精量滴灌关键技术及应用

2016-12-29巨飞雷

中国水利 2016年6期

王栋巨飞雷

精量滴灌关键技术及应用

王栋巨飞雷

滴灌是一种可根据作物需水量进行局部控制性灌溉的现代高效节水灌溉技术，但与目前水资源的缺乏程度相比，其推广应用面积仍然很小。究其原因，灌水器易堵塞、灌水均匀度难以控制、运行能耗偏高等关键技术难题，严重制约了滴灌技术的大规模推广与应用。为研究精量滴灌关键技术，大禹节水集团股份有限公司联合中国水利水电科学研究院、水利部科技推广中心、中国农业科学院农田灌溉研究所、华北水利水电学院、大禹节水（天津）有限公司，在国家863计划、火炬计划、重点新产品计划等课题支持下，从有效降低滴灌系统能耗、提高灌水均匀度、实时适量满足作物水肥需求等目的出发，围绕精量滴灌关键技术研究与系列产品开发及应用，开展了长达10余年的产、学、研协同科技攻关，在精量滴灌系统设计理论与方法、技术与工艺、产品与新材料等方面取得多项创新成果。2015年该项技术入选科技部、环境保护部、住房城乡建设部、水利部发布的《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》，2016年荣获“国家科技进步二等奖”。

该项目创建了地表滴灌高均匀性灌水器、地下滴灌自适应与抗堵塞灌水器、高抗堵流量自调节装置和低压压力调节器设计理论与方法，从根本上攻克了低压下灌水器灌水均匀度下降、地下滴灌作物根系入侵堵塞等关键技术难题，填补了我国精量滴灌产品设计理论与方法的空白。同时，创造研制了高均匀性灌水器、压力补偿式抗堵塞灌水器、低压压力调节器等精量滴灌关键产品，创新了滴灌管材（件）回收再生利用技术与管材改性工艺，研制出系列精量滴灌系统配套设备，产品性能达到国际先进水平，实现了我国精量滴灌产品从仿制到自主创新的跨越。

项目研发构建的6项主导技术与方法、创造研发的6种重要产品与设备、集约构成的15个重大关键技术成果、18项国家专利、编制的10项国家及企业标准，提升了精量滴灌技术产品的科技含量，凸显了研发成果的原创性，缩短了与发达国家的差距，推动了行业创新能力建设，促进了产品更新换代，推动了行业科学技术进步,为建设现代节水灌溉技术体系提供了支撑。目前该项成果在全国10多个省（自治区、直辖市）累计应用1505.1万亩（1亩＝1/15hm2，下同），增产19.42亿kg，平均节水30%，灌溉作物水分生产率达到1.5～1.7kg/m3，节肥水药20%50%，有明显的节能、节水、节肥、节药效果。累计新增社会经济效益65.8亿元，其中：新增产值58.9亿元，节支6.9亿元，亩均增效节支437元。近3年累计开垦修复农田50万亩，亩均节水120m³，增产22.8亿kg，节水总量4.56亿m³；开展技术培训130万人次，提高了农业从业人员素质；产品远销至东南亚、澳大利亚、美国，出口创汇780万美元，受到国外农户和相关部门好评，树立了国产滴灌产品品牌形象和知名度，加速了滴灌产业的国际化进程。该项技术蕴藏着显著的社会和间接的经济效益，具有广阔的推广应用前景。

以下重点介绍内镶贴片扁平紊流压力补偿滴灌管滴头技术和铜祛根防负压抗堵塞紊流压力补偿地下灌水器技术。

内镶贴片扁平紊流压力补偿滴灌管滴头技术

针对近年我国西北地区推广滴灌技术中发现滴灌管滴头存在易堵塞，滴水稳定性、均匀度不高，且价格高、配套过滤设备复杂等问题，大禹节水集团股份有限公司研发了内镶贴片扁平紊流压力补偿滴灌管滴头技术。

1.关键技术及创新

内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头采用特殊的互通双水道结构，具有良好的自动冲洗功能，产品的抗堵塞性能较强。其创新性表现在：①在调节区内的柔性膜片由特殊材料制成特定形状，具有在水压发生变化后，柔性膜片发生形变和位移的双向运动。②柔性膜片下开设的双流道进口的断面为一倾斜面，当压力低时，柔性膜片发生的形变和位移覆盖的双流道进口短，水流通过双流道的路程长，水流涡旋形成的阻力大，水头能量损失大；当压力大时，柔性膜片的形变和位移覆盖的双流道进口长，水流通过双流道的路程短，水流螺旋形成的阻力小，水头能量损失小；通过以上过程可有效实现压力—流量的补偿。③柔性膜片下开设的双流道为互通的双流道，在正常状态下两个流道均正常工作。流道内形成的螺旋水流具有自动冲洗流道的功能，在一条通道发生堵塞后，正常工作的流道将对堵塞通道发生自动冲洗作用。

2.应用效果及前景

如甘肃省敦煌市规模化节水灌溉增效示范项目中的1.6万亩棉花滴灌工程，项目区灌溉水源为地下水，灌溉水源主要利用机井提取地下水，滴管带选用内镶扁平紊流压力补偿滴灌管。该项目于2013年3月开工建设，于2014年4月完成试用并投入运行。

该项目的灌溉设计保证率为90%，灌溉水利用系数为0.9，棉花净灌水定额为340m3/亩。项目实施后，灌溉年总需水量为786.89万m3，较项目实施前节水200.69万m3，有效改善了项目区水资源紧缺的状况，农田灌溉水利用系数达到0.9。

目前该技术已经在甘肃、新疆、宁夏、青海、内蒙古等省（自治区）推广应用，取得了良好的经济效益、生态效益和社会效益。经测算，采用内镶扁平紊流压力补偿滴灌管滴头技术，作物增产20%～100%，节水50%～80%，省水50%，省肥20%，增加综合经济效益40%以上。

由于该技术效能高、适应性能优良、成本低，是一项经济适用的节水技术，适用于地形复杂、坡度较大、水质较差的丘陵山区及沙漠地区的滴灌，应用前景广阔。

铜祛根防负压抗堵塞紊流压力补偿地下灌水器技术

为解决地下灌水器滴头堵塞、灌水不均匀等技术难题，大禹节水集团股份有限公司在国家863计划的支持下，主持完成了铜祛根防负压抗堵塞紊流压力补偿地下灌水器试验研究项目，集中攻克了根系入侵、负压吸泥、灌水不均匀、自适应能力差等关键技术难题，在铜祛根剂研制、灌水器抗堵塞性能提高、压力补偿紊流流道结构优化改进、提高地下滴灌系统整体稳定性和滴水均匀度等方面取得了突破性的进展，使地下滴灌系统及产品运行效能得到了大幅度的提高。经甘肃省科技厅组织的专家鉴定，该项技术达到国际领先水平。

1.关键技术及创新

项目针对地下滴灌灌水器负压吸泥、根系入侵堵塞等关键技术难题，研究铜祛根、防负压、抗堵塞压力补偿地下滴灌技术，开发了新型防堵塞地下滴灌灌水器（见图1）。性能试验测试表明，灌水器额定工作压力达到400kPa，铺设距离最长可达1000m，适应最大落差45m，流量均匀性偏差≤3.0%，流态指数为≤0.011，使用寿命10～15年；灌水器自洁净率达到95%以上，堵塞率≤0.45%。田间应用表明，主要技术性能指标与国际同类产品相比有所提高，产品造价显著降低，性能达到国际一流水平。

主要创新在于：①研发了铜祛根技术，抑制了作物根系入侵引起的滴头堵塞；②改进了硅橡胶膜片，实现了压力补偿功能，减少了灌水器流量偏差，提高了灌水均匀度；③研发了梳型窄缝进水口、环形涡轮回环紊流流道、舌台舌片出水口结构、压力补偿紊流流道等4种新型流道结构，有效防止了流道栓塞发生，提高了系统抗堵塞性和灌水稳定性。

2.推广应用及发展前景

该技术（产品）具有防根系入侵、防负压吸泥、自动启闭、自动过滤、自动清洗、自动调节等抗堵塞性能，可广泛应用于荒漠戈壁、山区丘陵、高原坡地、坑洼浅地等干旱缺水和落差起伏地域以及饲草林果、园艺花卉、环境治理、防风治沙等工程领域，灌水器自洁净率高，抗堵塞能力和自适应能力较强，运营维护成本低。

项目研究形成了地下滴灌自主知识产权体系，已申报发明专利2件，实用新型专利5件，培养了一支高水平地下滴灌专业技术人才队伍，为国内国际地下滴灌发展提供了强有力的技术支持。目前，该技术（产品）已经具备工业化规模生产的条件，已累计生产销售滴灌管9000万m，产品已销售辐射甘肃、新疆、宁夏、内蒙古、广西、广东、海南等省（自治区），在国内三北地区及南方诸省试验示范推广面积达到20.24万亩，出口远销印度、泰国、澳大利亚等国家推广应用，深受海外市场的重视和关注。