文/謝崇寶

編者按：今年紀念“世界水日”“中國水周”活動的宣傳主題是“實施國家節(jié)水行動，建設(shè)節(jié)水型社會”。發(fā)展高效節(jié)水灌溉是農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)行動的重要組成部分，加強其關(guān)鍵核心技術(shù)和裝備研發(fā)攻關(guān)，對全面落實國家節(jié)水行動、促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。本刊特邀中國灌溉排水發(fā)展中心首席專家、教授級高級工程師謝崇寶，介紹由我國首次提出與研發(fā)的地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備，從灌溉技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)制到應(yīng)用為您展現(xiàn)中國的現(xiàn)代灌溉智慧。

一、技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)背景

人工成本過高，是中國農(nóng)產(chǎn)品在國際市場上缺乏競爭力的主要因素之一。要提高當前農(nóng)業(yè)效益，其重要措施就是降低生產(chǎn)成本，特別是要降低人工成本，而農(nóng)業(yè)機械化是降低勞動成本的重要手段,也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。在全面推進農(nóng)業(yè)機械化進程中，灌溉如何協(xié)同發(fā)展才能有力促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，是值得研究的重大課題。包括噴灌、微灌和管道輸水灌溉等在內(nèi)的高效節(jié)水灌溉技術(shù)是現(xiàn)代灌溉發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然要求。然而，現(xiàn)行部分高效節(jié)水灌溉設(shè)施在不同程度上阻礙了農(nóng)業(yè)機械化的有效推進，在實現(xiàn)了節(jié)水的同時卻耗費了大量人力物力，并占用了寶貴的耕地。中國作為世界灌溉大國，不僅人均耕地少，而且水資源短缺，灌溉技術(shù)耗費勞動力大，是制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的明顯短板。在當前“一帶一路”建設(shè)受到沿線國家積極響應(yīng)、農(nóng)業(yè)灌溉成為深化合作重要領(lǐng)域的新形勢下，中國更加有責任有義務(wù)積極研發(fā)一些新的現(xiàn)代灌溉技術(shù)，著力解決高效節(jié)水灌溉設(shè)備使用中存在的問題，實現(xiàn)節(jié)水、省工、便耕、省地等綜合目標，為世界灌溉貢獻中國智慧。

圖1 傳統(tǒng)的田間給水栓

圖2 傳統(tǒng)的固定管道式噴灌及草坪噴灌的地上設(shè)備

高效節(jié)水灌溉技術(shù)與產(chǎn)品，是當前和今后一個時期眾多發(fā)展中國家提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要選擇。在現(xiàn)有條件下，為適應(yīng)農(nóng)業(yè)機械化，不得已采用人工重復拆裝灌溉設(shè)施并搬運回庫房存放的方法，即便如此，傳統(tǒng)灌溉設(shè)施的地面給水栓、噴桿或其保護裝置（見圖1、2）依然妨礙機械化作業(yè)。為此，通過培訓機耕手熟練駕駛小型農(nóng)機具進行耕作，以避開田間灌溉設(shè)施并保護農(nóng)機具不被破壞，但機耕手需長時謹慎操作，一定程度上影響了耕作效率，且灌溉設(shè)施還是不可避免地占用了耕地。為解決上述問題，長期以來，灌溉實踐者進行了諸多探索，最為典型的是將高效節(jié)水灌溉給水栓深埋在耕作層以下，灌溉時通過人工定位或金屬探測尋找出水口位置并進行人工開挖，再配接后續(xù)灌溉設(shè)施實施灌溉，灌溉完成后拆卸全部耕作層內(nèi)及其以上灌溉設(shè)施，再回填土壤，便于下次耕作。但這些措施并未從根本上解決問題。因此，研發(fā)不妨礙耕作、減少耕地占用、節(jié)約勞力的高效節(jié)水灌溉技術(shù)及設(shè)備，就成為有效推進農(nóng)業(yè)機械化的迫切要求，也能夠為大力推進規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)保障。

二、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與核心產(chǎn)品創(chuàng)制

1.地埋式自升起高效節(jié)水灌溉裝置設(shè)計理論

地埋式自升起灌溉裝置能夠解決固定灌溉裝置妨礙耕作、占用耕地和拆裝費工等問題，為圓滿達成上述目標，灌溉設(shè)備必須整體埋設(shè)于耕作層以下?；跐駶櫷寥揽辜魪姸冉档偷脑恚ㄟ^科學分析創(chuàng)新地提出了地埋式自升起灌溉裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論：裝置頂端應(yīng)能夠向上形成射流，使得土壤含水率迅速增加，從而導致土體抗剪強度快速下降，在“上沖下頂”雙重作用下實現(xiàn)裝置破土。根據(jù)地埋設(shè)備受力分析（見圖3），計算了裝置破土過程中所需克服的最大阻力和有效推動力，推導形成了多類型土壤條件的最小進水壓強公式，研究了管徑大小對破土的影響。結(jié)果表明，在頂端無出流的情況下，地埋灌溉裝置其底部輸水壓強需達到0.7MPa才能保證在不同類型土壤中實現(xiàn)破土，遠大于現(xiàn)有噴灌的工作壓力；在頂部有出流的情況下，底部輸水壓強0.15MPa就可以使裝置順利在不同類型土壤中破土而出；當伸縮管管徑在0.01～0.09m范圍變化時，破土所需的最小進水壓強隨著伸縮管管徑的增大而減小，當管徑超過0.09m，破土所需的進水壓強基本不變。

圖3 地埋式自升起灌溉裝置受力分析

地埋式自升起灌溉裝置設(shè)計理論，可為地埋式自升降灌溉設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，并據(jù)此開發(fā)相應(yīng)的灌溉設(shè)備實現(xiàn)前述功能。當裝置處于土壤中，開始灌溉時其頂端應(yīng)相應(yīng)能夠形成射流，使得土體含水率迅速增加，從而使土體抗剪強度快速下降；同時，伸縮管在灌溉供水內(nèi)部水壓作用下，對上部土體產(chǎn)生頂推力。當裝置所需克服的阻力逐漸降低至裝置的頂推力時，土體結(jié)構(gòu)逐步被破壞，在“上沖下頂”雙重作用下最終實現(xiàn)破土出地。破土的有效推動力W（即伸縮管的向上推力），由伸縮管頂部的有效壓強乘以伸縮管的截面積S1計算而來。其中，伸縮管頂部的有效壓強為（P0-PS-PW）, P0為系統(tǒng)底部的輸水壓強，PS為噴頭出水而損失的壓強（即管內(nèi)局部損失），PW為伸縮管內(nèi)水柱的壓強。有效推動力W與進水壓強、局部損失、伸縮管長度和伸縮管截面積有關(guān)，當有效推動力W大于剪切力T、土重力G和摩擦力f等合力時，裝置即可實現(xiàn)破土而出。

2.地埋式自升起給水栓成套產(chǎn)品創(chuàng)制

現(xiàn)有的田間取水設(shè)備主要有兩種型式：其一，依靠混凝土構(gòu)筑物在地面以上形成保護裝置；其二，在耕作層以下安裝取水閘閥，每次使用前開挖土壤連接取水設(shè)備，使用后卸下取水設(shè)備，回填土壤保護取水閘閥。以上兩種型式均不便于田間機械化作業(yè)，且耗費人工，并因?qū)ふ以O(shè)備出水口困難，常造成“灌前田坑密布、灌后起伏不平”，嚴重破壞土壤耕作層結(jié)構(gòu)?；诘芈袷阶陨鸸喔仍O(shè)備的破土機理，創(chuàng)制了地埋式自升起給水栓，這些設(shè)備均采用獨創(chuàng)設(shè)計的多功能鉆土器，在其頂部設(shè)置一個或數(shù)個小孔，通過“射流液化破土”機制確保伸縮管從土中頂出地面，取水結(jié)束后再依靠外力將伸縮管壓回至耕作層以下。該產(chǎn)品解決了現(xiàn)有田間取水設(shè)備普遍存在的影響耕作和農(nóng)閑保護難題，促進了田間取水設(shè)備的重大技術(shù)革新和突破。

本技術(shù)主要包括4種新產(chǎn)品：地埋式自升起滴灌專用給水栓、地埋式自升起噴灌專用給水栓、地埋式自升起管灌專用給水栓、地埋式自升起噴滴管灌多功能給水栓。以上設(shè)備主體均為全塑結(jié)構(gòu)，能夠直接埋在土壤耕作層以下，在耕作層范圍內(nèi)無任何額外的保護裝置或引導裝置，而且在地面上也不需要保護裝置，更不需要在田野中依靠人工開挖尋找出水口位置，灌溉時設(shè)備在設(shè)計水壓作用下能夠自動升出地面，如圖4所示。由于無需尋找田間出水口位置，減輕了勞動強度，且避免了由于定位不準而開挖對田間耕作層的隨意破壞，大大提高了工作效率，降低了灌溉成本。灌溉結(jié)束后，設(shè)備能夠回縮至耕作層以下，有利于田間耕作及設(shè)備保護。

3.地埋式自升降噴頭成套產(chǎn)品創(chuàng)制

現(xiàn)有的噴灌噴頭主要包括旋轉(zhuǎn)式噴頭、固定式噴頭和孔管式噴頭，均不能夠直接與土壤接觸，更不能直接埋設(shè)在土壤耕作層以下?；诶碚摵蛯嵺`有機融合的設(shè)計理念，為不影響耕作，噴灌噴頭必須要能夠埋設(shè)于耕作層以下并且能夠自行穿過土壤耕作層，由此分析得出了地埋式自升降噴頭功能需求和設(shè)計思路。地埋式自升降噴頭要同時具備破土和噴灑功能，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計上尋求技術(shù)突破。不同于傳統(tǒng)噴頭只有側(cè)向噴嘴，地埋式噴頭考慮出地需求，設(shè)置有頂端出水口和側(cè)端噴嘴（見圖5）。理論上，頂端出水口在出地前工作，側(cè)端噴嘴在出地后工作，從而實現(xiàn)一種設(shè)備“在地下為鉆頭、在地上為噴頭”的雙重

圖4 配接不同灌溉設(shè)備的地埋式自升起給水栓及其工作過程

注：（a）A01，套管；A02，伸縮管；A03，伸縮管底座密封圈；A04，套管螺帽；A05，伸縮管上座密封圈；A06，套管密封座；A07，伸縮管接頭；A08，鉆土器。

（c）B01，套管；B02，伸縮管；B03，套管下螺帽；B04，套管上螺帽；05，套管密封圈；B06，鉆土器。

圖5 地埋式自升降噴頭設(shè)計

（b、d）a.灌溉前設(shè)備狀態(tài)；b.灌溉開始設(shè)備頂出地面過程；c.灌溉設(shè)備正常工作；d.灌溉結(jié)束設(shè)備回縮地下過程；e.灌溉結(jié)束后狀態(tài)。功能且能夠自動切換。為簡化制造工藝，通過特殊流道設(shè)計，出地前實現(xiàn)射流液化功能，出地后實現(xiàn)噴灌功能。同時，基于不同噴灑仰角控制不同噴灑范圍的認識，設(shè)計多仰角多流道噴頭?；跀?shù)值模擬提出了地埋式自升降噴頭流道設(shè)計方法，優(yōu)化了設(shè)備制造工藝，為地埋式自升降噴頭設(shè)計提供了理論支撐。

本技術(shù)主要包括4種新產(chǎn)品：地埋式自升降微噴設(shè)備、鋼珠擊打驅(qū)動型地埋式自升降噴頭、水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭和地埋式自升降多噴嘴高均勻度噴頭，如圖6所示。這些噴頭適應(yīng)不同水質(zhì)條件，通過采用合理的驅(qū)動、傳動、流道等結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能實現(xiàn)破土頂出功能，又能有效阻隔土壤顆粒等雜物進入噴頭內(nèi)部影響作業(yè)。

地埋式自升降噴頭徹底改變了現(xiàn)有噴頭不能直接埋入土中的歷史，解決了困擾噴灌行業(yè)多年的影響耕作等難題，有效推動傳統(tǒng)噴灌設(shè)備的改造、升級和換代，真正實現(xiàn)了噴灌技術(shù)的節(jié)水省工增效等多種綜合功能。

圖6 地埋式自升降噴頭產(chǎn)品

4.地埋式自動伸縮一體化噴灌成套產(chǎn)品創(chuàng)制

現(xiàn)有的固定式噴灌設(shè)備在灌溉前需要與遍布田間的取水口配接豎管和噴頭，灌溉后，再將這些設(shè)備全部拆卸，并搬運回庫房存放，金屬結(jié)構(gòu)還需進行防銹處理。除了影響耕作、耗費人力物力等，該設(shè)備還存在拆卸時損壞管件及占用庫房、增加額外倉儲費用等問題?；诘芈袷阶陨鸸喔仍O(shè)備的破土出地原理，將現(xiàn)有固定式噴灌設(shè)備配套全新研制的地埋式自升降噴頭，創(chuàng)制了地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備。這些設(shè)備集出水口、豎管和噴頭于一體，無灌溉時整體埋設(shè)于土壤耕作層以下，灌溉時依靠設(shè)計水壓將集成于一體的地埋式噴頭從土壤中頂出并實施噴灑作業(yè)，灌溉結(jié)束后依靠水壓或球體形成壓差或人力將伸縮部分壓回至耕作層以下。

本技術(shù)主要包括3種新產(chǎn)品：雙管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備、單管路地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備、單管路地埋式自升起一體化噴灌設(shè)備，設(shè)備主體為全塑結(jié)構(gòu)，如圖7所示。地埋式自動伸縮一體化噴灌技術(shù)產(chǎn)品在噴灌作業(yè)前后均不再需要安裝或拆卸任何設(shè)施，成功解決了固定管道式噴灌系統(tǒng)影響耕作、頻繁拆卸、耗費人工、倉儲損耗、占用耕地等諸多問題，極大地推動了固定管道式噴灌技術(shù)與設(shè)備的革新，全面提升了機械化耕作管護與收獲效率，促進了灌溉技術(shù)從單一節(jié)水到節(jié)水、省工、便耕、省地的全面提升，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了堅實的灌溉基礎(chǔ)。

圖7 地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備及其工作過程

三、技術(shù)集成應(yīng)用模式

本技術(shù)產(chǎn)品具有共性的自動頂出功能，能根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境實現(xiàn)取水或噴水等多種功能，同時也可根據(jù)實際需求采取多種回縮方式，避免對機械化耕作造成不利影響。特別是地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備，在灌溉作業(yè)前后均不需要安裝或拆卸任何設(shè)施，只需控制支管首部的閥門即可完成灌溉裝置的升降，實現(xiàn)噴灑作業(yè)，大大節(jié)約了勞動力，延長了設(shè)備使用壽命，提高了工作效率，極大地促進了高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣與普及。為更好推進地埋式高效節(jié)水灌溉技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，根據(jù)實踐總結(jié)形成了地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉產(chǎn)品成套技術(shù)應(yīng)用模式。

1.地埋式自升起管（滴）灌專用給水栓配接三通模式

該模式主要包括水源首部、田間管網(wǎng)、地埋式自升起管（滴）灌專用給水栓、地面灌水系統(tǒng)等組成，如圖8所示。其關(guān)鍵設(shè)備地埋式自升起管（滴）灌專用給水栓，包括套管、伸縮管和鉆土器等3部分。套管埋于地面耕作層以下，可與輸水管道相連，伸縮管置于套管內(nèi)，可相對于套管管壁做垂直運動，從而伸縮管可以伸出地面或縮回地下；鉆土器位于伸縮管頂端，可產(chǎn)生具有較強切割能力且快速濕潤土壤的水流，在伸縮管頂出地面的過程中，鉆土器可用來清除伸縮管上端的土壤；套管頂端裝有特殊結(jié)構(gòu)的密封圈，確保灌溉及埋設(shè)時設(shè)備的密封性良好。伸縮管出地后配接三通形成該種灌水模式。該模式適用性強、操作簡單，在大田作物管灌和蔬菜滴灌等多種灌溉形式中均得到成功應(yīng)用。

2.地埋式自升起噴灌專用給水栓配接立桿和搖臂噴頭模式

該模式主要包括水源首部、田間管網(wǎng)、地埋式自升起噴灌專用給水栓、豎管、搖臂式噴頭等組成，如圖9所示。其關(guān)鍵設(shè)備地埋式自升起噴灌專用給水栓由套管、伸縮管和鉆土器組成，其結(jié)構(gòu)與地埋式自升起管（滴）灌專用給水栓相同，只是當伸縮管位于地面以上時，帶噴頭的立管取代鉆土器與伸縮管相連，實現(xiàn)噴灌功能。地埋式自升起噴灌專用給水栓配接立桿和搖臂噴頭模式適用于多種農(nóng)作物噴灌，其豎管長度可根據(jù)需求進行變化，尤其適合小麥、玉米等作物不同生長期的灌溉需求，可廣泛用于固定管道式噴灌的改造升級和新建。

圖8 地埋式自升起管（滴）灌專用給水栓配接三通模式

圖9 地埋式自升起噴灌專用給水栓配接立桿和搖臂噴頭模式

3.地埋式自動伸縮一體化噴灌模式

圖10 地埋式自動伸縮一體化噴灌模式

該模式主要包括水源首部、田間管網(wǎng)、地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備等組成，根據(jù)其運行方式可分為雙管路地埋式自升降型一體化噴灌模式和單管路地埋式自升起型及單管路地埋式自升降型一體化噴灌模式，如圖10所示。其關(guān)鍵設(shè)備地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備由地埋式自升降噴頭、伸縮管和套管等部分組成，伸縮管與地埋式噴頭設(shè)計為螺紋連接方式；伸縮管是供水部件，為噴頭提供灌溉水；套管是引水部件，也是伸縮管的固定部件，可防止設(shè)備地埋時泥土進入，確保伸縮管上下升降順暢。地埋式自動伸縮一體化噴灌模式適用于大田作物、牧草、蔬菜等灌溉應(yīng)用。

基于現(xiàn)實需要創(chuàng)建的適應(yīng)不同條件下的地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉成套技術(shù)應(yīng)用模式，給出了能夠指導設(shè)計施工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以及便于實際使用的操作指南。通過科學分析，地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉技術(shù)設(shè)備納入了現(xiàn)有的國家標準技術(shù)體系。因此，給水栓系列歸納為3種類型，分別為地表式固定型、旱井式固定型和地埋式自升起型；噴灌系統(tǒng)中的管道式噴灌系統(tǒng)歸納為4種類型，分別為移動式系統(tǒng)、半固定式系統(tǒng)、固定式系統(tǒng)和地埋式自升起系統(tǒng)，如圖11所示。正是由于已編制了產(chǎn)品技術(shù)指南以及產(chǎn)品可以納入現(xiàn)有國家標準技術(shù)體系，新技術(shù)模式在實踐中得到了大規(guī)模地推廣應(yīng)用。

四、應(yīng)用前景

圖11 地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉設(shè)備的技術(shù)體系

地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉關(guān)鍵技術(shù)與核心產(chǎn)品，已取得國家授權(quán)發(fā)明專利5項、實用新型專利15項，全部通過了水利部新產(chǎn)品鑒定，技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品創(chuàng)制達到了國際領(lǐng)先水平，并填補了國內(nèi)外在該方面的研發(fā)空白，具有原創(chuàng)性。該項技術(shù)及集成應(yīng)用模式具有四大顯著特點：一是屬于高效節(jié)水灌溉序列，具有很好的灌溉節(jié)水性；二是產(chǎn)品一體化設(shè)計無需頻繁拆卸，節(jié)省勞力；三是設(shè)備埋于耕作層以下并依靠設(shè)計水壓頂出地面，地面及耕作層內(nèi)無任何妨礙耕作的設(shè)施，非常利于農(nóng)業(yè)機械化；四是由于采用地埋設(shè)施，地面上無需保留任何保護裝置，從根本上解決了傳統(tǒng)灌溉設(shè)施占地問題，有效增加了播種面積，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)增收。

地埋式自動伸縮高效節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備是由中國首次提出與研發(fā)的，是中國對世界灌溉的重大貢獻。該技術(shù)針對實際問題研發(fā)，解決了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重大關(guān)切，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展相適應(yīng)，具有普遍適用性；同時，技術(shù)產(chǎn)品通過試驗示范已走向成熟，用水戶使用熱情高，具有可推廣性，必將為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展注入新的源動力。實踐表明，該技術(shù)與市場需求、灌溉行業(yè)發(fā)展規(guī)劃及國家產(chǎn)業(yè)政策高度一致，屬于國家政策明確鼓勵、支持的方向，它有效解決了現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品影響耕作、占用耕地、頻繁拆卸、倉儲損耗、耗費人工等難題，推動了高效節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備的革新，市場潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊，必將極大促進“十三五”期間發(fā)展1億畝高效節(jié)水灌溉面積目標的落實與鞏固。