基于节水控制理念的一种农田灌溉装置设计

师向军

临洮县洮河灌区服务中心，甘肃 临洮 730500

0 引言

农业是国民经济发展的基石，但由于我国水资源分布极不均匀，近年来水资源短缺的问题越发明显，因而不利于农业经济的快速发展［1］。科技创新是实现农业现代化的根本动力。在现有农业生产体系下，采用先进的农业生产技术解决传统农田灌溉中存在的过量蒸发、渗漏等水资源浪费问题，是提高水资源利用率、实现农业灌溉水资源优化配置的重要途径之一。因此，在农业生产中，各地需要根据当地农业生产的特点，加强农田节水灌溉技术的研发推广工作，以进一步降低农业用水成本，实现农业高效灌溉，缓解水资源短缺问题，提高农业生产效益，满足农业生产用水需求［2-3］。

现阶段，我国农田灌溉方式有地面灌溉、普通喷灌、微灌等［4］。地面灌溉包括畦灌、沟灌、淹灌和漫灌，但这类灌溉方式往往耗水量大、水资源利用率较低，是一类很不合理的农业灌溉方式［5］；普通喷灌是目前我国农业生产中应用较普遍的灌溉方式，该灌溉方式依然存在水资源浪费现象，水资源利用率不高［6］；微灌包括微喷灌、滴灌、渗灌等，该灌溉方式节水性能好，水资源利用率较地面灌溉、普通喷灌方式高［7］。

为提高水资源利用率，节约水资源，部分地区在喷灌中使用具有节水功能的农田灌溉装置，以达到节水的目的，但是在实际使用过程中，喷灌装置受外界风力的影响较大，进而影响装置的喷灌效果及节水效果，降低装置的实用性［8］。此外，现有的具有节水功能的农田灌溉装置在使用过程中通常由三脚架固定在地面上，但是由于装置整体质量较轻，且装置与地面的接触面积有限，因而其在使用过程中稳定性较低，容易因侧翻而导致喷灌中断，降低装置的功能性［9-10］。因此，设计研发一种节水、稳定、高效的农田灌溉装置具有必要性。

1 农田灌溉装置设计原理

笔者设计的农田灌溉装置主要是为了解决风力影响造成的水资源浪费问题和装置与地面接触不稳定的问题。

为解决风力影响造成的水资源浪费问题，该装置设置了风速传感器和电磁阀。在喷灌过程中，利用风速传感器实时监测外界的风速；当风速达到设定值时便通过操作面板控制电磁阀运转，将导流管关闭，停止喷灌。这样一方面可以防止因风力过大而影响装置的喷灌效果，另一方面可以防止因风力过大而造成水资源浪费，从而提高装置的实用性。

为解决装置与地面接触不稳定的问题，该装置设置了伸缩杆和倒刺。在将装置固定在地面的过程中，可通过调节伸缩杆的长度使倒刺插在田地土壤中，进而利用倒刺及伸缩杆对装置进行辅助支撑，同时增大装置的支撑面积，以保证装置工作时的稳定性及喷灌的连续性，提高装置功能性［7］。

2 农田灌溉装置结构组成

笔者设计的农田灌溉装置结构组成如图1 所示。该装置主要由导流管、紧固螺栓、电控盒、风速传感器、旋转喷头、电磁阀、滑环、连接座、支撑杆、倒刺一、操作面板、电池座、伸缩杆、倒刺二等组成。导流管上设置有滑环，滑环一侧壁上设置有紧固螺栓，可使滑环在导流管上移动，进而调节支撑杆的扩张角度；支撑杆扩张角度调节完成后，通过紧固螺栓将滑环固定；滑环侧壁上设置有连接座，连接座上设置有支撑杆，支撑杆底端固定有倒刺一（将倒刺一插在田地中，可对装置进行支撑）；支撑杆一侧壁上设置有伸缩杆，伸缩杆底端设置有倒刺二，在支撑过程中通过调节伸缩杆的伸缩长度使倒刺二也插在田地土壤中，使倒刺二及伸缩杆对装置进行辅助支撑，同时增大装置的支撑面积，保证装置工作时的稳定性及喷灌的连续性，提高装置的功能性。

图1 基于节水控制的农田灌溉装置结构图

导流管上端安装有旋转喷头，将外界供水管与导流管的底端连接即可对装置进行供水，水经导流管及旋转喷头喷出对农田进行喷灌；导流管一侧壁上设置有电控盒，电控盒上端安装有风速传感器，电控盒内安装有电池座，电控盒一侧壁上设置有操作面板（用于控制装置的工作），电池座内的电池为装置提供所需的电能；支撑杆另一侧壁上设置有电磁阀。在喷灌过程中，风速传感器实时监测外界的风速，当风速达到设定值时便通过操作面板控制电磁阀运转，将导流管关闭，停止喷灌。

3 农田灌溉装置应用优势

笔者设计的农田灌溉装置具有省水、省肥和省工的优点。一是该农田灌溉装置在灌溉时没有输水损失，能有效减少由于水分蒸发、地表渗漏、设备损伤等造成的水资源浪费，和传统灌溉相比，省水50%以上。二是该农田灌溉装置是通过外界供水管与导流管的底端连接进行供水供肥，可实现施肥的定位定时控制，更利于发挥肥效，减少杂草滋生和水土流失造成的肥料损失，相比沟灌能省肥35%以上。三是相比于人工运水灌溉等传统灌溉方式，该农田灌溉装置导流管上端安装有旋转喷头，水经导流管及旋转喷头喷出对农田进行喷灌，大大节省了人力灌溉成本［11］。此外，该农田灌溉装置独特的支撑设置，进一步增加了装置的稳定性，可避免由于风力过大对装置造成损坏，进一步降低了装置维修成本。

4 结束语

由于我国人均耕地面积小，因此必须发展现代农业，大力推广现代化农业技术，以提高耕地产出效率。近年来，我国的节水灌溉技术研发与推广应用进入了快速发展阶段［12］。依据第三次全国农业普查结果，我国灌溉耕地面积占耕地总面积的45.9%，其中节水灌溉耕地面积占灌溉耕地面积的55.4%，具备喷灌、滴灌、渗灌等灌溉设施的耕地面积占灌溉耕地面积的16.2%，农田灌溉水有效利用系数为0.559［13］。虽然我国的节水灌溉技术研发与推广应用得到了快速发展，但是与发达国家仍然有一定的差距，节水灌溉技术的发展与应用空间依然巨大。

2023 年中央一号文件明确提出加快建设农业强国，重点补齐土壤改良、农田灌排设施等短板，推进渠道防渗、管道输水灌溉、微喷灌等农田节水灌溉技术应用，提升农业生产水资源利用效率［14］。随着经济社会的快速发展，水资源短缺问题的日益严重，大力推进节水灌溉是有效缓解农业和社会发展用水问题的根本途径，是保障国家粮食安全的重要基石，也是实现农业高质量发展的必然要求［15-17］。而开展节水灌溉技术的研发和推广工作是解决农业生产水资源短缺、提高农田水利灌溉效率、提升农业生产水平的重要措施［18］。喷灌技术是重要的节水灌溉技术之一，具有节省用水、改善农田小气候等重要作用，而且喷灌对灌溉地形要求低，能适应不同环境的灌溉作业。有研究表明，喷灌可比坡面灌溉节省30%以上的水量［19］。同时，喷灌可以与施肥、喷药等相结合，有效提升作业效率，提高农作物产量。但是在实际应用中，喷灌易受到风力影响，导致水资源利用效率大打折扣［20］。笔者设计的基于节水控制理念的农田灌溉装置能避免风力对喷灌效果的影响，可减少水资源浪费，提高装置稳定性和实用性，十分适宜在农田灌溉中大力推广应用。