大型噴灌裝備技術問題分析與建議

黃 乾，高印軍，薛 雁

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南，250014；2.山東省現代農業節水工程技術研究中心，山東 濟南，250014）

山東省水資源短缺，畝均水資源量僅有263 m3，約為全國平均水平的1/6。農業是最大用水部門，占全省用水量的60%左右，農業節水關系著全省的糧食安全和水安全。噴灌是當前重要的高效節水灌溉技術，目前全省約266.67萬hm2耕地實現了土地流轉，土地規模化經營下的大中型噴灌技術設備需求增加迅速，大中型灌溉裝備具有廣闊的應用前景和巨大的節水潛力。

1 大型噴灌設備應用現狀

我國大型噴灌機械裝備以中心支軸式噴灌機（又稱圓形噴灌機、時針式噴灌機）和平移式噴灌機為主，自20世紀70年代從美國引進商品樣機后，經歷了最初模仿、關鍵部件攻關、完善提高、示范推廣后，由于設備使用條件和土地家庭承包經營制度下的矛盾，經歷了發展低潮[1]。隨著土地流轉和規模化經營，最近十幾年來又得到了大面積的使用，而且更多的是農戶、農場自發購置使用。節水灌溉噴灌面積中，管道式噴灌和輕小型噴灌機面積占比逐步下降，大中型噴灌設備占比有較大幅度上升。山東省的大中型噴灌設備的應用面積近年來不斷擴大，并且增加速度很快。

我國灌溉企業生產的大中型噴灌設備憑借性價比優勢已成為國內市場主導，并且出口國外。但總體來看，國內大中型噴灌裝備多為國外設備引進后的仿制產品或國外產品代理，只有少數國內企業較為注重自主研發。設備在方案選型規劃設計、與水源和作物需水匹配使用方面，還存在明顯不足，缺乏完備的售后培訓和服務體系。省內對大型噴灌裝備關機技術裝置和耕地適應性的科研攻關還比較欠缺。

2 存在的技術問題

2.1 噴灌機總體性能有待提高

大型噴灌機是技術含量最高的節水灌溉產品裝備，是真正意義上的灌溉機械化設備。其他灌溉方式，如管道灌溉、固定噴灌、微灌等設備設施大多為以固定和靜態使用，單元面積控制小，需要解決的技術難題單一。大型噴灌機技術復雜，要考慮大面積耕地（單元控制可達千畝以上）灌溉效果，如灌溉均勻度、精準度，還要考慮對作物的低影響、低能耗等，噴灌機整體性能和單項技術需要協調。大型噴灌裝備塔車行進過程中的速度調節、同步行進、導向控制，針對不同耕地土質和坡度的輪胎和驅動裝置，均需要專用設備；專用噴頭配型、噴灑方式、位置優化，不同規格垮架組合，地角臂系統、可脫落跨體組合技術，水壓變頻調節、過水量保護、壓力保護、水肥藥一體施用裝置等需要協同工作。大型噴灌機各個功能部件有多種組合，配套得當、價格性能合理，整機工況效率高，設備才容易被接受，使用過程中才能使用長久。目前國內大型噴灌機整體性能方面還需要進一步提升。

2.2 關鍵技術部件研發能力需要提升

由于研發成本與產出效益的不匹配，國內大型噴灌機核心設備還存在著部件精密度不高，不能自主生產或達不到進口產品性能和效率，主要以進口為主。目前關鍵技術設備存在以下問題：國產系列噴頭組合噴灑均勻度不高；高性能水肥施用裝置研發不足，水肥藥難以達到精準施用；適用不同土質的高性能、大負載減速器研發不足；缺乏國產化的智能決策和遠程控制系統軟件等。這些均導致大型噴灌機核心部件的選擇和更換非常不便。經常出現國產大型噴灌機，外殼和一般部件為國產，重要核心部件國外購置組裝。關鍵技術設備性能的缺陷導致了大型噴灌裝備成本和后期維修養護經費的增加。

2.3 新技術和設備研發相對滯后

一些引領大型噴灌機發展方向的新技術，如變量灌溉技術、低能耗精準灌溉技術等研究還明顯不足。例如大型噴灌機變量灌溉技術（VRI），是解決大型噴灌機較大單機控制面積內土壤、作物空間變異問題，提高灌溉水利用效率的新方法，其系統組成方法的理論研究較為成熟，但大型噴灌機變量灌溉系統需要的軟硬件，如變量供水裝置、定位系統、控制系統等產品開發尚存在較多的時間[1]，國內對于實現VRI的主流技術脈沖寬度調制（PWM），目前主要處于計算機模擬和小規模試驗研究[2，3]，相關技術產品的研發相對滯后。

2.4 相關設計水平有待提高

大型噴灌設備適用于地表水、地下水等各種水源的大面積灌溉，對作物和土壤質地有很好的適應性，坡度不大、地塊相對集中、無高大障礙物的耕地均可以規劃設計使用大型噴灌機。大多數大型噴灌機的規劃設計、設備選型，其過程包括灌溉地塊地形查勘、水源分析、作物調查、灌溉規劃布置和噴灌機參數選擇等，對應的計算包括作物灌溉需水、機組運行速度和運行時間，管道水力計算和水泵選型，跨架長度和主要設備清單。用戶根據設計成果選擇相應的大型灌溉設備。筆者從用戶使用和廠家裝配調查來看，很多設計單位人員對大型噴灌機缺乏了解，雖然滿足大型噴灌機設計規范基本要求，但設計深度不足，沒有考慮一些必要的技術因素如土壤入滲能力，作物葉面打擊強度，噴頭布置方式和安裝高度，地角漏噴處理等，需要設備廠家后期按經驗完成和補充。按照作物最大需水量設計的噴灌機運行方式不適用于作物各階段的用水需求和噴灌機低能耗運行模式，達不到最佳節水節能效果。國產化的相關設計軟件需要盡快開發。國外設備廠商一些設備選型設計說明和調查表等都值得學習和借鑒。

2.5 應用效果數據庫需要完善

國外大型灌溉設備企業有著近70年的研發生產經歷，形成了海量的應用數據和經驗參數，很注重使用過程中的試驗數據、應用效果的積累和分析。一些國外企業在新設備和新技術研發后，會進行一年以上的試驗研究，對應用效果和效益進行分析，內容包括不同降水水平年的用水量、作物產量，新設備投資與經濟產出比較，種植戶對設備應用的反饋等。國內相關企業和科研院所如果能完善相關的數據庫，所積累的試驗和應用數據將有助于新設備的改進提升，盡量避免在大型噴灌設備設計、應用過程中走彎路，提高工作效率與產品性能。

3 發展趨勢與建議

3.1 發展趨勢

1）大型噴灌設備有更大發展空間。隨著我國經濟的高速發展和科技實力的增強，中國農業排灌事業進入一個新的發展階段。隨著我國土地流轉、土地規模化經營、土地托管等土地集中管理面積的擴大，農耕、播種、施肥（藥）、收獲都逐步實現了普遍的機械化作業，灌溉的機械化水平相比較而言還有待于提高，以人力為主的灌溉方式，將逐步被灌溉設備替代，大型噴灌設備可以節約水資源和勞動力資源，發展潛力巨大，市場前景廣闊。在噴灌產業化方面，世界上各種類別的噴灌設備在我國基本都有，我國耕地和管理模式的系列化、標準化產品將快速研發。

2）設備的發展需適應我國農田建設和耕作模式。美國是大型噴灌設備的發源地，但自然社會條件的差異決定了應用大型噴灌設備的條件和過程也不同。根據美國農業部2018年數據，美國進行灌溉的農場有23萬多個，灌溉面積2 266.67萬hm2，每戶農場平均耕地面積為176.67 hm2[4]。而我國地少人多，人均耕地占有量不足美國的1/6，農民人均耕地大約為美國的1%，即使土地實施集中管理耕作，精耕細作、充分利用耕地仍是我國的耕植特點，因此用戶在大型噴灌機（以指針式噴灌機為主）的使用上與美國等國家的理念和操作有較大區別。例如：我國農田以方田為主，大部分農戶對指針式噴灌機圓形地角漏噴情況不易接受；農田機耕路普遍較窄且兼顧通行通車，路邊村村通電桿設施、生態防風林等，導致大型平移式噴灌機難以適應道路和障礙物等，適應中小地塊的指針式噴灌機將會更多應用。因此，切實了解我國農田建設和耕作模式，研發適用于我國耕作特點的大型噴灌裝備產品是目前應注重的方向。

3.2 建議

1）企業參與更多研發任務。國內不少科研院所和生產企業針對噴灌設備現在技術問題對大型噴灌裝備關鍵技術和設備進行理論研究、試驗和產品研發。從國外研發情況看，國內相關有實力企業，在安裝、服務過程中，直接與用戶對接，對產品性能需要改進之處了解更具體。科研部門與相關企業聯合攻關，以企業為主導，實施產、學、研相結合的研發模式，并長期跟蹤產品后期使用效果，積累試驗和應用數據。

2）注重水肥一體化發展。如果大型噴灌技術設備能將肥料隨灌溉一起均勻、精準地施用于作物，將進一步降低勞動力使用量，節水的同時實現高效用肥。大型噴灌水肥一體化精準施用、測墑測肥變量灌溉，在設備和技術上還要深入研發。

3）加大購置財政補貼。盡管大型噴灌設備節水省工，但一次性投資大，設備的使用和后期維修養護相對比較繁雜，費用也不低。很多用戶為了節省設備投資，購置時省去可選的保護性部件，使用相對便宜的輸水管材和噴頭，長期使用節水效果不佳，設備壽命降低，年均投資更高。現階段大型噴灌設備的購置、培訓等仍需要政府財政資金的支持。

4 結語

經過多年的技術引進、消化、吸收、仿制和研發，我國大型噴灌設備已具備一定產能和質量水平，但相比較國外先進噴灌生產企業，如維蒙特、保爾等公司相關產品，我國大型噴灌裝備還有很大提升空間。大型噴灌裝備將更加適合我國和山東省土地規模化經營模式，市場潛力巨大。