四、喷微灌技术及设备的发展概况与前景

（一）喷灌的发展概况与前景

1.国外喷灌技术的发展历程与趋势

国外应用喷灌技术和喷灌工程，比我国要早，也要先进很多［7］。喷灌最初出现在19世纪末，首先是在德国、意大利及美国等国家，第一代喷灌机出现在1917年，但在1920年以前喷灌应用仅限于灌溉蔬菜、苗圃、果园。国外最早采用喷灌大多是从固定式系统开始。20世纪30年代出现了旋转式喷头和喷灌车，30年代以后才逐渐在美国南部以及英、法、德、意等国得到一些发展。第二次世界大战以后，端拖式（1948年）、滚移式（1951年）、中心支轴式（1955年）、卷盘牵引式（1966年）以及平移自走式（20世纪60年代末）等大中型喷灌机也相继问世，从而使喷灌技术迅速发展并走向世界各地。

当前，国外喷灌技术表现出以下趋势［8-11］：

（1）喷灌设备与喷灌系统多样化发展。不同的国家和地区适用不同的喷灌设备和喷灌系统，因此，各国都根据本国的特点因地制宜地发展多种多样的喷灌设备和喷灌系统。美国大力推广中心支轴式和平移式喷灌机，这两种喷灌机适合美国的农场现状，现在已在很多国家推广应用。俄罗斯主要发展双悬臂式喷灌机，近年来，又从美国引进“伐利”大型中心支轴式喷灌机，仿制为“费列加特”中心支轴式喷灌机以及“沃尔然卡”滚轮式大型喷灌机。德国、法国、澳大利亚等国则重点发展绞盘式喷灌机。

（2）扩大单机和系统控制面积，提高机组适应能力。国外为了提高喷灌机的生产效率，减少设备投资，节省劳力和运行管理费用，努力扩大单机控制面积。美国内布拉斯加州乐克德公司研制了一台中心支轴式喷灌机，该机由30个塔架组成，长1182m，在镀锌支管上安装有421个低压喷雾喷嘴，喷嘴尺寸随着中心支轴距离增加而加大，控制面积为6556亩，为世界最大的中心支轴式喷灌机。为了适应大型喷灌机的编组运行（一般为2～10台），提高生产效率和土地利用率，目前美国的喷灌系统已由20世纪50年代240～960亩大小的单个地块，发展到12000～60000亩的大面积喷灌区。在扩大控制面积的同时，尽力提高机组的适应能力，喷灌机组的爬坡能力由6%提高到30%；桁架结构也由过去的钢结构发展为铝合金结构，机架重量减轻60%。

（3）尽力节省能源。由于世界能源危机，近年来，一些国家不得不放慢了喷灌发展的速度。据美国内布拉斯加州调查，灌溉耗能占农业生产中耗能的43%，而喷灌耗能又是其他耕作措施耗能的10倍。因此喷灌要取得发展，必然要走节能的道路。目前采用的节能措施主要有以下两项：

1）发展低压喷头。美国将喷灌高压喷头换为工作压力为0.245MPa的低压喷头，每喷出1000 m3水能耗节省9.6美元。苏联研制的双悬臂式喷灌机，喷头工作压力为0.1MPa。1982年在美国加州国际灌排设备展览会上，各国研制的低压喷头和喷滴灌结合的喷头达100多种，特别是新研制的异形喷嘴（方形、长方形喷嘴），在低压力时仍有较好的雨量分布，受到人们注目。20世纪90年代后，各国生产的大型行喷式喷灌机几乎都改用了低压喷头。

2）开辟新能源，如风能、沼气能、太阳能等。就喷灌而言，最有利用前途的是风能。美国、澳大利亚等都开始利用风能。美国大平原地区有1.2亿亩的灌溉面积，在20世纪末有一半以上采用了风力泵。

（4）广泛使用轻质管道和塑料管道。为了减少材料消耗，减轻机组重量，降低劳动强度，提高工作效率和降低喷灌管道的投资造价，国外广泛使用轻质管道和塑料管道。奥地利鲍尔公司是一家生产喷灌和其他农牧业设备的公司，它生产的薄壁镀锌钢管壁厚为0.7mm，最大工作压力为1.1～2.0MPa，一节长6m，一个人可以扛两三节，而且由于内外镀锌和采用快速接头，连接方便、迅速，使用寿命较长，适宜在喷灌系统中做移动支管。而在国内外使用量更大的薄壁铝管，壁厚也可做到1.0mm，较薄壁钢管更为轻便。塑料管道、管件和塑料喷头大量采用，在很多国家塑料管道的用量占管道总用量的2/3以上。由于价格低廉的塑料管道大量使用，很多发达国家的灌溉系统已经取消了渠道而全部采用管道输水，如以色列、法国、西班牙等国家，输水管网遍布全国，农户只需购买节水灌溉设备，与管网系统连接，压力水即可进入田间。

（5）采用自动化技术。随着计算机的发展，在喷灌系统中采用微机控制等自动化技术，从而节省了劳力，提高了喷洒质量和生产效率，保证了机组运行的可靠性。喷灌系统采用的自动化技术一般有以下几种：

1）自动启闭。对固定、半固定式喷灌系统或者按照预先排定的轮灌周期，自动依次启闭喷头，或者根据田间土壤湿度计的信号，自动启闭喷头。

2）同步控制。对中心支轴式和平移式喷灌机，为保持各塔架之间支管成一条直线，设有同步自动控制系统。对平移式喷灌机，为保证中心塔架沿直线行走，设有激光或其他方式的自动导向系统。

3）联合调度。对不同压力区、不同喷灌区或多台喷灌机组采用联合调度运行，实行自动化控制，以达到合理、经济的目的。

4）防霜冻。在喷灌系统中设防霜冻警报系统，当气温降低到某一限定值时，发出警报并自动开启喷灌系统。

为了提高喷洒质量，国外还采用了慢喷灌、间歇喷灌、脉冲喷灌和细滴喷灌等新技术。

（6）发展综合利用，向国民经济各部门渗透。对喷灌设备进行综合利用，搞多项目作业，发挥喷灌设备多功能的经济效益。例如施化肥、农药和除草剂；防霜冻，防干热风；工业和运动场除尘，混凝土施工养护，工厂防暑降温；园艺花卉、草坪喷灌；城市喷泉，等等。

（7）重视喷灌基础理论和新技术的开发研究。注意多学科配合和协作开展喷灌基础理论的研究，为喷灌设备的水力性能和机械性能不断完善与提高打下基础，并为合理地进行喷灌系统规划设计提供可靠的准则和依据。美国、俄罗斯、日本等国多年来一直重视基础理论研究，并取得了一些成果，如射流裂变原理、雨滴打击能量、管网水力特性、土壤入渗理论，等等。

2.国内喷灌技术的发展历程与趋势

我国喷灌技术研究始于20世纪50—60年代，但真正起步却是20世纪70年代之后。喷灌技术在我国的发展大致经历了以下四个阶段［12，13］：

第一阶段，科学研究和试验尝试阶段。这一阶段开始于1954年的上海，我国首次采用折射式喷头进行蔬菜喷灌。20世纪60年代我国又开发研制成功了蜗轮蜗杆式喷头，适用于武汉等地的蔬菜喷灌。其后，在湖北、湖南、广东、江西、福建、四川、辽宁等省也先后试验将喷灌应用于经济作物和大田作物的灌溉。

第二阶段，技术发展和设备研制的高潮阶段。这一阶段从20世纪70年代中期到80年代中期，前后大约10年左右，这也是我国喷灌技术快速发展的阶段。其中，1976年中国科学院和水电部将喷灌列为重点研究项目，1978年国家计划委员会将喷灌列为重点推广项目，国务院也将喷灌列为全国60个重点推广项目之一。期间，先后引进了世界上当时几乎所有的喷灌机品种，此外还引进了铝焊管生产线、薄壁钢管生产线、ZY摇臂式喷头生产线等。

第三阶段，徘徊和低潮阶段。这一阶段开始于20世纪80年代中期，主要原因在于我国农业体制发生了根本变化，全面实行了家庭联产承包责任制，原有的喷灌工程不能适应这种体制的改革，使喷灌技术发展受到了很大的冲击。此外，一些地区用竹筒、石管作喷灌压力管道，因陋就简，低水平生产制造喷灌机和设备，导致已有工程失败和喷灌机具不能运行，给喷灌技术发展造成较大的负面影响。

第四阶段，恢复和稳步发展阶段。20世纪90年代中期全球性缺水呼声日益高涨，我国也面临着北方地下水位严重下降及水资源环境恶化的困境。为此，国家将发展节水灌溉作为一项基本国策，喷灌作为节水农业的一部分被列入国家发展规划，从而进入了稳步发展的阶段［14-19］。

根据我国节水型社会建设规划，至2015年将新增喷灌面积481.67万hm2，占全国总灌溉面积的19.5%。节能降耗是永恒的主题，我国喷灌技术的发展趋势是向多功能、节能、低压等综合方向发展。

（二）微灌的发展概况与前景［20］

1.国外微灌发展历程与趋势

滴灌是由地下灌溉演变而来的。1860年，德国人采用陶土管作为渗水管进行了地下灌溉试验，管间距5m，埋深约0.8m，管外包0.3～0.5m厚的过滤层。试验表明，作物产量成倍增加，受到人们的关注，该试验坚持了20多年。1920年，多孔管被发明，水经管壁上的孔口流入土壤。1935年以后，人们围绕不同材料制成的多孔管进行了很多试验，目的在于检验能否不利用管道系统的水压力，而仅靠土壤水分张力来调节流入土壤中的流量。苏联（1923年）和法国也做了类似的试验，结果都未取得更大的进展。

随着工业化的发展，在塑料管问世以后，滴灌系统逐步形成。20世纪40年代初，英国首先用打孔塑料管制成了一种简单的滴灌系统，当时只用于花卉灌溉。因打孔管的孔眼大小不均匀，并且孔眼大小会随时间而发生变化，造成较大的流量偏差，由此促使了安装在管上的滴头替代打在管壁上的简单孔口。最初的滴头很简单，是由发丝管绕在毛管上形成的。20世纪50年代后期，以色列研制出了长流道注塑滴头。20世纪60年代，以色列将滴灌系统用于田间果树和温室作物灌溉，并取得了显著经济效益，从此滴灌成为了一种新型灌溉方式。20世纪70年代，许多国家开始对滴灌重视起来，滴灌也从此进入商业应用，成为农业生产中一种新型灌溉方法。

为克服滴灌易阻塞的缺点，澳大利亚、苏联先后研制成功了微喷灌。随后，美国的涌泉灌、中国的小管出流灌也相继问世。这些灌溉方式也远远超过滴灌原有的范畴，进而形成了局部灌溉的新概念，但这些灌溉方式的基本特点相同，即运行压力低、灌水流量小、灌水频繁、能精确地控制水量、灌水均匀、只湿润根区部分土壤。因此，将滴灌、微喷灌、涌泉灌和小管出流灌等统称为微灌。

20世纪80年代以后，研究人员开始探讨更为节水的地下滴灌技术，简称SDI技术。目前SDI技术在澳大利亚昆士兰、美国加州和夏威夷等地已应用于玉米、甘蔗、蔬菜、果树及城市绿化中的乔灌木灌溉等。

国际灌排委员会（ICID）微灌工作组分别于1981年、1986年、1991年、2000年进行过四次世界微灌使用情况的调查，最近一次的调查结果显示，1981—2000年的19年间世界微灌面积增加了759%。美国微灌面积已达105万hm2，占世界总微灌面积的28%，占美国总灌溉面积的比例已达4.91%。

为了促进微灌技术的交流，国际上先后召开了八届微灌大会。第一届于1971年9月在以色列特拉维夫召开；第二届于1974年在美国加利福尼亚的圣迭戈召开；第三届于1985年在加利福尼亚的弗雷斯诺召开，会议主题是“前进中的滴灌技术”；第四届于1988年在澳大利亚召开；第五届1995在美国佛罗里达州召开，会议主题是“微灌改变世界：保护资源、保护环境”；第六届于2000年在南非召开，会议主题是“微灌技术在农业发展中的使用”；第七届于2006年在马来西亚首都吉隆坡召开，会议主题是“微灌在优化作物产量和资源保护方面的进展”；第八届于2011年在伊朗首都德黑兰召开，会议主题是“通过对微灌技术和管理的改革来提高作物生产力”。从历届微灌大会主题的变化可以看出，1995年以后人们对微灌的认识已从过去仅仅是一种农业灌溉技术发展为具有环境保护功能的灌溉技术，更为现代农业的重要组成部分。2000年以后，人们已将微灌的重点放在了促进第三世界农业的发展中，在发展完善已形成的微灌技术的同时，将重点转移到了降低微灌系统投资、拓展微灌的使用范围上。

2.国内微灌发展历程与趋势

我国滴灌技术的发展及应用始于1974年引进墨西哥滴灌设备。当年墨西哥总统埃切维里亚向周恩来总理赠送了一批以色列耐特费姆公司生产的滴灌设备（使用总面积约5hm2），经山西省昔阳县大寨村、河北省遵化县沙石峪村和北京市密云水库管理局果园试验表明，滴灌增产效益显著。随后，中国水利水电科学研究院和国内有关科研单位与大专院校等先后开展了对滴灌理论、技术和设备的研究，到20世纪80年代末和90年代初，先后研制了管间式滴头、微管滴头、孔口滴头、分水式滴头、折射微喷头、砂过滤器、网式过滤器、旋流水砂分离器、进排气阀和塑料管及管件等设备；提出了等滴量滴灌系统的概念，并创造性地通过简单的消能微管得以实现；对国际上通用的塑料管水头损失公式——哈桑威廉公式进行了改进，提出了毛管极限长度的计算公式；制定了部分微灌技术和设备标准；同时在微灌作物耗水量、灌溉制度、微灌设计参数等方面取得了一批有价值的成果。20世纪90年代后，我国对节水灌溉越来越重视，先后引进了国外先进的滴灌管、滴灌带和脉冲微喷灌设备生产技术，同时在引进、消化、吸收和自主开发的基础上，研制开发了内镶式滴灌管（带）、压力补偿滴头、旋转和折射微喷头，快速接头、抗老化管材、过滤设备、施肥设备及水质处理等方面取得了长足进步，缩小了与国外的差距。特别是从“九五”计划开始，国家实施建设300个节水增产重点县，安排了一大批节水增效示范项目，对节水灌溉的投入力度逐步加大，有力地促进了微灌的迅速发展。2000年以后，我国微灌进入了新的快速发展时期，特别是新疆棉花膜下滴灌的迅猛发展，极大地带动了全国微灌面积的增加。截至2009年年底，据有关资料统计，全国微灌面积已达166.6万hm2。

微灌设备产品是以塑料为主要材料的低压节能节水灌溉设备，主要由滴灌管、滴灌带、过滤器、微喷头、滴头等构成。我国的微灌设备经过引进、消化、吸收，然后进行改进研发推广。目前全国已有多家企业，分布在华中、华北、新疆等地，生产灌水器、输水管材、净化装置、施肥装置和控制装置等5大类产品，已形成系列化，可满足各类用户的要求。国内发展较早的一些微灌设备生产企业相继从国外引进了一些先进生产线，同时结合具体情况，自行开发研制了一些生产线，如新疆天业生产的滴灌带是新疆大田棉花膜下滴灌工程的主要供应商。微喷头方面自行研制的以折射式微喷头为主，后引进以色列DAN公司微喷头技术，使我国的微喷头产品有了较大发展。微灌过滤设备和施肥设备以及管道连接件、防老化管材等主要由国内自行研制生产。总体上来说，我国微灌产品近年来的发展较快，品种、规格不断增加，部分引进技术或生产线生产的微灌设备性能已达到20世纪90年代中期国际水平，但大部分自行研制微灌产品的质量与国外同类产品相比仍存在较大差距，性能较低，产品质量还不能完全达到要求［21］。

微灌技术是一种将机械化、自动化灌溉有机结合起来的现代农业技术，是促进区域农业经济发展、增加农民收入、加快农业现代化步伐的重大技术之一，是现代化农业的重要组成部分，已处于不可替代的重要地位。此外，微灌在沙漠化治理、水土保持、改善生态环境等方面也具有良好的应用推广价值。随着微灌技术的进步，其应用领域将越来越大，应用范围将越来越广，在未来现代农业生产中将发挥越来越大的作用［22］。