中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议_袁寿其

doi : 10．3969 /j．issn．1674－8530．14．0202

中国节水灌溉装备发展现状、 问题、趋势与建议

袁寿其，李红，王新坤

( 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

袁寿其

袁寿其，李红，王新坤．中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议 [J] ．排灌机械工程学报，2015，33 (1) : 78－92．

Yuan Shouqi，Li Hong，Wang Xinkun．Status，problems，trends and suggestions for water-saving irrigation equipment in China Chi- na[J] ．Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering(JDIME) ，2015，33 (1) : 78－92．(in Chinese)

Status，problems，trends and suggestions for water-saving irrigation equipment in China

Yuan Shouqi，Li Hong，Wang Xinkun

( National Research Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)

Abstract : Water-saving irrigation equipment plays an important role in improving agricultural water use efficiency，increase farmer income and construction of ecological environment，also it has an im- portant strategic position to ease the shortage in water resources，ensure the national food security，and promote the sustainable development of rural economy．The development of water-saving irrigation e- quipment has taken nearly for 60 years，a considerable progress has been made in its theoretical study and technical level and so on ; further the scale of production can basically meet the development of water-saving irrigation in China，but the ability in technological innovation，research and development is weaker，the improvements in product quality，technical performance and reliability are on demand． The developing trends in water-saving irrigation equipment should include strengthening basic theoreti- cal study ，enhancing the capability of independent innovation ，designing and manufacturing intelli-

gent，precise，cheap and green water-saving irrigation equipment with multi-function，low energy con-

收稿日期 : 2014 －12－01 ; 网络出版时间 : 2015－01 －19

网络出版地址 : http : / /www．cnki．net / kcms / detail /32．1814．TH．20150119．1709．012．html

基金项目 : 国家 863 计划项目 ( 2011AA100506) ; 江苏省科技支撑计划项目 ( BE2013403)

作者简介 : 袁寿其(1963— ) ，男，上海金山人，研究员，博士生导师(shouqiy@ ujs．edu．cn) ，主要从事流体机械及排灌机械研究． 王新坤 ( 1966— ) ，男，陕西临潼人，研究员 ( 通信作者，xjwxk@ 126．com) ，主要从事节水灌溉技术与装备研究．

sumption and cost．It is suggested that the comprehensive technology and equipment for water-saving irrigation in hilly land should be investigated．The multi-function，intelligent and precise sprinkler irri- gation systems should be developed．Also，the irrigation technology and equipment with low cost，high efficiency and collaborative precision in water and pesticide spraying as well as fertilizing should be in- novated．The water-saving irrigation technology and equipment by using clean energy should be exploi- ted．These suggestions may promote the water-saving irrigation equipment industry to develop in a com- prehensive and healthy manner in China．

Key words : water-saving irrigation equipment ; status ; questions ; trends ; suggestions

21 世纪以来，连续 11 个中央 1 号文件和中央 水利工作会议，都要求把节水灌溉作为重大战略举 措，在中央和地方一系列政策措施出台和不断加大 投入的情况下，中国节水灌溉发展进入前所未有的 快车道，产、学、研水平不断得到提升．截至 2013 年 底，中国高效节水灌溉面积为 1. 43 × 107 hm2，其中 喷灌为 3. 00 × 106 hm2 、微灌为 3. 87 × 106 hm2 、低压 管道输水为 7. 40 × 106 hm2 ; 农田灌溉水有效利用系 数提高到 0. 52，单方灌溉水粮食产量增加到 1. 75 kg，肥料、农药利用率提高了 5%~ 20% ; 提高了技术 集成、机械化、专业化生产经营程度，促进了农业规 模化、集约化和现代化 ; 带动了节水产业迅速发展， 企业数量激增，全国生产节水灌溉设备和材料的厂

家已有 2 000 多家，形成了年生产 2. 00 × 106 多 hm2 节水灌溉设备和材料的供应能力 [1] ，在规模上基本 能满足中国喷、微灌发展的需要，但是，自主研发能

力较弱，在技术性能、产品质量、可靠性和稳定性等 方面，与国际先进水平相比，还存在较大差距．

2012 年 国 务 院 印 发 的《国家农业节水纲要

( 2012—2020 年) 》，明确要求新增高效节水灌溉工 程面积 1. 00 × 107 hm2 以上，农田灌溉水有效利用 系数达到 0. 55 以上，现状与 2020 年目标相比，还有 较大的差距．高效精准的灌溉装备是节水灌溉发展 的必要保障，总结国内外节水灌溉装备发展现状， 分析中国节水灌溉装备存在问题及发展趋势，提出 发展思路与建议，将有益于节水灌溉装备行业的健 康全面发展．

1 发展现状、存在问题及发展趋势

1. 1 喷灌装备

1. 1．1 喷头

1. 1．1. 1 国内外发展现状

1) 国外发展现状

喷头是喷灌机组(系统) 的关键部件，1933 年美

国 Rainbird 公司成立并制造出世界上第 1 只摇臂式 喷头，标志着喷头技术的开始．到目前为止，国外喷 头品牌、种类规格较多，主要分为以下几类 : 弹出式 喷头，包括弹出固定式喷头、弹出摇臂旋转式喷头、 弹出齿轮旋转式喷头和弹出远射程喷枪，旋转式喷

头，中心支轴大型喷灌机压力调节喷嘴等．

( 1) 弹出式喷头，包括 2 种类型，即弹出固定式

喷头和弹出旋转式喷头．

a) 弹出固定式 喷 头 : 出 口 处 安 装 1 个 出 口 喷 嘴，喷嘴设计有各种不同的形式，每一种喷嘴都对 应一个特定喷洒形状，例如全圆、半圆或者 1 /4 圆． 通过更换喷嘴，同一喷体可以适用于不同土地轮廓 形状的有效喷洒，价格便宜、操作简单．现有弹出固 定式喷头，设计工作压力为 0. 1 ~ 0. 2 MPa，喷洒半

径为 1 ~ 5 m，喷灌强度为 25 ~ 65 mm /h，喷体高度 为 5 ~ 50 cm [2] ．为了增强适应性，提高喷头喷洒效 率，研制出仰角可以调节的喷灌喷嘴、矩形或者条 状形的出 口 喷 嘴、喷 灌 强 度与土壤需求匹配的喷

嘴等．

b) 弹出摇臂式旋转喷头 : 以弧形的模式往地面 灌溉单股或者是多股水流，喷射角度为 40° ~ 360°， 设计喷洒区域往往大于弹出固定式喷头的喷洒区 域，喷洒 半 径 为 6 ~ 50 m，喷 灌 强 度 为 2. 5 ~ 40．0 mm /h．通常由铜或黄铜制造，成本高于塑料或者齿 轮式驱动旋转喷头的成本，弹簧机制需要进行定期 的维护，以保证其工作的可靠性．发展已经到了一

个比较成熟的阶段，近年来在结构设计等方面的变 化非常小 [3] ．

c) 弹出齿轮式旋转喷头 : 封闭体结构设计，防 止灰尘和其他杂物堵塞对驱动机构的影响．每一个 喷体有多种不同尺寸型号的系列喷嘴可供选择，满 足各种喷洒地形尺寸和喷灌强度需求．喷洒半径为 6 ~ 20 m，喷射角度为 40° ~ 360°，工作压力为 0. 15 ~ 0. 45 MPa，喷灌强度为 5 ~ 20 mm /h．具有成本低，运 行安静，通用性强等优点．

d) 弹出式大喷枪 : 喷洒半径可以达到 35 m，喷 射角度为 40° ~ 360°，工作压力为 0. 3 ~ 0. 6 MPa，流

量为 20 m3 / h 左右．

( 2) 旋转式喷头．旋转式喷头以摇臂式喷头、旋 转器为主，主要有手移管道喷头、车移管道喷头和 固定管道喷头．手移管道喷头和车移管道喷头的入 口尺寸一般为 0．019 05 ~ 0．031 75 m，安装间距为 10 ~ 15 m，工 作 压 力 为 0. 25 ~ 0. 40 MPa，流 量 为

0. 52 ~ 2．00 m3 / h．固定管道喷头包括小射程微喷头

( 射程为 1 m) 至大射程喷枪(射程为 40 m) ．

二次世界大战后，由于发达国家劳动力日益紧 张，摇臂式旋转喷头得到广泛应用，促进了现代农 业灌溉技术的快速普及和发展．在欧美，各喷灌技 术和装备的研制得到快速发展，以 Rainbird 公司、万 美公司、以色列雷欧公司、奥地利鲍尔公司等为代 表的企业生产出数千种摇臂式喷头，广泛应用于农 业、园林、体育场馆等，促进了喷灌技术的发展与应 用．20 世纪 60 年代中后期，随着行走式喷灌机的推 广，出现了垂直摇臂式喷头，典型产品有美国 Nelson 公司的 BIG GUN 系列、Rainbird 公司的 RAIN GUN 系列等．同时，摇臂式喷头的导流器出现了新型结 构，由活动的楔形结构代替了固定叶片，上下摆动

的摇臂也改成了框架结构，喷头正反转速度几乎相 等，驱动平稳 [4] ．

( 3) 中心支轴大型喷灌机压力调节喷嘴．自 20 世纪 70 年代末以来，中心支轴大型喷灌机的使用得 到了迅速增长．中心支轴大型喷灌机具有较低的劳 动力需求，用水效率高，已经实现了自动化运行，是 非常受欢迎的一种喷灌系 统，尤其在美国的东南 部．中心支轴大型喷灌机的喷嘴主要包括压力调节 器、喷嘴底座、出口喷嘴和喷盘等，工作压力小，能 量消耗少．喷嘴垂直下挂安装在软管末端，出口水 流位置接近作物冠层，减少了飘移和蒸发损失，但 是喷嘴喷洒直径小，喷灌强度较高．

20 世纪 90 年代以后，美国 Nelson 公司和意大 利 Komet 公司分别推出了水动阀与喷头一体化和远 程遥控调节喷洒角度的新型喷头．美国 Rainbird、To- ro、Hunter 公司推出的地埋旋转和非旋转式喷头，型 号多、系列全、适用广．可通过调整喷头仰角、喷嘴 尺寸和形状、主副喷嘴位置搭配、流道长短等改变 喷洒性能．还先后开发出不同摇臂形式、不同仰角

及适用于不同目标的多功能喷头，具有防风、多功 能利用、低压工作等显著特点 [5] ．

2) 国内发展现状

中国喷 头 的 研究历程主要可分为以下 4 个 阶段 [6－7] ．

第 1 阶段 : 20 世纪 50—70 年代，是科学研究和 试验尝试阶段．1954 年引进苏联的涡轮蜗杆喷头， 开始应用喷灌技术灌溉蔬菜，但是，喷头可靠性较 差，特别是回转密封和换向机构存在问题较多．许 多科研单位、高等院校与工厂密切配合，对喷头进

行了大量研制工作，生产出了红雨型、陕喷型、华北 50 型、浙喷型、龙江型、武喷型(涡轮蜗杆传动) 以及 工农型等性能较好的喷头．这一阶段总体上发展规

模小，设备品种少，但早期的试验研究对推动中国 喷头技术的发展起到了积极的作用．

第 2 阶段 : 从 20 世纪 70 年代中期到 80 年代中

期，是技术发展和设备研制的高潮阶段．当时由镇

江农业机械学院(现江苏大学) 、中国农业机械化科 学研究院、山西省农机所和吉林省农机所为负责单 位，组建了“全国摇臂式喷头系列联合设计组”，联 合设计组由全国 14 个省、直辖市共 21 家单位组成． 经过 1 a 努力，研制 成 功 了 PY120，PY130，PY140， PY150，PY160 和 PY180 等系列喷头．由水利部组织 从奥地利鲍尔公司引进先进喷头生产线，生产出了 ZY－1 和 ZY－2 喷头 ; 随后中国许多节水灌溉设备 生产厂家纷纷对 ZY －1 和 ZY －2 喷头进行仿制或 者部分改进，例如增加换向机构、改进喷头仰角等． 由镇江农 业 机 械 学 院、中 国农业机械化科学研究 院、新昌喷灌机厂和金坛喷灌机厂完成了 PY110， PY115，PY110sh，PY115sh 和 PY120sh 等 多 种 低 喷 灌强度喷头的研制，并且开发了第 1 代 PS 连续转动 式和第 2 代 PSBZ 型水流自控步进式全射流喷头， 首次提出了以射流原理和附壁效应设计射流元件 进行喷洒并控制喷头转动，无需摇臂、摇臂弹簧等 十几个驱动零件．

第 3 阶 段 : 20 世 纪 80 年 代 中 期 到 90 年 代 中 期，是徘徊和低潮阶段．这一阶段由于全面实行家 庭联产承包责任制，原有的喷灌工程不能适应这种 体制的需要，国家的经费投入大幅度减少，使喷头 设备和技术发展受到了很大的冲击．

第 4 阶段 : 90 年代中期至今，是恢复和稳步发 展阶段．随着水资源的日益紧缺，国家加大了对新 型节能喷头的资金投入，对新型结构的全射流喷头 理论与设计、摇臂式喷头的某些局部结构和技术进 行了重点研究．期间，江苏大学在先前研究的基础 上，对全射流喷头在结构上进行了重大改进，设计 开发出了 PXH 型隙控式全射流喷头，并且提出了连

续运转射流喷头、外取水射流喷头、三段式射流喷 头和两次附壁射流喷头等 4 种新型结构、新工作原 理的射流喷头，总结出重要结构参数对水力性能的 影响规律，为全射流喷头的设计提供了理论基础．

到目前为止，在国内应用的弹出式喷头和中心 支轴大型喷灌机压力调节喷嘴主要以购买国外成 熟产品为主，自行研发的较少．国产旋转式喷头使 用较多的是 PY1 和 PY2 系列金属摇臂式喷头、PYC 型垂直摇臂喷头、PYS 系列塑料摇臂式喷头以及国 外引进生产线生产的 ZY 系列金属摇臂式喷头．国 内喷头设备在某些关键技术方面也有了一定的突 破，产品价格低廉，适合中国国情，但与国外相比， 总体水平还较低．

1. 1．1. 2 存在的问题

( 1) 喷头基础理论研究深度不够，缺乏系统性． 对喷头内部过水流道的流动理论，喷头旋转驱动装 置的几何参数与喷头自由射流之间的能量转换特 性，摇臂喷头的结构与撞击动力学、全射流喷头的

附壁动力学等，还有待深入研究．

( 2) 喷头工作压力偏高，能耗大．

( 3) 喷头喷洒不够均匀，用水效率低．

(4) 喷头、电动机、水泵、管道等配套不尽合理， 导致喷灌装置的效率低，容易造成系统的损坏．

( 5) 喷头自动化、智能化程度不高，造成大量劳 动力的浪费．

( 6) 喷头的新材料与新工艺的研究应用比较薄 弱．目前国内喷头仍使用普通铸铁、碳素钢等材料， 耐腐蚀性能得不到保障．

(7) 科研单位与企业间技术交流不足，产学研 结合不 够 紧 密，研究成果转化速度缓慢，转 化 效

率低．

1. 1．1. 3 发展趋势

( 1) 多功能、节能、低压、综合利用等是喷头的 发展趋势．

(2) 开发研制适合中国国情的新型的、具有自主

知识产权的喷灌设备，对改变国外产品垄断局面、降

低工程造价、促进国内产业的发展具有重要意义．

( 3) 开发节能低压多用途喷头，包括扇形转运 喷头、异型喷嘴喷头、抗风喷头、喷灌孔管、与绞盘 式喷灌机配套的双摇臂喷头、与大型喷灌机配套的 低压雾化喷头、环保绿化用的升降式喷头等．

1. 1. 2 大型喷灌机

1. 1. 2. 1 发展现状

国外喷灌装备基本以时针式及平移式等大型

喷灌机、卷盘式中小型喷灌机为主，轻小型喷灌机 为辅．大、中型喷灌机主要以大田作物为灌溉对象， 轻小型喷灌机和固定 / 半固定喷灌机组以小田块、

喷微灌等为对象．

1) 国外发展现状

20 世纪 50 年代初，美国人发明了圆形喷灌机， 早期以液压驱动和水力驱动为主，1965 年出现电力 驱动圆形喷灌机．20 世纪 70 年代又出现了平移式 喷灌机，可实现矩形地块的灌溉．圆形喷灌机和平 移式喷灌机自动化程度高、灌溉质量好、单机控制 面积大，非常适应人多地少地区的农业生产．国外 生产圆形和平移式喷灌机的厂商较多，美国目前主

要有 5 家大型喷灌机的生产厂家 : Valmont 公 司、 Lindsay 公 司、Reinke 公 司、T －L 公 司 和 Pierce 公 司，其他国家有奥地利的 Bauer 公 司、法 国 的 Irri- france 公司、意大利的 Irriland 公司等 [8] ．

20 世纪 70 年代，随着能源的日趋紧张，采用中 低压摇臂式喷头灌溉，入机压力有所下降 ; 20 世纪 80 年代后期，又出现了下悬式低压喷洒器，工作压 力更低 ; 20 世纪 90 年代，又出现了变量精确喷灌技 术，能够根据专家决策系统或用户经验输入的基本 变量参数，改变或随机变化灌溉系统的结构参数和 性能参数，达到实时、精确灌溉的目的．

目前，主要有几种变量喷洒方式 : 对 多 个 喷 头 逐步调节，实现喷洒域内的变量喷洒 ; 设置合理的

喷灌机 走 － 停 周 期，实现大型喷灌机的变量喷 洒 [9] ; 采用电磁阀控制喷头流量，实现大型喷灌机 的变量喷洒 [10] ; 根据 DGPS 信号或者无线传输获得 的地理信 息，采 用 PLC 自动控制平移式喷灌机移 动，实现大型喷灌机的精确喷灌 [11] ; 通过微型计算 机控制步进电动机工作，从而改变喷嘴处调节杆的 位置，实现喷头流量的调节，可实现大型喷灌机精 确喷灌 [12] ．

2) 国内发展现状

中国大型喷灌机主要经历了起步阶段 ( 1976— 1978 年) 、引进和关键部件 攻 关 阶 段 ( 1979— 1986 年) 、完善提高与稳妥推广阶段(1987— 1997 年) 、技 术创新和产业化阶段(1998—至今) 共 4 个阶段 [13] ， 主要应用于黑龙江、吉林、内蒙古、辽宁、甘肃、河北 和河南等地区．2009 年以前，大型喷灌机市场需求 量较小．从 2010 年开始，呈快速增长趋势，特别是 2012 年东北四省区增粮行动启动，迎来了前所未有 的发展机遇．据估计，截至 2013 年 10 月，全国大型喷 灌机保有量 1. 6 × 104 台左右，灌溉面积达到 4. 87 ×

105 hm2，占全国喷灌面积的 10% 左右．国内从事大 型喷灌机生产和经营活动的企业有 30 余家，代表性 企业有现代农装科技股份有限公司、沧州华雨灌溉

设备有限公司、宁波维蒙圣菲农业机械有限公司、 大连银帆农业喷灌机制造有限公司、沃达尔 ( 天津)

有限公司等．国外品牌和国产设备并存、份额相当， 国外品牌质量较好、性能较优、价格较高，国内设备 价格相对低．示范区项目多以国外品牌为主，一般 项目多以国产设备为主．受“三北”防风林带规格限 制，机型多以短小为主，国内销售的大型喷灌机多 在 280 ~ 300 m．

1. 1. 2. 2 存在的问题

1) 大型喷灌机装备存在的问题

( 1) 产品质量问题．国内大型喷灌机企业的技 术实力、生产能力、加工设备及工艺水平良莠不齐， 造成市场上排灌设备及相关产品的品牌种类繁多， 质量参差不齐，不能有效地保证产品运行可靠性和

售后服务．

(2) 大型喷灌机的关键部件主要依赖进口．水 肥一体化技术是大型喷灌机的发展趋势，但国内大 型喷灌机施肥技术和专用施肥装置还处于研究和 待开发阶段，施肥系统的成套性差、品种少、质量不 稳定，导致喷灌施肥不均匀、肥料利用率低．国内逐 渐应用低压阻尼喷头替代非旋转折射式喷头，美国 Nelson 公司生产的 R3000 和 A3000 系列喷头是低

压阻尼旋转喷头的代表性产品．

2) 大型喷灌机应用过程中存在的问题

( 1) 机组参数选择不当，水泵功率偏大．设计中 缺少项目区的土壤、作物、气象等灌溉基本数据，未 按照作物灌溉制度及水源供水量确定水泵流量，甚 至部分设计方案没有提供水泵管路系统图和相关 灌溉基本数据，导致水泵扬程无法正确确定，最终

造成整个节水灌溉工程的失败．

( 2) 设备整机流量大，易超采地下水．在一些干 旱缺水地区，地下水源不丰富．由于大型喷灌机整 机流量大，供水能力需求强，往往出现多井汇合、多 泵并联设计方法．大强度抽取地下水，在连续干旱 年份易造成局部地区地下水超采，对生态造成较大

破坏．

( 3) 用户专业知识缺乏，科学运行难度大．传统 灌溉理念根深蒂固，节水灌溉相关知识不足，灌溉 制度缺失．用户普遍认为大型喷灌机灌水定额小， 个别地方出现私自改造喷灌机现象，通过在输水主 管增配喷头以增加灌水量，严重影响喷灌机的喷洒

性能．

(4) 设备维修技术力量薄弱，基层服务体系尚 未形成．大型喷灌机的设备故障维修更多依赖于厂 家解决，但普遍存在厂家维修响应时间长，质保期 后的技术服务费用高，设备出现故障易错过农时等 问题．

1. 1. 2. 3 发展趋势

目前大型喷灌机正沿着提高效 率、降 低 成 本， 低压喷洒、降低能耗，变量技术、精准灌溉，综合利 用、多种用途，“智能技术”、“傻瓜”控制，机型变种、 系列成套，采用新材料、新工艺，智能可靠、自动化 高的方向稳定发展．

1. 1. 3 中型喷灌机

1. 1. 3. 1 国内外发展现状

1) 国外发展现状

中型卷盘式喷灌机在欧洲具有 50 多年的发展 历史，已有各种用途的系列化机型，具有机动性强、 维护保养方便、使用寿命长等特点．制造企业在欧 洲是以机动性更强的卷盘式中小型喷灌机为主 ; 目 前对我国市场具有较大影响的是意大利、法国和奥 地利等国的制造企业．国外大中型喷灌装备平均寿 命长达 15 a 左右，智能化程度较高，基本实现了按

不同作物需水量进行精细灌溉．

2) 国内发展现状

中型卷盘式喷灌机在 20 世 纪 90 年 代 引 入 中 国，当时已形成了小规模生产能力，以 50 和 75 这 2 种机型为主，之后停滞了 10 a 多．随着我国水资源 的日益短缺和农业灌溉的节水需求，2010 年左右开 始恢复生产，从年生产量几百台到 2013 年已经达到 近万台，应用以中国北方和中原地区为主．但机型 还是国外 20 世纪八九十年代的产品，几十年来一直 没有大的改进，整机寿命还远不及国外机型，整机 能耗高于国外机型 10% 左右，基本没有智能化灌溉 功能，国内销量较大的企业主要集中在江苏．

1. 1. 3. 2 存在的问题

国内中型卷盘式喷灌机主要存在水涡轮和传 动机构的效率不高、机械控制不精确所造成的喷灌 质量不高和智能化程度不高等问题．

1. 1. 3. 3 发展趋势

智能化是中型卷盘式喷灌机的发展趋势，通过 现代信息化技术将灌溉技术与灌溉装备深度融合， 实现不同地区、不同土壤、不同作物、不同气象条件 的精细灌溉．

1. 1. 4 轻小型喷灌机

1. 1. 4. 1 国内外发展现状

轻小型喷灌机组是指 11 kW 以下汽油机、柴油 机或电动机配套的喷灌机组，主要包括手提式、手

抬式、手推车式、小型拖拉机悬挂式、小型绞盘式喷

灌机 [14 －15] ．由于中国地理、经济等特点，轻小型喷灌 机组是中国一种比较有代表性的机组，比较适应中 国农村发展的需要，受到农户欢迎．轻小型喷灌机 组有如下特点 : ① 轻巧灵活，便于移动，喷灌面积可 大可小，适用于水源小而分散的丘陵山区及小型地 块．② 一次性投资少，操作简单，保管维护方便．③ 节省劳动力，保持水土，提高产量．④ 适用性强，适 用于抗旱．在 2009，2010 和 2011 年安徽、河南等 6 省份的春季抗旱中起到了关键作用．

轻小型喷灌机主要有 4 种形式 :

( 1) 单喷头轻小型喷灌机组．一般都选用 PY40 或 PY50 喷头．特点 : 系统压力高，喷头射程远，单喷 头控制面积大，喷洒均匀性稍差，相对能耗较高，单 位面积投资最省 ; 操作简单，移动方便 ; 因为是扇形 喷洒，能保持在干地往后移动喷头架．该机型在 20

世纪七八十年代使用较多，目前逐年减少．

( 2 ) 多 喷头轻小型喷灌机组．一 般 都 选 用 PY20sh、PY15sh 或 ZY －2、ZY －1 喷头．1 个喷灌周 期内需要移动支管 7 ~ 10 次，需要将每节的接头全 部拆开，再移动几十 m 的距离后重新连接．由于喷 灌后地面泥泞，搬移困难，工作量和劳动强度都很 大．特点 : 喷洒均匀，雾化良好，投资较省，但搬移困

难．该机型在 20 世纪用量较多，近年来也在减少．

( 3) 手持喷枪式(或无喷枪) 轻小型喷灌机．喷 洒器直接用手持喷枪，不要求雾化指标，管路压力 较低，有的甚至直接抓住管路末端管道进行浇灌． 特点 : 投资省，并能在干地后移浇灌，移动方便，但

喷水均匀性较差．该机型使用最为广泛．

(4) 软管固定(半固定) 多喷轻小型喷灌机组． 软管多喷轻小型喷灌机组是管道式喷灌的一种类 型．在喷洒作业区的管道是固定的，全部采用可拆 卸的快速 接 头 连 接，灌 溉 季节结束后可以收存入 库．配套动力一般为 11 ~ 22 kW 柴油机，可控喷灌 面积可以达到 16. 67 ~ 20. 00 hm2．该机型实际上是 传统的“一字形”或“丰字形”灌溉布置形式向大型 网状布置形式的一种拓展．它结合了固定式和移动 式喷灌系统的优点，喷洒均匀，可实现轮灌作业，减 轻劳动强度，同时投资减少，操作简单方便，因此具 有较好的市场前景．

轻小型喷灌机组经过多年的发展，已经发展为 多种应用模式，适应不同的使用场合、投资水平及 劳动力状态．机组设备的水力性能较好，特别是农 用喷灌自 吸 泵，已 经 达 到 或超过国外同类产品水 平，但产品结构笨重，使用可靠性、使用寿命、外观 等与国外产品存在较大差距．

1. 1. 4. 2 存在的问题

国内产品结构笨重，移动劳动强度大，可靠性、 使用寿命、外观等不如国外产品．在动力机性能、噪 声、机械密封性、轴承可靠性、油耗和排放的废气指 标等方面劣于发达国家水平，在水力性能、加工工 艺、外观结构等方面还有较大改进空间．

1. 1. 4. 3 发展趋势

针对轻小型灌溉机组应用中的弱点，以及移动 困难、劳动强度大等问题，开展机组便携性与机械 化移动技术研究，例如采用铝合金压铸工艺减轻喷 灌泵重量，发明生产更方 便实用的快速连接结构 等，研制机械化移动的轻小型喷灌机组．

1. 2 微灌装备

1. 2. 1 发展现状

1. 2. 1. 1 国外发展现状

微灌技术早在 20 世纪中期已经开始应用，以色 列、美国、西班牙、意大利、澳大利亚、韩国等国家的 研究水平一直处于世界的前列．近年来，美国的微 灌面积 发 展 很 快，到 2010 年 已 发 展 到 1. 53 × 106 hm2，是世界上发展微灌最快的国家之一．以色列水 资源的自然枯竭，迫使其最大限度采用节水灌溉技 术，80% 的灌溉面积采用了先进的微灌技术，成为微

灌技术发展最具代表性的国家．

1) 滴灌灌水器

滴灌灌水器是滴灌系统的核心产品，经历了孔 口式、涡流式、微管长流道式、透水毛管、螺纹长流 道式到迷宫流道式以及压力补偿灌水器等发展过 程，形式越来越多，技术越来越先进．按照滴灌灌水

器与毛管的连接方式，大体上可分为 2 类 : 一是一体 化滴管(带) 类，二是滴头类．

目前普遍流行的是一体化滴灌管 ( 带) ，即滴头 和滴灌管结合为一体，安装使用非常方便．一体化 滴灌管(带) 主要有内镶柱式、内镶片式、内镶条式、

侧翼迷宫 式、压 力 补 偿 式 和防滴压力补偿式等系 列．滴头间距一般为 30 ~ 100 cm，管壁厚为 0. 15 ~ 2．00 mm，有的为一次性使用，也有的寿命可长达 20

a．最新的产品主要是 压力补偿型的内镶式滴管 ( 带) ，灌水均匀性高，机械化长距离铺设方便．滴头

类产品种类也很多，有管上式滴头、可拆卸滴头、压 力补偿式滴头，其中较先进的压力补偿式滴头可通

过改变水流通道的长度调 节 流 量，具 有 自 冲 洗 功 能，灌水均匀度高、抗堵塞能力强 [16] ．为了增强低压 滴灌与地下滴灌的灌水均匀性与抗堵塞能力，开发 出了先进的宽流道、双入口、抗根系入侵与缠绕以

及防负压吸泥等多种滴灌灌水器．

2) 过滤、施肥及控制设备

以色列、美国、西班牙等砂石过滤器、离心过滤 器和网式、叠片过滤器品种规格较全，都有手动、半 自动和全自动反冲洗 3 种形式，自动反冲洗与自清 洗连续过滤控制技术比较成熟，拥有先进的全自动 盘式清洗过滤系统、全自动自吸式网式过滤器及全 自动过滤站等产品，新型叠片过滤器流道采用曲面 及反冲洗流道，减少了水头损失，把外壳旋转一定 角度即可方便地实现反冲洗．

水动注肥泵、水力驱动比例注肥器及全自动灌 溉施肥机为当今世界水肥一体化装备的先进产品， 依靠水流驱动活塞吸肥、混匀与注肥，具有较好的 控制精度．全自动灌溉施肥机采用可编程控制器控 制，由水泵加压多个文丘里装置注入肥料，可以做 到自动配比施肥的种类和比例．发达国家的节水灌 溉控制器、电磁阀等自动控制产品较为成熟，微灌 自动控制系统产品完整配套．

1. 2. 1. 2 国内发展现状

滴灌产品的研究与开发，以 1974 年引进墨西哥 滴灌设备为起点，20 世纪 80 年代开始仿制、改进与 试点推广 ; 进入 20 世纪 90 年代后，在引进与仿制的 基础上，国内滴灌产品具 备了一定的自主研发能 力，开发了一系列适合中国国情的滴灌产品．经过 40 多年的发展，滴灌产品门类和系列基本配套，形 成了灌水 器、管 材 与 管 件、净 化 过 滤 设 备、施 肥 设

备、控制及安全装置等 5 个大类，品种规格多样化、

系列化的滴灌产品．全国共有滴灌管 ( 带) 生产线近 1 400 条，其中侧翼滴灌带生产线 1 300 多条、扁平 滴头生产线 30 余条、圆柱滴头生产线 10 余条、管上 式滴头生产线 2 条．滴灌技术标准体系日趋完善，已 制定了与滴灌技术相关的行业标准 15 部、国家标准 22 部，涉及工程技术、管理、产品等滴灌系统的各个

组成部分，还有些省市根据自身发展条件和发展目 标，制定了地方标准 [17] ．

对滴灌灌溉制度，滴灌条件下的 水、肥 运 移 规 律及运移模型，滴灌管网水力学和系统优化理论等 展开了大量研究，取得了一些可指导滴灌技术实际

应用的成果．开展了滴灌灌水器、过滤器等关键产 品机理性的研究，打破了过去一贯以仿照或模仿为 主要手段的微灌产品生产路线，开始注重原创性产 品的研究与开发．初步形成了田间固定式微灌、膜

下滴灌、地下微灌、移动式微灌、微压滴灌等符合中 国国情的微灌工程技术与应用模式 [18 －19] ．

1) 微灌灌水器

灌水器品种规格不断增加，滴头类系列由管间 式滴头发展到微管滴头、孔口滴头、可调式滴头、补 偿式滴头等．滴灌管 ( 带) 系列有双腔滴灌管 ( 带) 、 边翼迷宫薄壁滴灌带、内镶片式滴灌管 ( 带) 、内镶

柱式滴灌管、内镶条式滴灌带等．灌水器产品初步 形成多样化和部分系列化，适用性更为广泛，为用 户的使用选择提供了方便．目前国内大面积使用的 滴灌灌水器基本为 2 类 : 一类是内镶迷宫式滴灌带， 另一类是单翼迷宫式滴灌带．单翼迷宫式滴灌带产

品经历了启动期、成长期的发展过程，目前已处于 成熟期．扁平滴头式滴灌管 ( 带) ，在我国正处在从

引进仿制到自主研发的新阶段．

2) 过滤、施肥及控制设备

国内微灌净化过滤设备，由第 1 代的立式铜筛 网、钢体过滤器 2 种规格，发展到多种材质类型的筛 网式过滤器、不锈钢过滤器、自动反冲洗筛网过滤 器、叠片式过滤器等 ; 由单一的筛网式过滤器发展 到砂石过滤器、旋流水砂分离器系列产品及组合式 过滤站等．

施肥装置由单一的压差式钢体化肥罐发展到 胶囊钢体化肥罐、开敞式施肥罐、文丘里施肥器、水 力施肥泵、电力驱动注射泵等，产品规格已达到 10 多种．目前，压差式、文丘里式注肥器已经实现产业 化生产．

控制调节阀和压力流量调节器、微灌专用塑料 球阀、专用施肥阀、进排气阀、调压阀等产品逐步形 成多样化 [20] ．自动控制监测系统装置已在一些微灌 工程中小范围应用，目前处于试验示范阶段．

国内微灌管材和管件经过多年发展，已经形成 规格化、系 列 化 产 品，微灌工程中大多用聚乙烯 ( PE) 和聚氯乙烯 ( UPVC) 管和相应管件，国内生产

厂家众多，生产规模、产品质量、数量、配套规格已 基本适应微灌发展要求，市场趋于饱和．

1. 2. 2 存在的问题

近年来，我国微灌虽然发展速度 较 快，微 灌 设 备产品基本配套，型号规格较为齐全，但低端产品 居多，中、高端产品较少．产品价位适合国情，但国

内主要是通过引进、消化、吸收及改进的模式进行 微灌关键技术与装备的研 制，新产品研发进展迟

缓．低端微灌设备产能过剩，高端产品的研发与生 产不能够满足市场需求，还依赖于进口 [17，21] ．

( 1) 灌水器产品性能和质量有待提高．微灌灌 水器是微灌系统的核心部件之一，目前，国际先进 制造企业已具有可靠性、耐久性较高的系列化产 品，而国内灌水器流道的开发方式大多是以迷宫式 流道为基础，通过对国内外现有灌水器流道进行分 析与试验并加以改进，因此难以形成全新的流道结 构形式．具有完全自主知识产权、性能优异的灌水 器不多，缺少自主创新品牌．普遍存在灌水器产品 质量不稳定，制造偏差较大，流量均匀度低，使用寿 命短等问题．灌水器水力性能与流道结构的研究工 作不够深入，缺乏相应的设计理论．微灌灌水器的 自主设计与研发，已成为阻碍企业与国外厂商竞争

的主要因素．

(2) 产品配套性和系列化水平欠缺．国内微灌 产品在品种规格系列化、配 套 水 平、可 靠 性、稳 定 性、耐久性等许多方面都存在不少问题，部分产品 质量较差．

对于离心式过滤器，不同的固体 浓 度，往 往 需 要不同结构或操作条件的离心式过滤器处理，通用 性较差，需进一步研究、解决．砂石过滤器的滤料材 质、配比、结构参数与过滤效率及水力性能的关系 研究还不够深入，反冲洗技术还有待提高．滤网过 滤器产品存在型号规格少，金属部件易锈蚀，筛网 及骨架强度不够，易变形破损，胶圈内密封性差，易 漏水等问题．叠片式过滤器叠片流道的结构、叠片 材质、叠片成型工艺的研究成果较少 ，反冲洗结构 与技术还不够成熟．

国内目前普遍使用的是压差式施肥装置与文 丘里注肥器．压差式注肥器的注肥浓度由大到小一 直在变化，浓度差异较大，难以掌控，且出液管易堵 塞．文丘里式注肥器水头损失过大，性能不稳定．各 种施肥设备性能指标均不完善，结构参数与注肥、 吸肥及能量损耗等性能参数之间关系研究不够深 入，有待开发性能更加稳定的比例施肥泵．

压力流量调节器、排气阀等品种 规 格 少，均 未 形成系列化，产品单一．管件配套程度低，规格不齐 全，管道接头易脱开或漏水，不同材质的管道过度 连接件不配套，给施工安装造成诸多不便，工程造

价增加．

( 3) 自动化程度低．国内过滤、施肥、阀门、采集

监测等设备自动化控制技术开发滞后，微灌系统自

动化程度低，运行管理不便．

(4) 运行能耗较高．微压微灌灌水器产品较少， 施肥、过滤产品水头损失大，大多数厂家不提供施 肥过滤产品的流量与水头损失关系，选型配置不尽 合理 ; 工程设计时造价因素考虑较多，能耗分析较

少，致使系统运行能耗较高．

( 5) 技术集成度低．微灌应用基础理论和应用 基础研究不足，基础研究、设备研发、工程应用等技 术间缺乏有机的连接与集成，没有形成适宜于不同

区域农村水土条件的完整技术体系和应用模式．

( 6) 生产设备和材料工艺落后，产品市场竞争 力较弱．国内微灌生产企业规模小而分散，缺少专 业技术人才．大多数企业的工艺装备多是国产通用 的塑料挤出和注塑设备，缺少专用自动化生产线装 备，制造工艺精度低．原料性能不稳定，缺乏微灌器 不同产品材质及原料配方．一些小企业在生产过程 中大量使用再生塑料和添加剂，加工工艺粗糙，承 压强度低，易老化，使用寿命短，致使管道爆管、漏

水现象时有发生．

(7) 环境污染问题．出于机械化铺设及经济性 目的，滴灌带越来越薄，使用寿命只有 1 季或 2 季， 是大田滴灌发展的趋势，但如何回收和再利用废旧 滴灌带，还没有好的方法．膜下滴灌带来的白色污 染问题，也没有得到有效解决．

1. 2. 3 发展趋势

注重高效、多功 能、低 能 耗、环 保、智 能 化 是 微 灌技术与产品发展的新趋势．加强基础理论研究， 加大新技术、新材料、新工艺在微灌领域的研究与 应用力度，缩短新产品开发周期，改进和完善产品 性能，提高设备与技术的可靠性、配套性和先进性，

使微灌产品和设备日趋标准化、系列化与通用化， 是今后微灌技术与产品研究及开发的目标 [17，21] ．

( 1) 高效、多功能、低能耗是微灌技术与产品的 发展趋势．随着能源危机的加剧，国家将节约能源 提到战略高度．开发高效、多功能、低压微灌技术与 产品，降低能源消耗，提高微灌技术与设备的利用

率将是微灌技术与产品研发的一个重要趋势．

(2) 微灌技术与系统的配套性、可靠性问题越 来越受到重视．微灌灌水器设计理论研究滞后，国 内微灌灌水器结构、水力性能、抗堵塞性能等与国 外产品均有一定差距，成为阻碍与国外产品竞争的 主要因素．微灌系统的过滤器、注肥装置、控制调节 装置、自 动控制设备等配 套设备存在技术水准较

低、系列化程度差等问题．因此，提高国内微灌系统 理论与技术水平，增强设备可靠性、系统配套水平 和专用零部件配套能力，从基础理论、应用技术、动 力设备、提水与输水设备，到施水、施肥设备等全面 考虑，进行合理配套，促使微灌技术健康稳步发展， 以取得最佳综合效益，是今后微灌技术与设备的发

展趋势．

( 3) 多功能轻小型微灌系统具有良好的应用前 景．我国人均耕地面积不到 0. 08 hm2，农村土地实 行家庭承包，地块分割细碎，土地经营规模较小．成 片的土地因多户共同承包而被划得狭小而零星．农 村经济也相对落后，电力、水源等基础设施配套差， 农民家庭难以独立地对大规模基本建设进行投资． 而多功能轻小型微灌系统投资小，使用方便，机动 灵活，不受田间电力、水源、地块规模等基础设施条 件的限制，在中国及其他发展中国家的家庭式分散

农业节水中，具有良好的应用前景．

(4) 地下滴灌技术将成为研究热点．地下滴灌 是在滴灌技术日益完善的基础上发展而成的一种新 型高效节水灌溉技术，在延长毛管使用寿命、节省回 收和铺设滴灌毛管劳动力等方面有着其他灌水技术 无可比拟的优点．地下滴灌已成为近几年世界各国科 学家研究的热点，并取得了一定的进展．但地下滴灌 存在的堵塞问题、灌水均匀度测量与控制技术、系统 故障诊断与维护技术、发芽期和苗期的灌水方法等问

题还有待于进一步研究．

( 5) 微灌技术对环境的影响已引起重视．微灌 不仅可以提高肥料和农药的使用效率，减少化学物 质的施用量，有效防止地下水与地面水源污染，同 时还可以利用污水(地下滴灌) 或微咸水灌溉，在防

止沙漠化、生态改良等方面具有重要作用．但随着 膜下滴灌的快速发展及薄壁滴灌带使用量的剧增， 滴灌带与农用薄膜残留逐 年 增 加，严 重 污 染 了 环 境．如何回收和再利用废旧滴灌带与塑料农膜，将

是今后要解决的重要问题．

( 6) 日益广泛地应用新技术、新材料与新工艺． 新技术、新材料与新工艺的应用使微灌技术水平不 断提高，新产品开发速度加快，性能不断完善．新材 料添加复合技术、纳米材料改性技术、过程控制和 模拟技术、高精度快速成型及先进机械制造技术等 不断地应用于开发微灌设备．研制用于管道输水的 高分子复合材料大口径管材、管件及配套设备，开

发标准化与系列化的新型金属管材及管件，加筋高 密度聚乙烯(PE) 移动管道及管件．高新技术产品与

材料不断更新换代，从天然材料到人工合成材料， 从低分子量产品向高分子量产品，从单一功能向多

功能发展，都将对微灌技术大发展将起到重要作用．

(7) 不断提高信息化与智能化水平．随着全球 现代科学技术的进步，信息技术、计算机智能控制技 术、机电一体化技术、3S 技术、传感与检测技术等在 微灌技术中更为广泛地应用，进一步提高了微灌技术 装备的精确化、自动化、智能化水平．微灌技术的安全 性、舒适性和操作方便性，也将随着经济发展及人们

生活水平的提高而进一步提高．

( 8) 微灌基础理论研究更加注重学科交叉与渗 透．加强基础理论研究，注重交叉学科、边缘学科、 新兴学科的相互渗透，进一步提高微灌技术水平与 产品性能，是微灌理论研究的方向．流体动力学理 论和计算机模拟技术、流场测量与显示技术、CFD- CAD-CAM 有机结合的设计理论与方法将成为今后 微灌产品研发的重点．

1. 3 可再生能源节水灌溉技术

1. 3. 1 发展现状

节水灌溉系统与设备正常功能的发挥，均需要 有效地保证其能源供给．农村土地分散，且边远地 区集中建设农业生产配套电网投资大、难度大 ; 采 用移动式柴油发动机，因运行和维护成本高而只有 在集中的大型泵站相对有 效．而在许多农业生产 区，日照充足，适合太阳能资源的开发 ; 有的地方水 资源充足并具有有利的地 势，适合水能资源的开 发 ; 有的地方风能资源充足，适合风能资源的开发 ; 生物质资源普遍丰富，可开发生物柴油或沼气、电 力等资源，既充分利用资源，又避免了焚烧造成的 空气污染．

1. 3. 1. 1 国外发展现状

1) 太阳能灌溉技术

太阳能光伏提水灌溉系统是光伏水泵技术与 现代农业灌溉技术的有机接合，具有低能耗、节约 资源、方便使用等优点，是一项具有广阔应用前景 和巨大社会及经济价值的现代农业技术．太阳能光 伏提水灌溉系统主要由光伏发电系统、光伏水泵提

水系统、灌溉系统以及控制系统等几部分组成，其 中光伏水泵提水系统是关键 [22] ．

20 世纪 70 年代，国外就开始了对光伏水泵提 水技术的 系 统 研 究．早 期 的应用和研究集中在水 泵、直流电动机与电池板直接耦合的系统上．有刷 直流电动机使用方便，但通常维护不方便 ; 无刷直 流电动机动态性能良好、能效高，与电池板匹配度

高，但功率通常较小、价格较贵，只应用于低功率系

统中 [23－24] ．对于大功率系统，光伏水泵系统应该寻 求电动机与阵列的最佳组合，以达到高效率、低成 本、高可靠性．在大功率系统中使用逆变器和交流 异步电动机是较为合适的方案．除了电池阵列及电 动机－泵装置这 2 个主要部分，为了最大限度利用 光照，在系统中需加入功率**以使电池板运行 在最大功率处，加入蓄电池或蓄水池等装置以储存

能量，在有交直流转换的系统中加入变频器以使电 动机变转速运行 [25] ．

在产品方面，虽然早在 1975 年第 1 台光伏水泵 就已面世，但因太阳能光伏电池价格昂贵，技术也 不成熟，所以只是作为太阳能光伏电池在地面应用 的一种尝试，仅限于在局部地区试运行．1981 年，联 合国开发署、世界银行等国际组织经过论证，确认 光伏水泵的先进性、合理性和良好发展前景，从而 大大推动了光伏水泵产品的研制和应用．1982 年， IT POWER 公司的测试中心开始对光伏水泵系统进 行测试并制定了相关的标 准，成为此领域的开拓 者．近年来，随着太阳能光伏发电技术的不断完善， 其成本也在不断下降，光伏水泵的产品开发和应用 进一步得到了世界各国的广泛关注．丹麦、美国、英 国、德国和日本等国相继推出了一批光伏水泵新产 品，丹麦 Grundfos 公司的光伏水泵系统中，泵的性能 指标居于世界前列．美国 Mono 公司的光伏水泵系 统安装了 GPS 系统，以精确跟踪太阳的位置，使得

系统每天能够多提供 30% 的水．

2) 低水头小型和微型水电灌溉技术

欧盟的水电开发程度已经相当高．通过调查和 分析，欧盟的小水电主要以低水头和超低水头的小 型和微型水电为主 [26－27] ．由于应用环境的多样、复 杂，以及小型和微型水电技术的来源为各种大型水

电技术，因而技术和设计方面都存在一些差别．这 些差别不仅增加了电站、机组的设计、建设和制造 成本，并且由于其存在的复杂性，还影响了低水头 小型水电的开发利用．

其中德国福伊特水电集团下属的 奥 地 利 K6ssler 公司，在过去的 30 a 中表现最为突出，80 a 中为 2 000 多个电站提供了机组．对其所供货的低 水头产品分类，主要有卧式或斜轴式布置．立式布 置，奥地利安德里兹水电是低水头领域最富有经验 的公司，它研发推出的变转速潜水轮机类产品虽然 只有大约 9 个电站应用，但仅凭 5 种尺寸却制造了 405 台机组．

在低水头小型和微型水电技术和产品方面，欧 盟国家，例如德国、奥地利、瑞士和挪威等国都出现

了许多形式的设计和产品．小型和微型水电基本上

是 10 MW ( 微水轮机的功率上限为 100 kW) 以下的 机组和电站．如果将不同功率对应所需的流量和水 头进行展开，低水头段 0 ~ 8 m，流量为 0. 1 ~ 100．0 m3 / s，在欧洲得到了很大的发展和进步．将每款技 术产品的应用范围作对比可知，潜水轮机具有最广 的应用范围，对国内小型和微型水电市场的开发具 有很大的市场参考价值．

1. 3. 1. 2 国内发展现状

中国一直非常重视可再生能源的开发和利用， 进入 2000 年以来，国家层面的水电、风电、太阳能保 持齐头并进的发展趋势．至 2012 年，水电累计装机 占整个可 再 生 能 源 装 机 的 75% ，风电累计装机占

22% ，太阳能装机占 3% ，形成了以水电为主、风能

次之、太阳能为补充的可再生能源开发和利用格局．

1) 光伏水泵技术

中国光伏水泵技术研发工作起步于 20 世纪 80 年代末、90 年代初，早期的代表产品有深圳大明生 产的 DHB 型光伏水泵和安徽日泉生产的 NSP 系列 等光伏水泵．这 2 种型号的光伏水泵实际应用效果 较好，但限于当时太阳能光伏电池板价格昂贵，水 泵功率比较小，推广应用受到较大的限制．在 20 世 纪 90 年代，先后试制成百瓦级和千瓦级光伏水泵， 并建立了光伏水泵生产企业，能批量生产百瓦级光 伏水泵．随着国家能源政策的颁布实施和近年太阳 能光伏电池板价格的不断下降，中国光伏水泵技术 又有了新进展，出现了许多新型设备．这些新技术 主要表现 在 2 个 方 面 : 一是光伏电池广泛采用了 MPPT 最大功率跟踪技术，运用先进算法，可保障不 同光照下电池效率达到最高 ; 二是中小型机组中大

量使用永磁无刷无位置感应器直流电动机，机械性 能更优良，调速范围宽，效率更高 [28－29] ．目前，国 内 光伏水泵型号有近千种，生产规模和产量都已超过 国外企业，但这些光伏水泵装机功率绝大多数都比

较小，扬程范围在几 m 到几十 m，流量也很小，多用

于美化环境或者景观用水．

2) 低水头小型和微型水电技术

从“七五”规划到“十二五”规划，我国农村电气 化建设主要经历了 2 个阶段 : 从“七五”到“九五”的 水电农村初级电气化建设阶段，从“十五”到“十二 五”的水电农村电气化建设阶段．总体而言，通过国 家农村电气化建设的推进，在新农村的可再生能源

利用方面，仍停留在以小型和微型水电为主的可再

生能源利用阶段．

3) 风能和沼气能可再生清洁能源

沼气利用在农村已经得到了广泛的应用，但主 要集中在农户集中居住的住房建设区，而且布置非 常分散，解决的是农户日常做饭燃料和热水供应方 面，而在 农业生产和加工 方面适度规模的应用较 少．在广大农业生产区，对风能和生物质能源等可 再生能源的利用还处在起始阶段，值得未来五年规 划中加强重视和有效推进．

1. 3. 2 存在的问题

1. 3. 2. 1 太阳能节水灌溉技术

( 1) 光伏水泵系统的配置不合理．光伏水泵系 统可分为带有蓄电池系统和不带蓄电池系统 2 大 类．目前我国大多数场合使用的光伏水泵都采用太 阳能光伏电池与直流电动机直接耦合的方式，不需 要配备蓄电池．但这样的系统一般功率较小，无法 大规模推广应用．对于大功率光伏水泵系统，一般 均采用交流电动机．在这种情况下，为了稳定水泵 的工作特性，一般都会配备大容量的蓄电池．这不 仅增加了光伏水泵的初期投资成本，也增加了系统 的维护成本，同时还降低了系统的可靠性，缩短了 系统的使用寿命．另外，蓄电池的使用也极易对环

境造成污染．

(2) 光伏水泵产品的可靠性差．对于常规的水 泵机组，转速一般较稳定，一般情况下额定输入功 率能得到满足，高效区较窄．但对光伏水泵机组而 言，太阳 能光伏电池组件 的输出功率随时都在变 化，要保证水泵在一个额定点工作，不仅困难，而且 不经济．所以，必须要研制能够在变化工况下高效 运行的泵水力模型．目前国内在这方面的研究成果 几乎空白，现有光伏水泵基本都是按常规设计方法 设计，导致水泵在变工况下运行时不仅效率低而且

可靠性也差．

( 3) 光伏水泵与灌溉系统的匹配性较差．光伏 水泵系统与光伏发电系统以及灌溉系统之间性能 不匹配．由于光伏水泵系 统运行随光照变化而变 化，且同时受环境温度等因素影响，因而光照与系 统出水量之间具有明显的非线性关系，这是造成光 伏水泵系统设计、评价和优化复杂性的主要原因． 因此要合理设计光伏水泵系统，提高供水可靠性， 就必须要准确预测光伏水泵系统在不同光照条件

下的出水量，从而准确合理地给出光伏发电系统和 灌溉系统等各部分的设计方案 [30－31] ．

1. 3. 2. 2 低水头发电、风能等节水灌溉技术

可再生能源在农田灌溉的研究成果及应用很 少．水电和风电保持快速地向地域集中的大规模方 向发展，主要解决农村生活用电．而节水灌溉需要 分散的小型化的可再生能源，这方面的研究工作与 成果极少 [32] ．

1. 3. 3 发展趋势

( 1) 光伏发电技术的飞速进步，薄膜太阳能光 伏电池的出现，未来光伏发电效率会进一步提高． 这必将促使光伏水泵系统逐步向大功率的方向发 展．因此，大功率的光伏轴流泵提水系统和光伏混

流泵提水系统必将是未来的一个重要发展趋势． ( 2) 适用于节水灌溉的小规模化和小型化水电

和风电发展方向．

( 3) 太阳能或风能单独发电都具有一定的不稳 定性，无法保证系统的连续运行．但一般情况下，太 阳能与风能的互补性较强 : 晴天可利用太阳能发 电，夜间和阴雨天无阳光时可利用风能发电 ; 在既 有风又有太阳的情况下，两者可同时发挥作用．因 此，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电 独立系统在资源上的缺陷，实现了全天候发电的功 能．所以，风光互补的提水灌溉系统必然是未来的

主要发展趋势．

(4) 适合农村地区的生物质能源灌溉系统也是 发展方向之一．

2 节水灌溉装备发展建议

2. 1 丘陵山区节水灌溉综合配套技术研究

2. 1. 1 蓄水、引水、提水相结合的水资源开发与

联合调度技术

( 1) 雨水集蓄技术．

( 2) 提水泵站优化配置技术．

( 3) 雨水集蓄、引水与提水设施的技术集成．

(4) 水资源决策与联合调度．

2. 1. 2 丘陵山区低水头发电、太阳能提水加压

技术

( 1) 开发丘陵山区小水库、水窖、蓄水池、塘堰 的低水头发电设备与技术，开发丘陵山区太阳能光

伏技术，为丘陵山区生活及节水灌溉系统提供电力．

( 2) 研制适用于丘陵山区的太阳能光伏水泵及 低水头发电配套水泵．

( 3) 研制配套喷微灌关键设备及水肥一体化

装备．

(4) 开发丘陵山区轻小型灌溉机组与中型灌溉 机组．

2. 1. 3 丘陵山区土壤水分调控技术

( 1) 丘陵坡地土壤湿润体特性及水分分布 规律．

( 2) 丘陵坡地土壤湿润体影响因素及影响 规律．

( 3) 丘陵坡地土壤湿润均匀性的影响因素．

(4) 丘陵坡地土壤湿润体计算模型及土壤水分 运动模型．

2. 1. 4 丘陵山区主要经济作物需水规律及灌溉

制度

( 1) 丘陵地区主要经济作物需水规律．

( 2) 丘陵地区主要经济作物水分胁迫响应特征 及机制．

( 3) 丘陵地区主要经济作物需水与水分胁迫调 控技术．

2. 1. 5 丘陵山区高效节水灌溉技术

( 1) 喷灌灌水技术．丘陵山区喷灌技术特点、丘 陵山区喷灌灌水技术参数计算方法、丘陵山区组合 喷灌设计、丘陵山区喷灌管网优化布置及水力设计

方法等．

(2) 滴灌灌水技术．丘陵山区滴灌毛管水力特 征、丘陵山区滴灌灌水技术参数计算方法、丘陵山 区滴灌系统轮灌方案、丘陵山区滴灌管网优化布置

及设计方法等．

( 3) 适用于丘陵山区家庭微型井、集雨池、水窖 等分散微型水源的移动式灌溉系统模式．

(4) 适用于集中水源与分散水源的固定式、半 固定式灌溉模式，包括首部移动管道固定模式、首 部固定管道移动模式、干管固定支管移动模式及首 部管道全部固定模式等．

( 5) 根据喷灌、微灌对压力水头的要求，结合作 物种植地形坡度情况，研究丘陵坡顶部为微灌 ( 滴 灌、微润灌) 、底部为喷灌的灌溉模式，以充分利用 地形高差，降低系统能耗．

( 6) 开发分散微型水源的移动式灌溉机组．

(7) 适用于丘陵作物轮作倒茬需要的喷滴灌两 用灌溉模式．

2. 1. 6 丘陵山区节水灌溉关键设备的研制 ( 1) 低能耗提水水泵，喷微灌多功能泵．

(2) 适合丘陵山区坡地的低压喷洒喷头、变量

喷洒喷头．

( 3) 适合丘陵山区的滴灌灌水器、施肥装置、过 滤装置．

(4) 压力流量调节器．

( 5) 智能控制装置．

2. 1. 7 丘陵地区节水灌溉智能化控制技术 ( 1) 土壤墒情预测模型．

( 2) 作物水分状况的大尺度外部表现特征．

( 3) 作物水分亏缺判别模型．

(4) 丘陵地区经济作物高效节水灌溉智能控制 技术．

2. 1. 8 丘陵山区节水灌溉技术集成

( 1) 丘陵山区喷灌和微灌轮灌方案、运行工况 及其协调性、优化配置与设计方法．

( 2) 集成机组系统的灌水技术、施肥技术、施工

安装、操作维护及运行管理技术，建立丘陵山区节 水灌溉技术体系．

2. 2 智能化精确喷灌机组

( 1) 轻小型喷灌机组．研制自动拖移、可变速运 行、低能耗的新型轻小型喷灌机组 ; 集成高均匀性 低压喷头、小型肥(药) 注入设备、控制调节设备等， 研制多功能轻小型喷灌机组．

( 2) 中型卷盘式喷灌机组的智能化控制与节能 降耗．

( 3) 大型喷灌机低压与精确化．研制适合大型

喷灌机组使用的低压喷头、流量调节器、水肥适时 监测设备、变量控制设备等，开发低压、精确、多功 能的大型喷灌机．

2. 3 低成本高效喷、微灌和水肥药协同精准控制技

术与装备

2. 3. 1 低能耗喷、微灌技术与产品的研发

( 1) 完善 CFD-CAD-CAM 有机结合的滴灌产品 设计理论与方法．将 CAD、CFD 和 CAM 技术有机结 合，建立喷、微灌产品内部流场计算理论和三维造 型的可视化设计方法，具有流动模拟和水力性能预 测功能，易于优化结构参数，快速开发出性能良好

的喷、微灌产品．

( 2) 研制低压均匀喷洒喷头、适合施肥(药) 施 用的高均匀性专用喷头、具有压力补偿特性的喷 头、抗风喷头、大型喷灌机用低压雾化喷头、景观喷

头等．

( 3) 研制微压、小流量、高抗堵、压力补偿性能 优良、耐用、价廉的滴灌灌水器．

(4) 开发出清洁、压降低、结构简单、操作维护 便利、自清洗效率高、轻便耐用的新型滴灌过滤器，

研制全自动过滤器组．

( 5) 研制适用于喷灌或滴灌系统运行工况的高 效喷灌与滴灌专用泵．

( 6) 开发喷、微灌系统专用流量调节装置、压力

调节装置及精量控制设备．

2. 3. 2 多功能喷、微灌系统的开发

( 1) 具备施肥 ( 药) 的多功能喷、微灌系统，能 够实现滴灌、微喷灌、涌泉灌等多功能的灌溉系统．

( 2) 低造价、低能耗和高水力性能的大田低压 滴灌系统．

( 3) 研制适合地下滴灌的成套技术、灌水器、过