王 棟 巨飛雷

精量滴灌關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

王 棟 巨飛雷

滴灌是一種可根據(jù)作物需水量進(jìn)行局部控制性灌溉的現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉技術(shù)，但與目前水資源的缺乏程度相比，其推廣應(yīng)用面積仍然很小。究其原因，灌水器易堵塞、灌水均勻度難以控制、運(yùn)行能耗偏高等關(guān)鍵技術(shù)難題，嚴(yán)重制約了滴灌技術(shù)的大規(guī)模推廣與應(yīng)用。為研究精量滴灌關(guān)鍵技術(shù)，大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司聯(lián)合中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、水利部科技推廣中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所、華北水利水電學(xué)院、大禹節(jié)水（天津）有限公司，在國(guó)家863計(jì)劃、火炬計(jì)劃、重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃等課題支持下，從有效降低滴灌系統(tǒng)能耗、提高灌水均勻度、實(shí)時(shí)適量滿足作物水肥需求等目的出發(fā)，圍繞精量滴灌關(guān)鍵技術(shù)研究與系列產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用，開展了長(zhǎng)達(dá)10余年的產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同科技攻關(guān)，在精量滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法、技術(shù)與工藝、產(chǎn)品與新材料等方面取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果。2015年該項(xiàng)技術(shù)入選科技部、環(huán)境保護(hù)部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部發(fā)布的《節(jié)水治污水生態(tài)修復(fù)先進(jìn)適用技術(shù)指導(dǎo)目錄》，2016年榮獲“國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)”。

該項(xiàng)目創(chuàng)建了地表滴灌高均勻性灌水器、地下滴灌自適應(yīng)與抗堵塞灌水器、高抗堵流量自調(diào)節(jié)裝置和低壓壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)理論與方法，從根本上攻克了低壓下灌水器灌水均勻度下降、地下滴灌作物根系入侵堵塞等關(guān)鍵技術(shù)難題，填補(bǔ)了我國(guó)精量滴灌產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法的空白。同時(shí)，創(chuàng)造研制了高均勻性灌水器、壓力補(bǔ)償式抗堵塞灌水器、低壓壓力調(diào)節(jié)器等精量滴灌關(guān)鍵產(chǎn)品，創(chuàng)新了滴灌管材（件）回收再生利用技術(shù)與管材改性工藝，研制出系列精量滴灌系統(tǒng)配套設(shè)備，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)精量滴灌產(chǎn)品從仿制到自主創(chuàng)新的跨越。

項(xiàng)目研發(fā)構(gòu)建的6項(xiàng)主導(dǎo)技術(shù)與方法、創(chuàng)造研發(fā)的6種重要產(chǎn)品與設(shè)備、集約構(gòu)成的15個(gè)重大關(guān)鍵技術(shù)成果、18項(xiàng)國(guó)家專利、編制的10項(xiàng)國(guó)家及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升了精量滴灌技術(shù)產(chǎn)品的科技含量，凸顯了研發(fā)成果的原創(chuàng)性，縮短了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，推動(dòng)了行業(yè)創(chuàng)新能力建設(shè)，促進(jìn)了產(chǎn)品更新?lián)Q代，推動(dòng)了行業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,為建設(shè)現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)體系提供了支撐。目前該項(xiàng)成果在全國(guó)10多個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）累計(jì)應(yīng)用1505.1萬畝（1畝＝1/15hm2，下同），增產(chǎn)19.42億kg，平均節(jié)水30%，灌溉作物水分生產(chǎn)率達(dá)到1.5～1.7kg/m3，節(jié)肥水藥20%50%，有明顯的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥效果。累計(jì)新增社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益65.8億元，其中：新增產(chǎn)值58.9億元，節(jié)支6.9億元，畝均增效節(jié)支437元。近3年累計(jì)開墾修復(fù)農(nóng)田50萬畝，畝均節(jié)水120m3，增產(chǎn)22.8億kg，節(jié)水總量4.56億m3；開展技術(shù)培訓(xùn)130萬人次，提高了農(nóng)業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)；產(chǎn)品遠(yuǎn)銷至東南亞、澳大利亞、美國(guó)，出口創(chuàng)匯780萬美元，受到國(guó)外農(nóng)戶和相關(guān)部門好評(píng)，樹立了國(guó)產(chǎn)滴灌產(chǎn)品品牌形象和知名度，加速了滴灌產(chǎn)業(yè)的國(guó)際化進(jìn)程。該項(xiàng)技術(shù)蘊(yùn)藏著顯著的社會(huì)和間接的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

以下重點(diǎn)介紹內(nèi)鑲貼片扁平紊流壓力補(bǔ)償?shù)喂喙艿晤^技術(shù)和銅祛根防負(fù)壓抗堵塞紊流壓力補(bǔ)償?shù)叵鹿嗨骷夹g(shù)。

內(nèi)鑲貼片扁平紊流壓力補(bǔ)償?shù)喂喙艿晤^技術(shù)

針對(duì)近年我國(guó)西北地區(qū)推廣滴灌技術(shù)中發(fā)現(xiàn)滴灌管滴頭存在易堵塞，滴水穩(wěn)定性、均勻度不高，且價(jià)格高、配套過濾設(shè)備復(fù)雜等問題，大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司研發(fā)了內(nèi)鑲貼片扁平紊流壓力補(bǔ)償?shù)喂喙艿晤^技術(shù)。

1.關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

內(nèi)鑲貼片扁平紊流壓力補(bǔ)償式滴頭采用特殊的互通雙水道結(jié)構(gòu)，具有良好的自動(dòng)沖洗功能，產(chǎn)品的抗堵塞性能較強(qiáng)。其創(chuàng)新性表現(xiàn)在：①在調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)的柔性膜片由特殊材料制成特定形狀，具有在水壓發(fā)生變化后，柔性膜片發(fā)生形變和位移的雙向運(yùn)動(dòng)。②柔性膜片下開設(shè)的雙流道進(jìn)口的斷面為一傾斜面，當(dāng)壓力低時(shí)，柔性膜片發(fā)生的形變和位移覆蓋的雙流道進(jìn)口短，水流通過雙流道的路程長(zhǎng)，水流渦旋形成的阻力大，水頭能量損失大；當(dāng)壓力大時(shí)，柔性膜片的形變和位移覆蓋的雙流道進(jìn)口長(zhǎng)，水流通過雙流道的路程短，水流螺旋形成的阻力小，水頭能量損失??；通過以上過程可有效實(shí)現(xiàn)壓力—流量的補(bǔ)償。③柔性膜片下開設(shè)的雙流道為互通的雙流道，在正常狀態(tài)下兩個(gè)流道均正常工作。流道內(nèi)形成的螺旋水流具有自動(dòng)沖洗流道的功能，在一條通道發(fā)生堵塞后，正常工作的流道將對(duì)堵塞通道發(fā)生自動(dòng)沖洗作用。

2.應(yīng)用效果及前景

如甘肅省敦煌市規(guī)?；?jié)水灌溉增效示范項(xiàng)目中的1.6萬畝棉花滴灌工程，項(xiàng)目區(qū)灌溉水源為地下水，灌溉水源主要利用機(jī)井提取地下水，滴管帶選用內(nèi)鑲扁平紊流壓力補(bǔ)償?shù)喂喙?。該?xiàng)目于2013年3月開工建設(shè)，于2014年4月完成試用并投入運(yùn)行。

該項(xiàng)目的灌溉設(shè)計(jì)保證率為90%，灌溉水利用系數(shù)為0.9，棉花凈灌水定額為340m3/畝。項(xiàng)目實(shí)施后，灌溉年總需水量為786.89萬m3，較項(xiàng)目實(shí)施前節(jié)水200.69萬m3，有效改善了項(xiàng)目區(qū)水資源緊缺的狀況，農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.9。

目前該技術(shù)已經(jīng)在甘肅、新疆、寧夏、青海、內(nèi)蒙古等?。ㄗ灾螀^(qū)）推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。經(jīng)測(cè)算，采用內(nèi)鑲扁平紊流壓力補(bǔ)償?shù)喂喙艿晤^技術(shù)，作物增產(chǎn)20%～100%，節(jié)水50%～80%，省水50%，省肥20%，增加綜合經(jīng)濟(jì)效益40%以上。

由于該技術(shù)效能高、適應(yīng)性能優(yōu)良、成本低，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)適用的節(jié)水技術(shù)，適用于地形復(fù)雜、坡度較大、水質(zhì)較差的丘陵山區(qū)及沙漠地區(qū)的滴灌，應(yīng)用前景廣闊。

銅祛根防負(fù)壓抗堵塞紊流壓力補(bǔ)償?shù)叵鹿嗨骷夹g(shù)

為解決地下灌水器滴頭堵塞、灌水不均勻等技術(shù)難題，大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，主持完成了銅祛根防負(fù)壓抗堵塞紊流壓力補(bǔ)償?shù)叵鹿嗨髟囼?yàn)研究項(xiàng)目，集中攻克了根系入侵、負(fù)壓吸泥、灌水不均勻、自適應(yīng)能力差等關(guān)鍵技術(shù)難題，在銅祛根劑研制、灌水器抗堵塞性能提高、壓力補(bǔ)償紊流流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)、提高地下滴灌系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和滴水均勻度等方面取得了突破性的進(jìn)展，使地下滴灌系統(tǒng)及產(chǎn)品運(yùn)行效能得到了大幅度的提高。經(jīng)甘肅省科技廳組織的專家鑒定，該項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

1.關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

項(xiàng)目針對(duì)地下滴灌灌水器負(fù)壓吸泥、根系入侵堵塞等關(guān)鍵技術(shù)難題，研究銅祛根、防負(fù)壓、抗堵塞壓力補(bǔ)償?shù)叵碌喂嗉夹g(shù)，開發(fā)了新型防堵塞地下滴灌灌水器（見圖1）。性能試驗(yàn)測(cè)試表明，灌水器額定工作壓力達(dá)到400kPa，鋪設(shè)距離最長(zhǎng)可達(dá)1000m，適應(yīng)最大落差45m，流量均勻性偏差≤3.0%，流態(tài)指數(shù)為≤0.011，使用壽命10～15年；灌水器自潔凈率達(dá)到95%以上，堵塞率≤0.45%。田間應(yīng)用表明，主要技術(shù)性能指標(biāo)與國(guó)際同類產(chǎn)品相比有所提高，產(chǎn)品造價(jià)顯著降低，性能達(dá)到國(guó)際一流水平。

主要?jiǎng)?chuàng)新在于：①研發(fā)了銅祛根技術(shù)，抑制了作物根系入侵引起的滴頭堵塞；②改進(jìn)了硅橡膠膜片，實(shí)現(xiàn)了壓力補(bǔ)償功能，減少了灌水器流量偏差，提高了灌水均勻度；③研發(fā)了梳型窄縫進(jìn)水口、環(huán)形渦輪回環(huán)紊流流道、舌臺(tái)舌片出水口結(jié)構(gòu)、壓力補(bǔ)償紊流流道等4種新型流道結(jié)構(gòu)，有效防止了流道栓塞發(fā)生，提高了系統(tǒng)抗堵塞性和灌水穩(wěn)定性。

2.推廣應(yīng)用及發(fā)展前景

該技術(shù)（產(chǎn)品）具有防根系入侵、防負(fù)壓吸泥、自動(dòng)啟閉、自動(dòng)過濾、自動(dòng)清洗、自動(dòng)調(diào)節(jié)等抗堵塞性能，可廣泛應(yīng)用于荒漠戈壁、山區(qū)丘陵、高原坡地、坑洼淺地等干旱缺水和落差起伏地域以及飼草林果、園藝花卉、環(huán)境治理、防風(fēng)治沙等工程領(lǐng)域，灌水器自潔凈率高，抗堵塞能力和自適應(yīng)能力較強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低。

項(xiàng)目研究形成了地下滴灌自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，已申報(bào)發(fā)明專利2件，實(shí)用新型專利5件，培養(yǎng)了一支高水平地下滴灌專業(yè)技術(shù)人才隊(duì)伍，為國(guó)內(nèi)國(guó)際地下滴灌發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。目前，該技術(shù)（產(chǎn)品）已經(jīng)具備工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的條件，已累計(jì)生產(chǎn)銷售滴灌管9000萬m，產(chǎn)品已銷售輻射甘肅、新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、廣西、廣東、海南等?。ㄗ灾螀^(qū)），在國(guó)內(nèi)三北地區(qū)及南方諸省試驗(yàn)示范推廣面積達(dá)到20.24萬畝，出口遠(yuǎn)銷印度、泰國(guó)、澳大利亞等國(guó)家推廣應(yīng)用，深受海外市場(chǎng)的重視和關(guān)注。

圖1 銅祛根地下滴灌灌水器

王棟，大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，董事長(zhǎng)；巨飛雷，大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，行政部長(zhǎng)）