大型喷灌装备技术问题分析与建议

2022-03-13高印军

山东水利 2022年12期

黄乾，高印军，薛雁

（1.山东省水利科学研究院，山东济南，250014；2.山东省现代农业节水工程技术研究中心，山东济南，250014）

山东省水资源短缺，亩均水资源量仅有263 m3，约为全国平均水平的1/6。农业是最大用水部门，占全省用水量的60%左右，农业节水关系着全省的粮食安全和水安全。喷灌是当前重要的高效节水灌溉技术，目前全省约266.67万hm2耕地实现了土地流转，土地规模化经营下的大中型喷灌技术设备需求增加迅速，大中型灌溉装备具有广阔的应用前景和巨大的节水潜力。

1 大型喷灌设备应用现状

我国大型喷灌机械装备以中心支轴式喷灌机（又称圆形喷灌机、时针式喷灌机）和平移式喷灌机为主，自20世纪70年代从美国引进商品样机后，经历了最初模仿、关键部件攻关、完善提高、示范推广后，由于设备使用条件和土地家庭承包经营制度下的矛盾，经历了发展低潮[1]。随着土地流转和规模化经营，最近十几年来又得到了大面积的使用，而且更多的是农户、农场自发购置使用。节水灌溉喷灌面积中，管道式喷灌和轻小型喷灌机面积占比逐步下降，大中型喷灌设备占比有较大幅度上升。山东省的大中型喷灌设备的应用面积近年来不断扩大，并且增加速度很快。

我国灌溉企业生产的大中型喷灌设备凭借性价比优势已成为国内市场主导，并且出口国外。但总体来看，国内大中型喷灌装备多为国外设备引进后的仿制产品或国外产品代理，只有少数国内企业较为注重自主研发。设备在方案选型规划设计、与水源和作物需水匹配使用方面，还存在明显不足，缺乏完备的售后培训和服务体系。省内对大型喷灌装备关机技术装置和耕地适应性的科研攻关还比较欠缺。

2 存在的技术问题

2.1 喷灌机总体性能有待提高

大型喷灌机是技术含量最高的节水灌溉产品装备，是真正意义上的灌溉机械化设备。其他灌溉方式，如管道灌溉、固定喷灌、微灌等设备设施大多为以固定和静态使用，单元面积控制小，需要解决的技术难题单一。大型喷灌机技术复杂，要考虑大面积耕地（单元控制可达千亩以上）灌溉效果，如灌溉均匀度、精准度，还要考虑对作物的低影响、低能耗等，喷灌机整体性能和单项技术需要协调。大型喷灌装备塔车行进过程中的速度调节、同步行进、导向控制，针对不同耕地土质和坡度的轮胎和驱动装置，均需要专用设备；专用喷头配型、喷洒方式、位置优化，不同规格垮架组合，地角臂系统、可脱落跨体组合技术，水压变频调节、过水量保护、压力保护、水肥药一体施用装置等需要协同工作。大型喷灌机各个功能部件有多种组合，配套得当、价格性能合理，整机工况效率高，设备才容易被接受，使用过程中才能使用长久。目前国内大型喷灌机整体性能方面还需要进一步提升。

2.2 关键技术部件研发能力需要提升

由于研发成本与产出效益的不匹配，国内大型喷灌机核心设备还存在着部件精密度不高，不能自主生产或达不到进口产品性能和效率，主要以进口为主。目前关键技术设备存在以下问题：国产系列喷头组合喷洒均匀度不高；高性能水肥施用装置研发不足，水肥药难以达到精准施用；适用不同土质的高性能、大负载减速器研发不足；缺乏国产化的智能决策和远程控制系统软件等。这些均导致大型喷灌机核心部件的选择和更换非常不便。经常出现国产大型喷灌机，外壳和一般部件为国产，重要核心部件国外购置组装。关键技术设备性能的缺陷导致了大型喷灌装备成本和后期维修养护经费的增加。

2.3 新技术和设备研发相对滞后

一些引领大型喷灌机发展方向的新技术，如变量灌溉技术、低能耗精准灌溉技术等研究还明显不足。例如大型喷灌机变量灌溉技术（VRI），是解决大型喷灌机较大单机控制面积内土壤、作物空间变异问题，提高灌溉水利用效率的新方法，其系统组成方法的理论研究较为成熟，但大型喷灌机变量灌溉系统需要的软硬件，如变量供水装置、定位系统、控制系统等产品开发尚存在较多的时间[1]，国内对于实现VRI的主流技术脉冲宽度调制（PWM），目前主要处于计算机模拟和小规模试验研究[2，3]，相关技术产品的研发相对滞后。

2.4 相关设计水平有待提高

大型喷灌设备适用于地表水、地下水等各种水源的大面积灌溉，对作物和土壤质地有很好的适应性，坡度不大、地块相对集中、无高大障碍物的耕地均可以规划设计使用大型喷灌机。大多数大型喷灌机的规划设计、设备选型，其过程包括灌溉地块地形查勘、水源分析、作物调查、灌溉规划布置和喷灌机参数选择等，对应的计算包括作物灌溉需水、机组运行速度和运行时间，管道水力计算和水泵选型，跨架长度和主要设备清单。用户根据设计成果选择相应的大型灌溉设备。笔者从用户使用和厂家装配调查来看，很多设计单位人员对大型喷灌机缺乏了解，虽然满足大型喷灌机设计规范基本要求，但设计深度不足，没有考虑一些必要的技术因素如土壤入渗能力，作物叶面打击强度，喷头布置方式和安装高度，地角漏喷处理等，需要设备厂家后期按经验完成和补充。按照作物最大需水量设计的喷灌机运行方式不适用于作物各阶段的用水需求和喷灌机低能耗运行模式，达不到最佳节水节能效果。国产化的相关设计软件需要尽快开发。国外设备厂商一些设备选型设计说明和调查表等都值得学习和借鉴。

2.5 应用效果数据库需要完善

国外大型灌溉设备企业有着近70年的研发生产经历，形成了海量的应用数据和经验参数，很注重使用过程中的试验数据、应用效果的积累和分析。一些国外企业在新设备和新技术研发后，会进行一年以上的试验研究，对应用效果和效益进行分析，内容包括不同降水水平年的用水量、作物产量，新设备投资与经济产出比较，种植户对设备应用的反馈等。国内相关企业和科研院所如果能完善相关的数据库，所积累的试验和应用数据将有助于新设备的改进提升，尽量避免在大型喷灌设备设计、应用过程中走弯路，提高工作效率与产品性能。

3 发展趋势与建议

3.1 发展趋势

1）大型喷灌设备有更大发展空间。随着我国经济的高速发展和科技实力的增强，中国农业排灌事业进入一个新的发展阶段。随着我国土地流转、土地规模化经营、土地托管等土地集中管理面积的扩大，农耕、播种、施肥（药）、收获都逐步实现了普遍的机械化作业，灌溉的机械化水平相比较而言还有待于提高，以人力为主的灌溉方式，将逐步被灌溉设备替代，大型喷灌设备可以节约水资源和劳动力资源，发展潜力巨大，市场前景广阔。在喷灌产业化方面，世界上各种类别的喷灌设备在我国基本都有，我国耕地和管理模式的系列化、标准化产品将快速研发。

2）设备的发展需适应我国农田建设和耕作模式。美国是大型喷灌设备的发源地，但自然社会条件的差异决定了应用大型喷灌设备的条件和过程也不同。根据美国农业部2018年数据，美国进行灌溉的农场有23万多个，灌溉面积2 266.67万hm2，每户农场平均耕地面积为176.67 hm2[4]。而我国地少人多，人均耕地占有量不足美国的1/6，农民人均耕地大约为美国的1%，即使土地实施集中管理耕作，精耕细作、充分利用耕地仍是我国的耕植特点，因此用户在大型喷灌机（以指针式喷灌机为主）的使用上与美国等国家的理念和操作有较大区别。例如：我国农田以方田为主，大部分农户对指针式喷灌机圆形地角漏喷情况不易接受；农田机耕路普遍较窄且兼顾通行通车，路边村村通电杆设施、生态防风林等，导致大型平移式喷灌机难以适应道路和障碍物等，适应中小地块的指针式喷灌机将会更多应用。因此，切实了解我国农田建设和耕作模式，研发适用于我国耕作特点的大型喷灌装备产品是目前应注重的方向。

3.2 建议

1）企业参与更多研发任务。国内不少科研院所和生产企业针对喷灌设备现在技术问题对大型喷灌装备关键技术和设备进行理论研究、试验和产品研发。从国外研发情况看，国内相关有实力企业，在安装、服务过程中，直接与用户对接，对产品性能需要改进之处了解更具体。科研部门与相关企业联合攻关，以企业为主导，实施产、学、研相结合的研发模式，并长期跟踪产品后期使用效果，积累试验和应用数据。

2）注重水肥一体化发展。如果大型喷灌技术设备能将肥料随灌溉一起均匀、精准地施用于作物，将进一步降低劳动力使用量，节水的同时实现高效用肥。大型喷灌水肥一体化精准施用、测墒测肥变量灌溉，在设备和技术上还要深入研发。

3）加大购置财政补贴。尽管大型喷灌设备节水省工，但一次性投资大，设备的使用和后期维修养护相对比较繁杂，费用也不低。很多用户为了节省设备投资，购置时省去可选的保护性部件，使用相对便宜的输水管材和喷头，长期使用节水效果不佳，设备寿命降低，年均投资更高。现阶段大型喷灌设备的购置、培训等仍需要政府财政资金的支持。