錦州市實用灌溉新模式效益研究

王 凡

(錦州市水利事務服務中心，遼寧 錦州 121000)

錦州市位于遼寧省的西南部，屬暖溫帶半濕潤氣候，降水四季不均，年均降水量567mm，其中60%～70%集中在夏季。錦州作為遼寧省糧食主產區，卻飽受干旱侵害，嚴重制約了當地的糧食保障與經濟發展[1-4]。為了促進農業發展，保障糧食安全，增加農民收入，2011年遼寧省政府啟動了千萬畝滴灌工程項目；2012年，啟動了東北四省節水增糧行動，計劃在遼寧地區發展600畝節水灌溉農業試驗田[5-7]。在這些工程中，噴微灌技術發揮了顯著效益，但同時也存在一些問題：錦州市以農戶承包責任制和分散經營為主，需要既節約水量又節約資金的小型噴微灌設備，普通微灌一次性投資較大，微灌抗堵塞能力差；年內降水分布不均導致設備使用率低，影響農戶積極性，缺乏可以適時補充灌溉的新型灌水設備；部分邊遠地區和坡耕地地區，電力基礎仍未完善，制約節水灌溉技術的應用；缺乏配套的灌溉制度及田間灌溉方式；如何將先進的灌溉技術與大規模農業生產相結合，將節水灌溉技術應用在復雜的地形中等。這些問題嚴重制約了錦州市節水灌溉技術的發展[8-11]。依托遼寧省水利廳組織開展的“微潤灌溉技術推廣” “高效灌溉新技術推廣”等課題，篩選出具備推廣應用條件的節水灌溉技術，在錦州市不同作物、不同地區資源條件下進行應用。“風力提水+蓄水池模式+吸力式微潤灌水器”灌溉新模式自2014年起在黑山及凌海推廣，效果顯著，大大提高了灌溉效率和農產的生產積極性。

1 節水灌溉新模式

“風力提水+蓄水池模式+吸力式微潤灌水器”模式是在缺乏電力能源但風力能源豐富的偏遠地區，利用風力清潔能源轉化為機械能來進行提水。在高處修建配備蓄水池，提高勢能，為微潤灌提供水源動力，這樣可以大大提升灌溉水源的保證率，同時也避免了因使用柴油機等傳統動力方式導致的環境污染問題。

1.1 新型風力提水灌溉系統

如圖1、圖2所示，新型風力提水灌溉系統主要包括機艙、塔架、風力傳動部分、機械傳動部分、提水部分和蓄水灌溉部分等。

圖1 新型風力提水灌溉系統

圖2 新型風力提水系統

機艙包括主軸、曲軸、連桿、支撐架和機箱等部分，主要用于風能傳輸。塔架以立式鐵桁架為主體，下端固定在混凝土底座上，上端連接云臺，塔架一般分段預制，實地焊接為整體，主要起到支撐穩定作用。風力傳動部分通過多槳葉片的轉動，直接帶動主軸和曲軸旋轉，將風能轉化為機械能，并通過連桿向擺臂鋼纜傳力系統進行傳輸。機械傳動部分直接將風機產生的動力通過鋼纜傳輸到水泵活塞上，將能量進行有效轉換，直接將風能轉化為機械能進行提水，避免了通過風能發電再提水造成的能量損耗。

提水部分是在水泵上下兩部分分別安裝4個逆止閥門，雙向作用進行提水，尤其是通過鋼纜與水泵的活塞連接，活塞往復運動，大大避免了旋轉式水泵造成的能量損耗。

蓄水灌溉部分的主要作用是將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風力提水設備的提水能力相關，另一方面和控制灌溉面積相關。蓄水池一般利用混凝土漿砌石筑成，在一側下部預設1個出水口，當風力提水設備系統和低壓灌溉設備相結合時，可以直接與灌溉系統相連接，利用蓄水池內水壓和沿坡降增加的水頭自流灌溉；當風力提水設備與噴灌等需要一定壓力的灌溉系統聯合應用時，可以用水泵從蓄水池內提水灌溉。

實用新型風力提水機分為3種規格型號，即低揚程大流量型、中揚程中流量型、高揚程小流量型。其結構型式一樣，工作原理完全相同。中揚程中流量型風力提水機應用較多，其主要參數見表1。

表1 風力提水機參數

風力機安裝在地勢高、風源條件好、接近水源的地方，附近沒有高大障礙物，能夠使風機四面臨風。在地形上，可以放置于小山包之上，或雖處凹地，但形如走廊，總有疾風勁吹的地方。風力機要離蓄水池15m左右，并且避開高壓線路、通信線路、公路鐵路、人行路、水池等，遠離障礙物(如樹木、居民區、高大建筑物)200m為宜，風葉要高于建筑物2m以上。要注意渦旋氣流對風力機的破壞，嚴禁在立陡崖上以及1m以上高度的立墻面附近安裝風力機。

經過實踐應用，新型風力提水系統主要優點如下。

1.1.1 制造和運營成本低

據統計，目前農田灌溉所需要的高低壓網線及變電設備平均每畝地至少需要700元，加上電機和水泵等費用可達千元，按100畝為一個灌溉單元計算，僅這部分費用就高達7.0萬～10.0萬元，造價很高。而新型風力提水機造價僅為3.5萬元；另外，由于其特殊的傳力結構，直接將風能轉變成機械能，無須傳統風力發電提水逆變電設備及后續昂貴的維修費用，運行成本很低。

1.1.2 維修成本低

傳統的風力發電提水設備是將風能直接轉變成電能，儲存在蓄電池組內，再通過逆變器等設備將電變壓成380V的動力電，帶動電機和水泵進行工作。在5kW風力發電提水系統中，蓄電池組和逆變設備的造價高達3萬元以上，其使用壽命一般不超過兩年，有的甚至不到一年，價格較高。而本次推廣的設備直接采用機械傳動，將風能轉化為機械能提水，結構簡單，配件價格低廉，沒有使用價格昂貴的逆變電系統，維護和維修成本僅為200元/臺。

1.1.3 低碳環保

本次計劃推廣的風力提水灌溉系統運行不用電、不用油，碳排放量為0，可實現提水機械化，能充分利用小水源、低水高揚、零存整取、貯用結合、結構簡單、拆卸安裝簡便，既省時省力，又低碳環保。

1.1.4 適用范圍廣

我國沙漠化地區廣闊，加大植樹造林力度是有效治理和利用沙漠化土地的一個主要途徑，但長期以來在沙漠化地區造林成活率低，一直制約著治理沙漠化土地的進程，亟待解決的就是水的問題。沙漠化地區一般位置偏遠，經濟不發達，無論是拉設電網還是采用柴油機提水，成本極高，還帶來了大量能源的消耗，增加了碳的排放量。而風力提水灌溉系統則恰恰利用了沙漠化地區風力資源豐富這一特點，充分利用當地風力資源，運行不需要電、煤和油等能源和燃料，運營成本和維修成本很低，屬于清潔型能源，不污染環境，還可以大大提高應用地區農作物、畜牧業產品產量，提升品質。特別適用于東北、西北、華北等多風沙漠化地區和平原區，以及沿海多風地區。

1.2 蓄水裝置

蓄水裝置可使用鋼筋混凝土蓄水池和塑料蓄水桶。鋼筋混凝土蓄水池采用C25鋼筋混凝土現澆結構，容積一般為15m3以上，可修筑成圓形或方形，多修筑在山頂或半山腰，便于池內存水形成較高的勢能；進水管路設有逆止閥，防止水池存水倒流；由于水池存水較多，水池開口應采取安全保護措施，避免發生意外。

常用蓄水桶規格為直徑1.6m，高1.67m，可盛水2m3，置于預先設置好的平臺(多為混凝土)之上；如使用2個以上蓄水桶，一般至少3個一起使用，每個桶均在距桶底10cm的側壁預留90mm內徑孔用于連接管路，將蓄水桶并聯作為出水管路，每條支路及出水干管上均安裝蝶閥；進水口設在桶的頂部，用于防止停泵以后蓄水倒灌；距桶底1.5m設有溢流管，防止蓄水量超過警戒水位；蓄水桶外壁應覆蓋不透明塑料薄膜，用以隔絕陽光，避免桶內水生微生物過多影響供水。

1.3 微潤灌溉技術

微潤灌溉技術的原理是利用特殊材質導水芯的毛細浸潤作用，在超低水壓條件下，向作物根部土體導水，以實現作物生長要求；其設計的主導思想是通過延長灌水時間，降低灌水強度，有效地防止土體深層重力滲漏和田間蒸發，增加作物對灌溉水分的吸收利用率，并可以有效處理灌水器物理堵塞和化學堵塞。

微潤灌溉主要通過微潤灌吸力式灌水器實現。灌水器主要由導水芯、緩沖腔和接口管組成。導水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導水性能直接決定灌水器性能的好壞。

微潤灌水器由錐形灌水體和導水芯組成(見圖3)。錐形體是儲水腔，與輸水管采取旁通式連接，依靠導水芯向作物根系輸水。儲水腔孔徑3.0mm，輸水管徑10mm。

圖3 微潤灌水器結構 (單位:mm)

與傳統的灌溉技術相比，微潤灌溉技術具有以下特點：

a.節水：微潤灌吸力式灌水器通過毛細浸潤作用濕潤作物根系活動層的部分土壤，避免了灌溉水的田間蒸發和重力水的無效滲漏，田間水的利用率可達90%以上。

b.節能：由于利用了毛細浸潤作用，微潤灌水器在2m的工作壓力下便可正常進行灌溉，降低了能耗。

c.易清除堵塞：由于灌水器的特殊結構，對于物理堵塞和化學堵塞，可方便地通過來回提拉導水芯來清除。

d.改善小氣候：在大棚中，微潤灌溉系統能適時適量地向作物根區供水供肥,為作物根系活動層土壤創造良好的水、熱、氣、養分環境，與地面灌相比，提高地溫35%；改善了棚內小氣候，提高了產品質量；濕度降低4%，減少了病蟲害的發生。

2 技術應用效果

a.黑山項目區選擇在錦州市黑山縣“綠色芳山”果園，建成水源井2眼，風力提水設備2套。項目區根據地形進行管路設計，2套風力提水設備位于山中，出水管并入干管輸送山頂蓄水池中的水，過濾器安裝于風力提水干管中，利用水壓達到過濾效果；蓄水池中的灌溉水通過自壓實現灌溉。鋪設地埋干管100m，地埋分干管1790m，鋪設地表支管3051m，微潤灌溉毛管74400m。果樹生育期共灌水7次，灌水15m3/畝，畝灌水累計105m3，較項目實施前節水120m3/畝，項目區共節水7.5萬m3，節水效果明顯；項目實施前，地區用潛水泵抽水上蓄，水泵流量約15m3/h，功率為25kW，畝灌水量約225m3/畝，則項目區合計節電18.8萬kW·h。

b.凌海項目區位于錦州市下轄凌海市吳楚莊園，此次項目使用“風力提水+蓄水池+微潤灌溉”節水灌溉技術實現園區內果樹灌溉500畝。風力提水機基礎澆筑與田間管網鋪設同步進行，在作物灌水前完成施工，新建風力提水系統4套；修建蓄水池1座，直徑10m，深2.5m；鋪設φ90PVC地埋主干管900m，φ63PVC地埋干管2000m，φ63PE支管3500m，微潤灌溉毛管75000m。項目區未實施節水技術前，用潛水泵抽水上山，水泵流量約15m3/h，功率為25kW，畝灌水量約280m3/畝，項目實施后，無須水泵抽水，則年節電23.3萬kW·h。2014年項目實施期間，果樹共灌水8次，每次灌水15m3/畝，畝灌水累計120m3，畝節水約160m3，項目區累計節水8萬m3。

3 結 語

“風力提水+蓄水池模式+吸力式微潤灌水器”節水灌溉模式給試驗項目區創造了良好的經濟效益，實施3年項目區共增收156.45萬元，累計節水15.5萬m3(見表2)。在節水增產的同時改變了傳統農業用水方式，為農村提供了新的種植方式、灌溉技術、灌溉制度和田間管理管護形式，改變了農戶對灌溉的認識，使農田灌溉日趨合理。使用節水灌溉技術可以有效改善農田土壤結構，防止土壤次生鹽漬化，保護生態環境，促進農業良性循環，向精準農業和產業化經營轉變。

表2 經濟效益計算