噴灌技術發展趨勢分析

山東是農業大省，而農業是用水大戶。2018—2022年，全省年均用水量為2.17×1010m3，其中年均農業用水量為1.29×1010m3，約占用水總量的59.2%。從國內外的經驗看，通過噴灌等節水灌溉技術，提高灌溉水的利用率，無疑是一種解決農業用水危機，緩解水資源供需矛盾的有效途徑。

噴灌是借助水泵和管道系統或利用自然水源的落差，把具有一定壓力的水噴到空中，散成小水滴或形成彌霧降落到植物上和地面上的灌溉方式。研究表明，噴灌比漫灌節水約30%～50%，適合區域化控制，還可以同時施用水、肥料和殺蟲劑，減少植物病蟲害的發生，抑制雜草的生長，為作物生長提供良好的條件，具有增產、提高耕地利用率等優點。然而，噴灌技術的發展仍面臨著一些挑戰：一是如何避免徑流并減少風的影響；二是如何繼續提高噴灌的灌溉效率；三是如何更有效地做好灌溉調度。近年來，許多研究人員正在嘗試通過改進噴頭技術，擴大單機控制范圍，運用信息化技術降低與噴灌管理相關的成本等方式來應對以上挑戰。

一、噴頭技術的發展

噴頭是噴灌機最重要的組成部件，壓力水經過它噴射到空中，散成細小水滴并均勻散落到灌溉面積上，對作物進行灌溉。因此噴頭的性能、結構形式和制造質量將直接影響灌溉質量。按照噴頭工作壓力和射程大小可分為低壓噴頭（近射程噴頭）、中壓噴頭（中射程噴頭）和高壓噴頭（遠射程噴頭）三種。

高壓噴頭單機灌溉面積大，灌溉效率高，但是水滴對作物的沖擊強度較大，在大田作物中應用較多。為減小水滴對作物的沖擊，提高水量分布均勻性，需要用固定的分散裝置機械地破碎射流，以促進射流破碎，改善水的分布，例如，孔板噴嘴、非圓形噴嘴等。有研究人員基于“柯恩達效應”開發了一種渦輪蝸桿式噴頭，水從噴嘴流入安裝在流體部件中的管道，形成低壓區，改善了水的分布，但在射流噴頭的旋轉均勻性方面仍然有改進空間。因此，噴頭部件的優化對于提高其旋轉穩定性和水量分布均勻性是必不可少的。低壓噴頭作業于作物冠層內或附近，具有產生徑流少、對水壓要求低、對作物沖擊力度小，造成的蒸發損失少等優勢，在蔬菜和幼嫩作物灌溉等方面的應用越來越廣泛。在園林灌溉方面，彈出式噴頭應用越來越多。彈出式噴頭的旋轉噴嘴噴射多軌跡旋轉流，可以比傳統噴頭更緩慢、更均勻地噴水，并且具有抗風、起霧少、地表徑流少等優點，相比傳統噴頭可節水約20%。

選擇噴頭時，工作壓力是噴灌系統的重要技術參數。它直接決定噴頭的射程，并關系到設備投資、運行成本、噴灌質量和工程占地等。如果采用高壓噴頭，則射程遠，但因配套功率大，運行成本高，噴出的水滴粗，受風影響大，噴灌質量不易保證。如果采用低壓噴頭，則水滴細，噴灌質量容易保證，而且運行成本低，但管道用量大，投資高。因此，選擇噴頭工作壓力時，要根據農業技術要求、經濟條件及噴頭型號、性能等綜合進行經濟技術比較而確定。選擇噴頭時還要考慮使噴頭各方面水力性能適合于噴灌作物和土壤特點。對于蔬菜和幼嫩作物要選用具有細小水滴的噴頭；而玉米、高粱、茶葉等大田作物則可采用水滴較粗的噴頭。對于黏性土，要選用噴灌強度低的噴頭；而砂質土，則可選用噴灌強度高的噴頭，此外，根據噴灑方式的要求不同，有時可選用扇形或圓形噴灑的噴頭。

二、智能灌溉技術的應用

近年來，自動化技術、傳感器技術、通訊技術、計算機技術等在灌溉方面的應用越來越廣泛，常見的主要有如下幾種。

（一）雨量傳感器系統。通過監測降水量，自動關閉噴灌系統，避免農田中過多的水分造成作物浸泡或底部浸潤。雨量傳感器連接到噴頭計時器，當節流裝置上的傳感器檢測到水時，可自動關閉噴灌系統。當收集的雨水從傳感器中蒸發后，計時器將重新開始計時。雨量傳感器是一種簡單、經濟且有用的工具，不僅可以提高作物的產量和品質，還可以節約大量的灌溉水源，減少水資源浪費。

（二）土壤濕度傳感器系統。通過使用傳感器測得的土壤含水量信息來啟動或跳過灌溉計時器上的計劃灌溉周期。該系統具有可調節的土壤含水量閾值設置，如果土壤含水量超過設定值，則跳過計劃灌溉周期；如果土壤含水量低于設定值，則啟動灌溉，并重置計劃灌溉周期。該系統的另一種控制技術是“按需”控制灌溉量，即控制器在土壤含水量低閾值時啟動灌溉，在高閾值時終止灌溉。

（三）物聯網。傳感器可以通過無線網絡（Wi-Fi）連接，并由此連接到互聯網，使用戶可以通過手機、電腦等設備實時查看土壤墑情、天氣狀況、天氣預報等，用于調整灌溉時間和灌溉量。一些傳感器還可以通過局域網（LAN）連接，即使沒有互聯網也可以根據土壤墑情自動控制灌溉時間和灌溉量。

三、灌溉調度和水資源管理

灌溉調度通過氣候數據、天氣預報，以及作物對溫度變化、莖生長速率變化和土壤濕度的反應來預估未來用水需求，以避免出現灌溉過度或灌溉不足的情況。良好的灌溉調度通過合理安排灌溉時間和灌溉量，可以有效提高水資源的利用率。

大多數灌溉調度模型使用實時或歷史天氣數據并根據蒸發量來安排灌溉。美國土木工程學會（ASCE）的ET crop方程參數為最高和最低氣溫、凈太陽輻射、平均蒸氣壓和平均風速。該模型被廣泛認為是進行灌溉調度的最佳參考之一。研究表明，玉米、高粱、木薯、甘蔗、大麥等作物的產量和蒸散量之間存在線性關系。在生長過程中，每種作物都需要根據生長階段的不同而定水量。為了在水資源條件有限的前提下追求最大產量，20世紀70年代中期，一種新型灌溉方法——作物虧缺控制灌溉在傳統灌溉原理和方法的基礎上發展起來。與傳統的灌溉模式不同，作物虧缺控制灌溉是在水分限制條件下，放棄部分單產，追求總產量。有研究人員基于田間研究的實驗結果和長期天氣數據，設計了一種玉米灌溉模型，用于評價堪薩斯州西南部玉米種植的幾種赤字灌溉策略，以評估玉米的水分需求量、播種時最佳土壤墑情以及終止灌溉標準。研究表明，與在更高的土壤含水量下開始灌溉相比，基于50%作物有效土壤含水量閾值的灌溉調度能最大限度地提高凈回報。

四、噴灌技術尚需解決的問題

（一）通過噴灌，灌溉水中混合的肥料會立即與作物莖葉接觸。葉片對鹽分吸收會導致光合作用的減少或葉片的結構損傷。此外，噴灌水量分布不均勻會導致土壤中某些區域鹽分集中，從而降低作物產量。養分也有可能應用于根系不活躍的地區，從而降低肥料的使用效率。

（二）噴頭技術上面臨的挑戰在于如何研究出一種同時具有單機灌溉面積大、灌溉效率高、對作物的打擊強度小、對水壓要求低、水量分布均勻、產生徑流少、造成的蒸發損失小，抗風、少霧等優點的噴頭。

（三）以往灌溉調度模型的研究作物多是玉米、小麥、水稻等一年生作物，且多是利用無脅迫條件下的作物水分利用率來確定試驗作物，而沒有考慮不同生長階段和脅迫條件下全年和多年生作物。

（四）如何將從實地試驗中獲得的節水情況推廣到氣候、土壤等環境條件不同的其他地區，仍有待研究。實地試驗研究了每種作物的節水情況，但沒有說明這些節水效果如何因不同的作物特性而變化。我省各地自然條件、經濟條件和管理水平都有較大差別，必須按照噴灌技術的適宜范圍，按經濟規律辦事，因地制宜地發展噴灌技術和選擇最佳的噴灌方式。