锦州市实用灌溉新模式效益研究

王 凡

(锦州市水利事务服务中心，辽宁 锦州 121000)

锦州市位于辽宁省的西南部，属暖温带半湿润气候，降水四季不均，年均降水量567mm，其中60%～70%集中在夏季。锦州作为辽宁省粮食主产区，却饱受干旱侵害，严重制约了当地的粮食保障与经济发展[1-4]。为了促进农业发展，保障粮食安全，增加农民收入，2011年辽宁省政府启动了千万亩滴灌工程项目；2012年，启动了东北四省节水增粮行动，计划在辽宁地区发展600亩节水灌溉农业试验田[5-7]。在这些工程中，喷微灌技术发挥了显著效益，但同时也存在一些问题：锦州市以农户承包责任制和分散经营为主，需要既节约水量又节约资金的小型喷微灌设备，普通微灌一次性投资较大，微灌抗堵塞能力差；年内降水分布不均导致设备使用率低，影响农户积极性，缺乏可以适时补充灌溉的新型灌水设备；部分边远地区和坡耕地地区，电力基础仍未完善，制约节水灌溉技术的应用；缺乏配套的灌溉制度及田间灌溉方式；如何将先进的灌溉技术与大规模农业生产相结合，将节水灌溉技术应用在复杂的地形中等。这些问题严重制约了锦州市节水灌溉技术的发展[8-11]。依托辽宁省水利厅组织开展的“微润灌溉技术推广” “高效灌溉新技术推广”等课题，筛选出具备推广应用条件的节水灌溉技术，在锦州市不同作物、不同地区资源条件下进行应用。“风力提水+蓄水池模式+吸力式微润灌水器”灌溉新模式自2014年起在黑山及凌海推广，效果显著，大大提高了灌溉效率和农产的生产积极性。

1 节水灌溉新模式

“风力提水+蓄水池模式+吸力式微润灌水器”模式是在缺乏电力能源但风力能源丰富的偏远地区，利用风力清洁能源转化为机械能来进行提水。在高处修建配备蓄水池，提高势能，为微润灌提供水源动力，这样可以大大提升灌溉水源的保证率，同时也避免了因使用柴油机等传统动力方式导致的环境污染问题。

1.1 新型风力提水灌溉系统

如图1、图2所示，新型风力提水灌溉系统主要包括机舱、塔架、风力传动部分、机械传动部分、提水部分和蓄水灌溉部分等。

图1 新型风力提水灌溉系统

图2 新型风力提水系统

机舱包括主轴、曲轴、连杆、支撑架和机箱等部分，主要用于风能传输。塔架以立式铁桁架为主体，下端固定在混凝土底座上，上端连接云台，塔架一般分段预制，实地焊接为整体，主要起到支撑稳定作用。风力传动部分通过多桨叶片的转动，直接带动主轴和曲轴旋转，将风能转化为机械能，并通过连杆向摆臂钢缆传力系统进行传输。机械传动部分直接将风机产生的动力通过钢缆传输到水泵活塞上，将能量进行有效转换，直接将风能转化为机械能进行提水，避免了通过风能发电再提水造成的能量损耗。

提水部分是在水泵上下两部分分别安装4个逆止阀门，双向作用进行提水，尤其是通过钢缆与水泵的活塞连接，活塞往复运动，大大避免了旋转式水泵造成的能量损耗。

蓄水灌溉部分的主要作用是将抽取的地下水保存并直接用于灌溉或其他用途。蓄水池大小一方面和风力提水设备的提水能力相关，另一方面和控制灌溉面积相关。蓄水池一般利用混凝土浆砌石筑成，在一侧下部预设1个出水口，当风力提水设备系统和低压灌溉设备相结合时，可以直接与灌溉系统相连接，利用蓄水池内水压和沿坡降增加的水头自流灌溉；当风力提水设备与喷灌等需要一定压力的灌溉系统联合应用时，可以用水泵从蓄水池内提水灌溉。

实用新型风力提水机分为3种规格型号，即低扬程大流量型、中扬程中流量型、高扬程小流量型。其结构型式一样，工作原理完全相同。中扬程中流量型风力提水机应用较多，其主要参数见表1。

表1 风力提水机参数

风力机安装在地势高、风源条件好、接近水源的地方，附近没有高大障碍物，能够使风机四面临风。在地形上，可以放置于小山包之上，或虽处凹地，但形如走廊，总有疾风劲吹的地方。风力机要离蓄水池15m左右，并且避开高压线路、通信线路、公路铁路、人行路、水池等，远离障碍物(如树木、居民区、高大建筑物)200m为宜，风叶要高于建筑物2m以上。要注意涡旋气流对风力机的破坏，严禁在立陡崖上以及1m以上高度的立墙面附近安装风力机。

经过实践应用，新型风力提水系统主要优点如下。

1.1.1 制造和运营成本低

据统计，目前农田灌溉所需要的高低压网线及变电设备平均每亩地至少需要700元，加上电机和水泵等费用可达千元，按100亩为一个灌溉单元计算，仅这部分费用就高达7.0万～10.0万元，造价很高。而新型风力提水机造价仅为3.5万元；另外，由于其特殊的传力结构，直接将风能转变成机械能，无须传统风力发电提水逆变电设备及后续昂贵的维修费用，运行成本很低。

1.1.2 维修成本低

传统的风力发电提水设备是将风能直接转变成电能，储存在蓄电池组内，再通过逆变器等设备将电变压成380V的动力电，带动电机和水泵进行工作。在5kW风力发电提水系统中，蓄电池组和逆变设备的造价高达3万元以上，其使用寿命一般不超过两年，有的甚至不到一年，价格较高。而本次推广的设备直接采用机械传动，将风能转化为机械能提水，结构简单，配件价格低廉，没有使用价格昂贵的逆变电系统，维护和维修成本仅为200元/台。

1.1.3 低碳环保

本次计划推广的风力提水灌溉系统运行不用电、不用油，碳排放量为0，可实现提水机械化，能充分利用小水源、低水高扬、零存整取、贮用结合、结构简单、拆卸安装简便，既省时省力，又低碳环保。

1.1.4 适用范围广

我国沙漠化地区广阔，加大植树造林力度是有效治理和利用沙漠化土地的一个主要途径，但长期以来在沙漠化地区造林成活率低，一直制约着治理沙漠化土地的进程，亟待解决的就是水的问题。沙漠化地区一般位置偏远，经济不发达，无论是拉设电网还是采用柴油机提水，成本极高，还带来了大量能源的消耗，增加了碳的排放量。而风力提水灌溉系统则恰恰利用了沙漠化地区风力资源丰富这一特点，充分利用当地风力资源，运行不需要电、煤和油等能源和燃料，运营成本和维修成本很低，属于清洁型能源，不污染环境，还可以大大提高应用地区农作物、畜牧业产品产量，提升品质。特别适用于东北、西北、华北等多风沙漠化地区和平原区，以及沿海多风地区。

1.2 蓄水装置

蓄水装置可使用钢筋混凝土蓄水池和塑料蓄水桶。钢筋混凝土蓄水池采用C25钢筋混凝土现浇结构，容积一般为15m3以上，可修筑成圆形或方形，多修筑在山顶或半山腰，便于池内存水形成较高的势能；进水管路设有逆止阀，防止水池存水倒流；由于水池存水较多，水池开口应采取安全保护措施，避免发生意外。

常用蓄水桶规格为直径1.6m，高1.67m，可盛水2m3，置于预先设置好的平台(多为混凝土)之上；如使用2个以上蓄水桶，一般至少3个一起使用，每个桶均在距桶底10cm的侧壁预留90mm内径孔用于连接管路，将蓄水桶并联作为出水管路，每条支路及出水干管上均安装蝶阀；进水口设在桶的顶部，用于防止停泵以后蓄水倒灌；距桶底1.5m设有溢流管，防止蓄水量超过警戒水位；蓄水桶外壁应覆盖不透明塑料薄膜，用以隔绝阳光，避免桶内水生微生物过多影响供水。

1.3 微润灌溉技术

微润灌溉技术的原理是利用特殊材质导水芯的毛细浸润作用，在超低水压条件下，向作物根部土体导水，以实现作物生长要求；其设计的主导思想是通过延长灌水时间，降低灌水强度，有效地防止土体深层重力渗漏和田间蒸发，增加作物对灌溉水分的吸收利用率，并可以有效处理灌水器物理堵塞和化学堵塞。

微润灌溉主要通过微润灌吸力式灌水器实现。灌水器主要由导水芯、缓冲腔和接口管组成。导水芯是毛管中水向土壤供给的通道，其导水性能直接决定灌水器性能的好坏。

微润灌水器由锥形灌水体和导水芯组成(见图3)。锥形体是储水腔，与输水管采取旁通式连接，依靠导水芯向作物根系输水。储水腔孔径3.0mm，输水管径10mm。

图3 微润灌水器结构 (单位:mm)

与传统的灌溉技术相比，微润灌溉技术具有以下特点：

a.节水：微润灌吸力式灌水器通过毛细浸润作用湿润作物根系活动层的部分土壤，避免了灌溉水的田间蒸发和重力水的无效渗漏，田间水的利用率可达90%以上。

b.节能：由于利用了毛细浸润作用，微润灌水器在2m的工作压力下便可正常进行灌溉，降低了能耗。

c.易清除堵塞：由于灌水器的特殊结构，对于物理堵塞和化学堵塞，可方便地通过来回提拉导水芯来清除。

d.改善小气候：在大棚中，微润灌溉系统能适时适量地向作物根区供水供肥,为作物根系活动层土壤创造良好的水、热、气、养分环境，与地面灌相比，提高地温35%；改善了棚内小气候，提高了产品质量；湿度降低4%，减少了病虫害的发生。

2 技术应用效果

a.黑山项目区选择在锦州市黑山县“绿色芳山”果园，建成水源井2眼，风力提水设备2套。项目区根据地形进行管路设计，2套风力提水设备位于山中，出水管并入干管输送山顶蓄水池中的水，过滤器安装于风力提水干管中，利用水压达到过滤效果；蓄水池中的灌溉水通过自压实现灌溉。铺设地埋干管100m，地埋分干管1790m，铺设地表支管3051m，微润灌溉毛管74400m。果树生育期共灌水7次，灌水15m3/亩，亩灌水累计105m3，较项目实施前节水120m3/亩，项目区共节水7.5万m3，节水效果明显；项目实施前，地区用潜水泵抽水上蓄，水泵流量约15m3/h，功率为25kW，亩灌水量约225m3/亩，则项目区合计节电18.8万kW·h。

b.凌海项目区位于锦州市下辖凌海市吴楚庄园，此次项目使用“风力提水+蓄水池+微润灌溉”节水灌溉技术实现园区内果树灌溉500亩。风力提水机基础浇筑与田间管网铺设同步进行，在作物灌水前完成施工，新建风力提水系统4套；修建蓄水池1座，直径10m，深2.5m；铺设φ90PVC地埋主干管900m，φ63PVC地埋干管2000m，φ63PE支管3500m，微润灌溉毛管75000m。项目区未实施节水技术前，用潜水泵抽水上山，水泵流量约15m3/h，功率为25kW，亩灌水量约280m3/亩，项目实施后，无须水泵抽水，则年节电23.3万kW·h。2014年项目实施期间，果树共灌水8次，每次灌水15m3/亩，亩灌水累计120m3，亩节水约160m3，项目区累计节水8万m3。

3 结 语

“风力提水+蓄水池模式+吸力式微润灌水器”节水灌溉模式给试验项目区创造了良好的经济效益，实施3年项目区共增收156.45万元，累计节水15.5万m3(见表2)。在节水增产的同时改变了传统农业用水方式，为农村提供了新的种植方式、灌溉技术、灌溉制度和田间管理管护形式，改变了农户对灌溉的认识，使农田灌溉日趋合理。使用节水灌溉技术可以有效改善农田土壤结构，防止土壤次生盐渍化，保护生态环境，促进农业良性循环，向精准农业和产业化经营转变。

表2 经济效益计算