013，139( 7) : 521 - 531.

　　《中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议》来源：《排灌机械工程学报》，作者：袁寿其，李红，王新坤

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