双闸板溢流式水田精准灌排控制装置的研究与应用

柯春天

（杭州市外国语学校，浙江 杭州 310023）

0 引 言

我国南方地区水稻种植面积大，由于水稻田蓄、排水设施功能不完善和不合理的灌溉、施肥、排水，造成了南方地区的水质型缺水[1-2]。以浙江省为例，根据《浙江省第二次全国污染源普查公报》，2017 年浙江省农业面源水污染物排放量中，种植业污染排放氨氮占71.2%，总氮占84%，总磷占81.3%[3]。水稻生产的节水、控肥、减污技术研究迫在眉睫，应积极探索运用合理的农田管理方式，改进农业水利设施，提高化肥的利用率，防治污染物流失[4-5]。稻田精准灌排管控技术通过精准控制稻田灌水量和排水量，使肥料尽可能保留在农田生态系统中，减少农业面源污染物的排放，改善农村水环境以及保证水稻产量不降低[6-7]。在此形势下，本文研究了一种简单、实用、易操作的稻田精准灌排控制装置，实现稻田精准排水和灌水，对于南方水稻种植区农业节水减排和农业面源污染治理具有重大的现实意义。

1 当前水田田间灌排主要方法

调查发现，稻田田间灌排一般采用简易插板式小型水闸灌排、埋设管道灌排和直接开挖田埂灌排等形式。稻田灌排水时，放水员需要根据经验频繁调节排水口，保持田面合适的水层，作业量大，遇到暴雨时，排水不及时会导致水稻受淹或排水口坍塌导致水、肥流失，雨水有效利用率低。

2 新型水田精准灌排控制方法

结合南方平原河网地区水稻节水灌溉技术的应用，设计了一种新型水田精准灌排控制装置，主要由箱体、滑槽、刻度尺、上下闸板和把手等组成，详见图1。针对南方多雨地区水稻种植，该装置可以根据水稻生育期不同生长阶段的水量需求，采用闸板上部溢流方式，通过刻度精准控制灌溉水层。同时，可根据水稻不同生长阶段的耐淹深度，蓄积雨水，减少河道取水，既有效拦蓄雨水，又避免过度受淹引起水稻减产，实现稻田水层的精准控制。针对冬季旱地作物，该装置可以调节闸板，实现底部排水，排空涝水。

图1 水田精准灌排控制装置设计图

3 水田精准灌排控制装置设计

3.1 装置结构

双闸板溢流式水田精准灌排控制装置为箱式结构，箱体由底板、左右侧板和上部前后支撑梁组成，左右侧板中部设有上下贯通滑槽，滑槽中部间隔带1/2 高度设横梁，并以横梁顶面为基面在滑槽中部间隔带设刻度尺，横梁两侧滑槽上下各安装一块闸板，闸板高度为箱体高度的1/2。本装置可以设置成长方体框架，也可以设置成立方体框架，实际使用时可以根据水田的尺寸大小设置框架的具体形状和大小。框架以及相关零部件在实际制造时可以采用玻璃钢或者角铁等材料制成，能够保证装置的结构强度以及结构的稳定性。底板和侧板的设置有利于框架整体的稳定性，还能确保水流通过框架内排出，避免水流从框架周围流失，而且底板的设置便于两闸板的安装。

闸板平行设置为两个，两闸板位于两侧板之间，每个闸板均能向上或向下移动，且当两闸板上下移动时，水流经由框架向外流出。两闸板设置为低位板、高位板，水流由低位板一侧朝着高位板一侧向外流出。每个闸板的高度均低于侧板的高度，且每个闸板的高度均大于侧板高度的1/2。两侧板相对一侧分别安装有竖直设置的滑槽，闸板两侧分别嵌设在两滑槽内，滑槽内固设有与两闸板对应设置的两限位柱，每个闸板两侧均对称开设与限位柱对应设置的一列限位孔。两闸板之间相互贴合，每个闸板顶部均覆盖有第一密封条。两滑槽内分别固设分隔板，且分隔板将滑槽分成两活动槽，两闸板分别位于对应的活动槽内，每个活动槽内均固设有限位柱。两闸板相对一侧分别设置有若干第二密封条。在闸板上设置把手，把手可以设置在闸板的顶部或者侧面，便于操作者在闸板上施加作用力。也可以在框架上设置伺服电机以及螺杆等来控制闸板的上下移动，甚至还可以通过电子设备进行远程控制伺服电机工作，进一步提高自动化控制生产的目的。

3.2 装置安装与使用

灌排控制装置安装在稻田与排水沟之间的田埂上或农田排水管靠农田一侧，安装时横梁顶面与田面齐平，箱体底板略低于旱季作物田间沟底。灌排控制装置箱体高度及闸板高度应充分考虑当地旱季作物排水要求，下闸板高度应大于旱季作物田间排水沟深度，建议灌排控制装置高度为40～50 cm。安装前要先分清排水闸方向，高位升降门位于水田侧，低位升降门位于排水渠侧。现场安装时先在田埂适当位置挖一上宽下窄梯形凹槽，底面略宽于灌排控制装置宽度，然后平铺一层黏土与生石灰捣碎拌合均匀的混合料，灌排控制装置定位后压实并校准高程，然后侧板两侧用黏土与生石灰混合料分层填筑并压实，也可用水泥砂浆代替混合料。

双闸板溢流式水田精准灌排控制装置设计时充分考虑南方地区稻——旱轮作模式。水稻生长季，灌排控制装置下闸板压至底板挡水，上闸板根据水稻不同生长期耐淹深度按滑槽上的刻度进行调节，拦蓄灌溉水，同时可将设定的灌溉水深至水稻耐淹水深之间的库容用于积蓄降雨，当超量灌水或遇暴雨时，超过耐淹深度的多余水量由上闸板顶部溢流至排水沟。旱作物生长季，上、下闸板全部提至上部，田间涝水经灌排控制装置底板面排至排水沟。

正常排水时（通常是水田内水量过多），若是从低位板下方排水，水流在重力影响下，具有较大的冲击力，容易对农作物根部产生影响。因此，正常排水时直接控制高位板向下移动，水流由高位板上方排出，便于水田内的储水由上至下逐渐向外排出，水流流动相对平缓，进而确保农作物稳定生长。

4 装置优势及推广应用

4.1 装置优势

现有的水田往往在田埂上开设进水口、排水口来进行灌溉以及排水，不能精准控制水层深度和及时排水，不能准确把握排水量。对于种植的农作物来说，不同生长阶段需要的水分不同，如此进一步加大了对水量控制的难度。

与现有技术相比，双闸板溢流式水田精准灌排控制装置结构设置合理，通过两个闸板的设置控制排水，操作简便；通过控制闸板位置的变化，可以实现农田水层精准控制和完全排水的目的，使用效果好。该装置在水稻生长期采用闸板顶部溢流排水方式，改变了传统排水装置底部排水方式，有效阻止了田面水土流失，同时由于稻田田面水中氮、磷元素浓度随田面水深高度从上到下依次升高，在稻田蓄雨情况下，通过闸板顶部溢流排水可减少农田氮磷流失，降低河道污染。通过控制水田蓄雨深度，可拦蓄雨水，降低洪峰，提升平原河网圩区运行效率。该装置还具有投资较少、维护管理方便和维护费用低等优势。

4.2 推广应用及效果

水稻节水灌溉技术通过充分利用降雨、减少灌排次数和灌排水量，达到节水减排目的。但在实际应用中发现，放水员的管理水平、稻田的保水蓄水能力，特别是现有的农田灌排控制装置难以管理等问题，成为该项技术的推广难点。双闸板溢流式水田精准灌排控制装置的研制，为水稻节水灌溉技术的推广应用提供了简单易行的手段。双闸板溢流式水田精准灌排控制装置研制并申请专利后，于2021 年在浙江省平湖市灌溉试验站进行使用，并在平湖市16个小型灌区进行推广，已推广应用3 000 套以上，装置应用现场见图2。浙江省平湖市水稻种植以单季稻为主，2021 年生长季为6-11 月，采用水稻蓄雨薄露灌溉方式，薄露灌溉是一种水稻灌溉薄水层、适时落干露田的灌溉技术。为提高雨水利用率，平湖市制定了蓄雨薄露灌溉田间水层控制标准，详见表1。

图2 水田精准灌排控制装置现场图

表1 平湖市蓄雨薄露灌溉田间水层控制标准（单季稻） 单位：mm

平湖市灌溉试验站试验田水稻种植采用直播方式，于2021 年6 月10-13 日泡田，6 月14 日播种，11 月5 日黄熟，生长期145 d。水稻生长期灌溉基本按表1 灌溉上限执行，排水口上闸板高度按蓄雨上限执行。根据试验站对4 个试验田块的灌排水观测记录（表2），本田期农田灌水量为307.5～368.5 mm，折205.1～245.8 m3，为浙江省薄露灌溉定额（75%保证率）的76%～91%，雨水有效利用率达到64.1%和66.4%。水田灌溉后，水中含有无机氮、农药等物质，静置后一般沉淀在水田底部。排水时水流从闸门表层开始，排走的基本以沉淀后的清水为主，田内淤泥和小石块被阻挡在闸门内，既防止农作物所需营养物质和水土流失，又减少排水沟渠和河道淤泥的堆积，还减轻了河道污染，有利于环境保护。经过在平湖市2021 年水稻生长期的推广应用，水田精准灌排控制装充分发挥了蓄雨、节水、减排、调峰等作用，取得了显著的节水减排综合效果，得到种植户、放水员和农技人员的一致好评。根据测算，2021 年平湖市应用了水田精准灌排控制装置的稻田，同期灌溉用电相比2020 年，减少了26.8 万kW·h，节电5.7%，灌溉用水减少了约938 万m3。

表2 平湖市灌溉试验站水稻灌排水观测记录

由于该灌排控制装置结构简单，制作方便，成本低，且操作简单，无需人工值守，减轻了放水员劳动强度，具有很好的推广价值。

5 结 语

水田精准灌排控制是防治水田面源污染的关键环节，能够发挥蓄水、节水、减排、调峰等作用，明显减少农田面源污染对水体的影响。本文设计的双闸板溢流式水田精准灌排控制装置简单实用，配合水稻节水灌溉技术推广和水稻田防渗、防漏改造，不仅能提升水稻生产过程中的水肥利用效率，具有显著的经济效益，还能通过有效防治农业面源污染，产生显著的环境效益，在水稻种植中值得广泛推广应用。

在经济成本可控的前提下，该灌排控制装置后续可以考虑增设远程自动控制功能，也可增设水位监测功能，通过与进水口联动，实现自动化精准灌溉，提升农田排水管理的数字化水平。