王 凡

(錦州市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 錦州 121000)

錦州市位于遼寧省的西南部，屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，降水四季不均，年均降水量567mm，其中60%～70%集中在夏季。錦州作為遼寧省糧食主產(chǎn)區(qū)，卻飽受干旱侵害，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐募Z食保障與經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-4]。為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，保障糧食安全，增加農(nóng)民收入，2011年遼寧省政府啟動(dòng)了千萬(wàn)畝滴灌工程項(xiàng)目；2012年，啟動(dòng)了東北四省節(jié)水增糧行動(dòng)，計(jì)劃在遼寧地區(qū)發(fā)展600畝節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田[5-7]。在這些工程中，噴微灌技術(shù)發(fā)揮了顯著效益，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題：錦州市以農(nóng)戶承包責(zé)任制和分散經(jīng)營(yíng)為主，需要既節(jié)約水量又節(jié)約資金的小型噴微灌設(shè)備，普通微灌一次性投資較大，微灌抗堵塞能力差；年內(nèi)降水分布不均導(dǎo)致設(shè)備使用率低，影響農(nóng)戶積極性，缺乏可以適時(shí)補(bǔ)充灌溉的新型灌水設(shè)備；部分邊遠(yuǎn)地區(qū)和坡耕地地區(qū)，電力基礎(chǔ)仍未完善，制約節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用；缺乏配套的灌溉制度及田間灌溉方式；如何將先進(jìn)的灌溉技術(shù)與大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，將節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜的地形中等。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了錦州市節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展[8-11]。依托遼寧省水利廳組織開展的“微潤(rùn)灌溉技術(shù)推廣” “高效灌溉新技術(shù)推廣”等課題，篩選出具備推廣應(yīng)用條件的節(jié)水灌溉技術(shù)，在錦州市不同作物、不同地區(qū)資源條件下進(jìn)行應(yīng)用?！帮L(fēng)力提水+蓄水池模式+吸力式微潤(rùn)灌水器”灌溉新模式自2014年起在黑山及凌海推廣，效果顯著，大大提高了灌溉效率和農(nóng)產(chǎn)的生產(chǎn)積極性。

1 節(jié)水灌溉新模式

“風(fēng)力提水+蓄水池模式+吸力式微潤(rùn)灌水器”模式是在缺乏電力能源但風(fēng)力能源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，利用風(fēng)力清潔能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)進(jìn)行提水。在高處修建配備蓄水池，提高勢(shì)能，為微潤(rùn)灌提供水源動(dòng)力，這樣可以大大提升灌溉水源的保證率，同時(shí)也避免了因使用柴油機(jī)等傳統(tǒng)動(dòng)力方式導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題。

1.1 新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)

如圖1、圖2所示，新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)主要包括機(jī)艙、塔架、風(fēng)力傳動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)部分、提水部分和蓄水灌溉部分等。

圖1 新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)

圖2 新型風(fēng)力提水系統(tǒng)

機(jī)艙包括主軸、曲軸、連桿、支撐架和機(jī)箱等部分，主要用于風(fēng)能傳輸。塔架以立式鐵桁架為主體，下端固定在混凝土底座上，上端連接云臺(tái)，塔架一般分段預(yù)制，實(shí)地焊接為整體，主要起到支撐穩(wěn)定作用。風(fēng)力傳動(dòng)部分通過(guò)多槳葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，直接帶動(dòng)主軸和曲軸旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過(guò)連桿向擺臂鋼纜傳力系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。機(jī)械傳動(dòng)部分直接將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)鋼纜傳輸?shù)剿没钊希瑢⒛芰窟M(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行提水，避免了通過(guò)風(fēng)能發(fā)電再提水造成的能量損耗。

提水部分是在水泵上下兩部分分別安裝4個(gè)逆止閥門，雙向作用進(jìn)行提水，尤其是通過(guò)鋼纜與水泵的活塞連接，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大大避免了旋轉(zhuǎn)式水泵造成的能量損耗。

蓄水灌溉部分的主要作用是將抽取的地下水保存并直接用于灌溉或其他用途。蓄水池大小一方面和風(fēng)力提水設(shè)備的提水能力相關(guān)，另一方面和控制灌溉面積相關(guān)。蓄水池一般利用混凝土漿砌石筑成，在一側(cè)下部預(yù)設(shè)1個(gè)出水口，當(dāng)風(fēng)力提水設(shè)備系統(tǒng)和低壓灌溉設(shè)備相結(jié)合時(shí)，可以直接與灌溉系統(tǒng)相連接，利用蓄水池內(nèi)水壓和沿坡降增加的水頭自流灌溉；當(dāng)風(fēng)力提水設(shè)備與噴灌等需要一定壓力的灌溉系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，可以用水泵從蓄水池內(nèi)提水灌溉。

實(shí)用新型風(fēng)力提水機(jī)分為3種規(guī)格型號(hào)，即低揚(yáng)程大流量型、中揚(yáng)程中流量型、高揚(yáng)程小流量型。其結(jié)構(gòu)型式一樣，工作原理完全相同。中揚(yáng)程中流量型風(fēng)力提水機(jī)應(yīng)用較多，其主要參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)力提水機(jī)參數(shù)

風(fēng)力機(jī)安裝在地勢(shì)高、風(fēng)源條件好、接近水源的地方，附近沒有高大障礙物，能夠使風(fēng)機(jī)四面臨風(fēng)。在地形上，可以放置于小山包之上，或雖處凹地，但形如走廊，總有疾風(fēng)勁吹的地方。風(fēng)力機(jī)要離蓄水池15m左右，并且避開高壓線路、通信線路、公路鐵路、人行路、水池等，遠(yuǎn)離障礙物(如樹木、居民區(qū)、高大建筑物)200m為宜，風(fēng)葉要高于建筑物2m以上。要注意渦旋氣流對(duì)風(fēng)力機(jī)的破壞，嚴(yán)禁在立陡崖上以及1m以上高度的立墻面附近安裝風(fēng)力機(jī)。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，新型風(fēng)力提水系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下。

1.1.1 制造和運(yùn)營(yíng)成本低

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前農(nóng)田灌溉所需要的高低壓網(wǎng)線及變電設(shè)備平均每畝地至少需要700元，加上電機(jī)和水泵等費(fèi)用可達(dá)千元，按100畝為一個(gè)灌溉單元計(jì)算，僅這部分費(fèi)用就高達(dá)7.0萬(wàn)～10.0萬(wàn)元，造價(jià)很高。而新型風(fēng)力提水機(jī)造價(jià)僅為3.5萬(wàn)元；另外，由于其特殊的傳力結(jié)構(gòu)，直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，無(wú)須傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電提水逆變電設(shè)備及后續(xù)昂貴的維修費(fèi)用，運(yùn)行成本很低。

1.1.2 維修成本低

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電提水設(shè)備是將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)變成電能，儲(chǔ)存在蓄電池組內(nèi)，再通過(guò)逆變器等設(shè)備將電變壓成380V的動(dòng)力電，帶動(dòng)電機(jī)和水泵進(jìn)行工作。在5kW風(fēng)力發(fā)電提水系統(tǒng)中，蓄電池組和逆變?cè)O(shè)備的造價(jià)高達(dá)3萬(wàn)元以上，其使用壽命一般不超過(guò)兩年，有的甚至不到一年，價(jià)格較高。而本次推廣的設(shè)備直接采用機(jī)械傳動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能提水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配件價(jià)格低廉，沒有使用價(jià)格昂貴的逆變電系統(tǒng)，維護(hù)和維修成本僅為200元/臺(tái)。

1.1.3 低碳環(huán)保

本次計(jì)劃推廣的風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)運(yùn)行不用電、不用油，碳排放量為0，可實(shí)現(xiàn)提水機(jī)械化，能充分利用小水源、低水高揚(yáng)、零存整取、貯用結(jié)合、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸安裝簡(jiǎn)便，既省時(shí)省力，又低碳環(huán)保。

1.1.4 適用范圍廣

我國(guó)沙漠化地區(qū)廣闊，加大植樹造林力度是有效治理和利用沙漠化土地的一個(gè)主要途徑，但長(zhǎng)期以來(lái)在沙漠化地區(qū)造林成活率低，一直制約著治理沙漠化土地的進(jìn)程，亟待解決的就是水的問(wèn)題。沙漠化地區(qū)一般位置偏遠(yuǎn)，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，無(wú)論是拉設(shè)電網(wǎng)還是采用柴油機(jī)提水，成本極高，還帶來(lái)了大量能源的消耗，增加了碳的排放量。而風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)則恰恰利用了沙漠化地區(qū)風(fēng)力資源豐富這一特點(diǎn)，充分利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源，運(yùn)行不需要電、煤和油等能源和燃料，運(yùn)營(yíng)成本和維修成本很低，屬于清潔型能源，不污染環(huán)境，還可以大大提高應(yīng)用地區(qū)農(nóng)作物、畜牧業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量，提升品質(zhì)。特別適用于東北、西北、華北等多風(fēng)沙漠化地區(qū)和平原區(qū)，以及沿海多風(fēng)地區(qū)。

1.2 蓄水裝置

蓄水裝置可使用鋼筋混凝土蓄水池和塑料蓄水桶。鋼筋混凝土蓄水池采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，容積一般為15m3以上，可修筑成圓形或方形，多修筑在山頂或半山腰，便于池內(nèi)存水形成較高的勢(shì)能；進(jìn)水管路設(shè)有逆止閥，防止水池存水倒流；由于水池存水較多，水池開口應(yīng)采取安全保護(hù)措施，避免發(fā)生意外。

常用蓄水桶規(guī)格為直徑1.6m，高1.67m，可盛水2m3，置于預(yù)先設(shè)置好的平臺(tái)(多為混凝土)之上；如使用2個(gè)以上蓄水桶，一般至少3個(gè)一起使用，每個(gè)桶均在距桶底10cm的側(cè)壁預(yù)留90mm內(nèi)徑孔用于連接管路，將蓄水桶并聯(lián)作為出水管路，每條支路及出水干管上均安裝蝶閥；進(jìn)水口設(shè)在桶的頂部，用于防止停泵以后蓄水倒灌；距桶底1.5m設(shè)有溢流管，防止蓄水量超過(guò)警戒水位；蓄水桶外壁應(yīng)覆蓋不透明塑料薄膜，用以隔絕陽(yáng)光，避免桶內(nèi)水生微生物過(guò)多影響供水。

1.3 微潤(rùn)灌溉技術(shù)

微潤(rùn)灌溉技術(shù)的原理是利用特殊材質(zhì)導(dǎo)水芯的毛細(xì)浸潤(rùn)作用，在超低水壓條件下，向作物根部土體導(dǎo)水，以實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)要求；其設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是通過(guò)延長(zhǎng)灌水時(shí)間，降低灌水強(qiáng)度，有效地防止土體深層重力滲漏和田間蒸發(fā)，增加作物對(duì)灌溉水分的吸收利用率，并可以有效處理灌水器物理堵塞和化學(xué)堵塞。

微潤(rùn)灌溉主要通過(guò)微潤(rùn)灌吸力式灌水器實(shí)現(xiàn)。灌水器主要由導(dǎo)水芯、緩沖腔和接口管組成。導(dǎo)水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導(dǎo)水性能直接決定灌水器性能的好壞。

微潤(rùn)灌水器由錐形灌水體和導(dǎo)水芯組成(見圖3)。錐形體是儲(chǔ)水腔，與輸水管采取旁通式連接，依靠導(dǎo)水芯向作物根系輸水。儲(chǔ)水腔孔徑3.0mm，輸水管徑10mm。

圖3 微潤(rùn)灌水器結(jié)構(gòu) (單位:mm)

與傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)相比，微潤(rùn)灌溉技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

a.節(jié)水：微潤(rùn)灌吸力式灌水器通過(guò)毛細(xì)浸潤(rùn)作用濕潤(rùn)作物根系活動(dòng)層的部分土壤，避免了灌溉水的田間蒸發(fā)和重力水的無(wú)效滲漏，田間水的利用率可達(dá)90%以上。

b.節(jié)能：由于利用了毛細(xì)浸潤(rùn)作用，微潤(rùn)灌水器在2m的工作壓力下便可正常進(jìn)行灌溉，降低了能耗。

c.易清除堵塞：由于灌水器的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)于物理堵塞和化學(xué)堵塞，可方便地通過(guò)來(lái)回提拉導(dǎo)水芯來(lái)清除。

d.改善小氣候：在大棚中，微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)能適時(shí)適量地向作物根區(qū)供水供肥,為作物根系活動(dòng)層土壤創(chuàng)造良好的水、熱、氣、養(yǎng)分環(huán)境，與地面灌相比，提高地溫35%；改善了棚內(nèi)小氣候，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；濕度降低4%，減少了病蟲害的發(fā)生。

2 技術(shù)應(yīng)用效果

a.黑山項(xiàng)目區(qū)選擇在錦州市黑山縣“綠色芳山”果園，建成水源井2眼，風(fēng)力提水設(shè)備2套。項(xiàng)目區(qū)根據(jù)地形進(jìn)行管路設(shè)計(jì)，2套風(fēng)力提水設(shè)備位于山中，出水管并入干管輸送山頂蓄水池中的水，過(guò)濾器安裝于風(fēng)力提水干管中，利用水壓達(dá)到過(guò)濾效果；蓄水池中的灌溉水通過(guò)自壓實(shí)現(xiàn)灌溉。鋪設(shè)地埋干管100m，地埋分干管1790m，鋪設(shè)地表支管3051m，微潤(rùn)灌溉毛管74400m。果樹生育期共灌水7次，灌水15m3/畝，畝灌水累計(jì)105m3，較項(xiàng)目實(shí)施前節(jié)水120m3/畝，項(xiàng)目區(qū)共節(jié)水7.5萬(wàn)m3，節(jié)水效果明顯；項(xiàng)目實(shí)施前，地區(qū)用潛水泵抽水上蓄，水泵流量約15m3/h，功率為25kW，畝灌水量約225m3/畝，則項(xiàng)目區(qū)合計(jì)節(jié)電18.8萬(wàn)kW·h。

b.凌海項(xiàng)目區(qū)位于錦州市下轄凌海市吳楚莊園，此次項(xiàng)目使用“風(fēng)力提水+蓄水池+微潤(rùn)灌溉”節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)果樹灌溉500畝。風(fēng)力提水機(jī)基礎(chǔ)澆筑與田間管網(wǎng)鋪設(shè)同步進(jìn)行，在作物灌水前完成施工，新建風(fēng)力提水系統(tǒng)4套；修建蓄水池1座，直徑10m，深2.5m；鋪設(shè)φ90PVC地埋主干管900m，φ63PVC地埋干管2000m，φ63PE支管3500m，微潤(rùn)灌溉毛管75000m。項(xiàng)目區(qū)未實(shí)施節(jié)水技術(shù)前，用潛水泵抽水上山，水泵流量約15m3/h，功率為25kW，畝灌水量約280m3/畝，項(xiàng)目實(shí)施后，無(wú)須水泵抽水，則年節(jié)電23.3萬(wàn)kW·h。2014年項(xiàng)目實(shí)施期間，果樹共灌水8次，每次灌水15m3/畝，畝灌水累計(jì)120m3，畝節(jié)水約160m3，項(xiàng)目區(qū)累計(jì)節(jié)水8萬(wàn)m3。

3 結(jié) 語(yǔ)

“風(fēng)力提水+蓄水池模式+吸力式微潤(rùn)灌水器”節(jié)水灌溉模式給試驗(yàn)項(xiàng)目區(qū)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)施3年項(xiàng)目區(qū)共增收156.45萬(wàn)元，累計(jì)節(jié)水15.5萬(wàn)m3(見表2)。在節(jié)水增產(chǎn)的同時(shí)改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水方式，為農(nóng)村提供了新的種植方式、灌溉技術(shù)、灌溉制度和田間管理管護(hù)形式，改變了農(nóng)戶對(duì)灌溉的認(rèn)識(shí)，使農(nóng)田灌溉日趨合理。使用節(jié)水灌溉技術(shù)可以有效改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤次生鹽漬化，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)良性循環(huán)，向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變。

表2 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算