农业节水灌溉技术模式分析

李谦 张锋 籍俊杰 王俊野

1、河北省农林科学院粮油作物研究所 2、华雨灌溉设备制造有限公司

1 节水灌溉现状与发展趋势

1.1 国外现状

在欧美等发达国家农业生产机械化、自动化程度较高，美国、法国、意大利等国家的农业灌溉大都采用了不同形式的喷灌机进行作业，例如美国以圆形和平移式喷灌机为主，德国、意大利等绞盘式喷灌机应用面积较大，这些大中型喷灌机的应用大大减轻了灌溉劳动强度，提高了水肥利用效率，增加了作物产量。以色列的节水灌溉在国际上处于领先地位，其滴灌技术最高水利用率可达95%，此外，部分农田使用处理后的废水灌溉，不仅节约了水资源，同时有利于生态环境。以色列研发的多通道智能水肥一体机、自动反冲洗系统等，在水肥一体化方面已实现高度自动化。

1.2 国内现状

我国淡水资源分布不均，人均占有量少，尤其是在北方地区，水资源匮乏严重影响了经济发展和生态环境平衡。近年来，中央和地方政府出台了一系列节水压采政策措施，节水灌溉实施面积呈逐年稳步增长的趋势，灌溉水有效利用系数不断提高，全国节水灌溉技术的发展进入了质量、规模、效益并重的良性发展阶段，节水灌溉产品逐渐完善，如滴灌、微喷、卷盘式喷灌机、中心支轴式喷灌机等，以及配套的过滤器和水肥一体化设施都实现了自主生产及创新。在推广应用中，由于土地经营产权、资金投入、农民收益等因素影响，大多耕地仍然以水渠防渗大水漫灌为主，劳动强度大，农艺节水制度难以实施；土地类型多样、地貌复杂，大型的灌溉设备难以适应，滴灌微喷等由于田间管路较多，影响机械化作业，推广应用受到限制。

1.3 发展趋势

节水灌溉技术经过近一个世纪的发展，正在向生态、智能、精确化方向发展，以物联网技术、大数据、云计算、空间信息技术和智能装备等新一代信息技术为支撑和引领的智能化灌溉技术成为国际新趋势。

2 节水灌溉技术模式及特点

2.1 节水灌溉类型

我国常用的灌溉系统可分为固定式灌溉和移动式灌溉。

（1）固定式灌溉系统是指在田间布置一定规格的输水管（明管或暗管），每隔一定距离设置灌水器，压力水经管网到达灌水器处，对农作物进行灌溉。如微喷、滴灌、固定式喷灌等。

（2）移动式喷灌系统是指水源经供水管连接灌溉设备，通过可以在田间行走的桁架或喷灌车，完成喷（淋）灌作业。如滚移式喷灌、中心支轴式喷灌、平移式喷灌机、卷盘式喷灌机等。

2.2 选择灌溉类型时的考虑因素

在具体规划设计中，选择何种灌溉类型，首先要考虑各自灌溉系统的特点和适宜条件，不同的类型有其不同的适用条件，系统选型应因地制宜，综合以下因素选择：水源类型及位置、地形地貌，地块形状大小、土壤质地、作物生长期降水量、灌溉期风力风向、种植作物、社会经济条件、生产管理体制、劳动力状况等。

2.3 节水灌溉技术模式分析

2.3.1 固定式喷灌

根据管道是否可以移动，可分为固定式、半固定式和移动管道式。

（1）固定式喷灌系统泵站、各级输水管道常年固定不动，喷头安装于支管的竖管上。此模式用工少、劳动强度低且便于维护。缺点是一次性投资较高，影响机械化作业。

（2）半固定式喷灌系统。泵站与干管固定不动，支管和喷头可转移地块使用。与固定式相比，由于支管可以移动并重复使用，减少了用量，降低了投资。缺点是挪动支管喷头劳动强度较大。

（3）移动管道式喷灌系统。水泵、管道、喷头全部可以拆卸移动。一般适用于地表水作为水源的地方，灌溉完成后可将整个灌溉系统转移。缺点是劳动强度大，用工多。

2.3.2 地埋自动伸缩式喷灌

地埋自动伸缩式喷灌是固定式喷灌的一种形式，其输水管道（干管、支管）和喷头均埋设于地下，灌溉时在水压作用下喷头自动升起到地面上，灌溉结束后喷头缩回地面耕作层以下。其特点是不影响农机作业，适合于规模化种植全程机械化作业，具有省工、省力、易于实现自动化管理的优点。该模式一次性投资高。

2.3.3 绞盘式喷（淋）灌

绞盘式喷（淋）灌机是由驱动装置驱动绞盘转动，通过缠绕在绞盘上的PE 软管牵引喷头车，边行走边喷洒的喷灌机械。其工作原理是脱档后由拖拉机将绞盘上的PE 管拽出至需要的工作位置，回收时利用水流驱动水涡轮旋转，经变速箱、链轮链条降速后驱动绞盘回转，使得喷头车回收从而完成喷洒作业。具有机械化自动化程度高、灌溉均匀度高、劳动强度低、转移地块方便等优点，但操作者需具有一定的机械基础知识。

2.3.4 中心支轴式及平移式喷灌机

中心支轴式喷灌机及平移式喷灌机，是通过在田间行走的桁架（安装有喷头）在作物上方完成喷灌作业的一种灌溉机械。其机械化和自动化程度高，生产效率高，灌水均匀度高，用工量少，适用于耕地面积辽阔的农田使用。该喷灌机结构复杂，技术性较强，要求操作管理人员具备相应的专业知识。

2.3.5 小型智能平移式淋灌机

小型智能平移式淋灌机是在大型平移式喷灌机基础上开发的一种新型灌溉设备，具有灌溉均匀度高、入机压力小、便于转移地块、智能化程度高等特点，可实现玉米等宽行种植对行淋灌作业，达到精准灌溉的效果，提高水肥利用效率，降低劳动强度和农业种植者经营成本。该设备有效灌溉幅宽30～40 米，行走控制系统采用PLC 变频控制，可按照定时定量任务实现水肥一体化作业以及远程控制。为了提高桁架利用率，降低农户设备投入，在桁架下方设置喷药机构，可进行病虫害防治、喷施叶面肥等作业。

2.3.6 微喷带

微喷带又称喷灌带，是在薄壁软管上采用机械或激光按照一定的排列规则加工出水小孔，通水后在一定的压力下，水从小孔喷出，进行微喷灌的节水灌溉方法。

其特点是，系统压力低，投资低、便于操作，一般人员经过培训都可使用。喷带的铺设结合农作物种植行距、农艺措施、农机作业幅宽等进行布置，达到使用便捷、灌溉均匀、节本增效的效果。缺点是田间管路较多，影响机械化作业，收铺管用工量较大，不适用于大规划种植使用。

新型编织喷带是近几年新推出的一种微喷带，具有重量轻、强度高、铺设长度大、喷射距离远等特点，相比普通喷灌带可减少田间材料用量。

2.3.7 滴灌

滴灌属于低压灌溉，是目前干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式，水的利用率可达95%。滴灌较喷灌具有更高的节水增产效果，同时可以结合施肥，提高水肥利用率。其不足之处是滴头易结垢和堵塞，引起堵塞的原因可以是物理因素、生物因素或化学因素，如水中的泥沙、有机物质或是微生物以及化学沉凝物等，故滴灌对灌溉水质要求较严，一般需要经多级过滤处理。滴灌铺设间距应考虑作物种植行距，铺设长度不宜过长。大田应用中为防止滴灌带被风刮乱或被鸟兽破坏，一般浅埋于地下。针对小麦玉米一年两熟区，可采用带有北斗导航的拖拉机进行播种、铺管、潜埋、覆土作业，减少后期农机作业损坏滴灌带。

2.3.8 水肥一体化

农作物养分的吸收主要依靠水为载体，因此，要实现高产稳产，水、肥应按时按需供给，实现水肥一体化十分重要。

水肥一体化是借助压力系统，将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物的需肥规律，与灌溉水一起，通过输水管、灌水器浸润作物根系附近。

施肥装置主要有施肥罐、文丘里、比例施肥泵、注肥泵、多通道智能施肥机等，特点如下：

（1）文丘里施肥法结构简单，操作方便，造价低廉，无需外接动力就能实现吸肥作业，一般用于系统压力较低的灌溉模式，如滴灌、微喷带等。其缺点是主管道压力损失。

（2）注肥泵法是利用压力泵将肥液加压注入灌溉主管路，肥液随灌溉水输送至田间的一种水肥一体化方法。注肥泵的压力必须大于供水管道系统压力，且具有防腐蚀的特性。该方法适用范围广，易于实现自动化控制。

（3）多通道智能施肥机有两个以上施肥通道，可以实现多元素肥精准按比例施入系统，一般用于蔬菜、药材、花卉等经济作物。

喷灌技术作为最重要的农田管理措施之一，具有显著的节本增效效果，各种节水灌溉模式具备不同的特点和环境适应能力，在农业生产中要针对作物、土壤类型、地形地貌、水源、水质以及经济能力、人员素质等多因素进行选择。技术层面，在引进、吸收、消化国外技术基础上，自主开发创新，逐步形成拥有自主知识产权的灌溉设备与关键技术，并实现产业化，实现农业灌溉的精准化、智能化。