移动式节水补灌技术与设备

针对旱作区发展节水补灌农业的紧迫性和目前所研制节水机具(包括移动式节灌设备)存在的诸多问题，宁夏大学环境工程研究院孙兆军教授等人在旱作区及周边同类旱作区节水补灌方式已取得的研究成果基础上，本着高效节水、降低节灌设备投资，与农村主要农用动力机械紧密配套、简单实用的原则，深入考察研究，于1996年向宁夏科委提出进行以三轮、四轮农用车为主要动力的“旱作节水补灌技术与PYB1.6－6系列移动式节水补灌机”的研究，为无电力配套地区水罐拉水细流灌溉、抗旱保苗及全生育期补灌提供切实可行的多功能移动式节灌设备。同时，微型移动式节水补灌机克服了传统节灌设备的缺陷，它的研制是围绕旱作区发展大田节水补灌和大面积退耕还草形势的需要，以农村普及的农用车为载体(农用车双轮压地为360mm，三轮为450mm)，各项指标均符合国家有关规定，目前适应性广泛，且效益十分显著。

为降低喷灌设备投资，科研人员深入农村考察研究，了解到农村“小四轮拖拉机”数量很多，但功能单一，节水补灌机需专用柴油机或电机提供动力，不喷水时动力机则闲置浪费，加大了设备投资。针对这种情况，研制以“小四轮拖拉机”为动力的“DSY－65型多功能双翼式节水补灌机”，为无电地区喷灌、微喷灌、细流灌、水罐拉水抗旱保苗灌等应用，拓宽了农机用途，降低了设备成本。这种节水补灌机组符合我国国情，也具有地方特点，可充分发挥综合效益，具有实用价值。

(一)PYB1.6－6型平翼多功能移动式自流节水补灌机

1.结构与工作原理

本机具主要设计部件由储水箱、连接构件、补水器三大部分组成，与三轮、四轮农用机动车相配套，工作原理是:水箱安装在农用车车厢里，水由人工或吸水泵装入水箱，运至补灌位置，打开控水开关，水箱中的水靠高度落差自行由喇叭出水口流出，经平均分布的分水管流入分流总管，在补水平衡装置的作用下，均匀地经补水管分别流到作物根基部，并根据作物行距的曲直、作物高度和风向，在补水管上装塑料软管进行微调节。

2.设计中的若干问题

(1)配套动力的选择。移动式补灌机进地作业，压苗问题是配套动力选择的重点。在同类动力机械中，小四轮拖拉机轮距相差较大，前后两侧压地轨迹为900 mm。按施水器的最大宽幅7 000 mm计算，压地率达到12.8%，大大超过了6%的目标要求。由于拖拉机与拖车的活动连接，使水箱平衡受到限制，稳定性较差，不能实现全生育期补灌的目的。而目前农村拥有大量三轮、四轮农用车，发动机和车厢为一整体，移动灵活，速度相对较快，闲置时间较长，三轮和四轮前后轮压地分别为:450mm和360mm。按施水器的最大宽幅7 000mm计算，压地率为6.4%和5.1%，均在6%左右，如灌溉覆膜穴播或侧播作物，则几乎没有压苗现象。因此，从山区实际情况出发，选用三轮、四轮农用车为配套动力较为适合。

(2)储水箱容积的确定。由于PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机选择配套动力为12－18 kW的三轮、四轮农用车，根据滚动摩擦力学原理可按下式计算水箱容积:

计算可得，V=1.925 m3。由于PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机在18°坡地作业的机会多，且作业时土壤阻力大，从安全性和稳定性考虑，选取V=1.8～1.6 m3为宜。储水箱横截面设计见图5－14，其下部长方体体积为1.5 m3，上部扇形体积为0.1 m3，储水箱容积确定为1.6 m3。

图5－14　储水箱横截面示意图

(3)补水器的设计。根据满足25～35个出水口(直径20mm)的需要，选择5条φ63mm的UVPC管，喇叭出水口面积只要超过5条输水管总面积即可。由于设计储水箱底部为平面，且本补灌机为自压式，加之5条输水管并排时其宽度为63×5=315mm，高度为63mm，故最后确定喇叭出水口为长方形(100 mm×400 mm)比较合适，在与储水箱接口处，确定为100mm×200 mm，这样也有利于节省材料。喇叭出水口见图5－15。

图5－15　喇叭出水口简图

为了便于操作，保证水不流出垄间，在各出水口安装塑料软管，以调节其水流方向。为了达到喷洒农药、化肥等，可在各出水口安装喷头。为了保证每个出水口出水均匀一致，在管中一定部位设计安装了水平装置。在驾驶室内安装控水开关，其主要功能是调节出水量。

(4)施水量的确定。采用PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机在小麦生育期进行补充灌溉，主要考虑每次补灌施水量，也可表示为每次补灌水的深度，从而达到节水的目的。补灌水的深度主要与土壤类型、作物密植程度有关。在小麦三叶期、拔节期进行试验，土壤为灰钙土，当土壤补灌深度为25 mm时，水在土壤中入渗深度16.5 cm，入渗宽度为16.3 cm;当土壤补灌深度为20mm时，水在土壤中入渗深度12 cm，入渗宽度为11.6 cm，且土壤灌溉10 d内，土壤含水量保持在65.0%～70.2%。由于小麦根系80%以上主要分布在10.0～14.0 cm土壤深度，经过多次反复试验，如果小麦三叶期、拔节期补灌深度大于25mm，有一部分变成无效水渗漏，达不到节水的目的;当补灌深度小于15mm时，水分在土壤中入渗较浅，土壤中小麦根系吸收水分较难，补灌效益不明显;当补灌深度小于10mm时，土壤中水分小麦根系很难吸收。因而每次补灌施水量的范围确定在15～25mm，以20.0mm较为合适。该节水补灌机每次补灌施水量的大小可通过出水口控水开关来控制。

(5)施水均匀性。施水均匀性主要由补水器来调节。国内同类机具只能调节补水器的数量，不能调节补水器的高度。采用PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机既可调节补水器的数量，也可调节补水器上塑料软管的位置、开口方向，进而解决不同坡度、不同行距、不同高度、风向和农作物补水均匀性的问题。该节水补灌机依据作物行距，通过软管调节补水器，能基本上保证补灌水送到作物根系吸水的有效部位，确保补水的均匀性。该节水补灌机作业时，出水口的出水量基本保持一致，没有发生施水断条现象，施水均匀性达90%。

(6)稳定性。PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机在坡耕地作业时，需要行驶坡面路段，机组重心后移，应对稳定性进行校检。根据机组在坡面的受力分析(图5－16)，按下式计算机组可行驶的极限坡度。

计算可得，sinα=0.4541，α=27°。

在试验基地15°和18°坡耕地反复试验，机组纵向稳定性良好。根据旱区农业生产的客观要求，一般在15°以下的坡耕地种植农作物，15°～18°的坡耕地种植牧草。从样机性能测试看，在18°以下坡耕地上进行农作物补充灌溉，稳定性良好。

图5－16　机组坡面受力图

3.田间指标测试

试验基地选在宁南山区海原县兴仁镇，地处我国干旱半干旱地区的中心，是典型旱作农业区。多年平均降水量271.4mm，7～9月降水量占全年降水量的60%，年平均蒸发量2 368.8 mm，年平均气温6.4℃。≥10℃的有效积温2 629.4℃，保证率80%以上的无霜期173 d。春季气温回升快，大风天气多，风力较大，并伴随扬沙天气，土壤水分蒸发快。

(1)三轮、四轮农用车前后轮压地镇压试验

表5－8为农用车前后轮压地在秋季降雨25 mm/次后用犁深翻4 cm以上土壤结块数量、直径和挤压强度的试验值，可见三轮或四轮农用车进地补灌对土地无显著影响。

表5－8　农用车前后轮压地镇压试验对土壤结构的影响

注:测试体积为50 cm×50 cm×30 cm;测试直径为4 cm以上土壤结块。

(2)节水性能测试

表5－9　几种节水灌溉技术节水性能比较表

对PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机渠道防渗、低压管道输水灌溉、滴灌、喷灌和卷盘式喷灌机械进行节水性能比较，试验结果见表5－9。

(3)作业成本与经济效益测试

作业成本测试结果见表5－10，可以看出，补灌一次春小麦的成本为39.75元/hm2时，小麦全生育期补灌成本为159.0元/hm2。小麦补灌实际增产值1 745.3元/hm2时，小麦补灌纯收入1 586.3元/hm2。一台节水补灌机每年按田间作业效率估算完成补灌面积5 hm2时，创经济收入8 726.5元，机具购置费1 500元，每台机具每年可创收7 226.5元。

表5－10　样机作业成本测定值

(4)施水作业效率测试

PYB1.6型平翼多功能移动式自流节水补灌机施水作业效率测定值见表5－11。从表5－11看，该节水补灌机理论施水作业效率为4.2～11.7m2/s;最佳田间理论施水效率7.0m2/s，田间施水作业实际效率1.26 hm2/h。

表5－11　施水作业效率测定值

4.节水补灌机田间注意事项

由于分流总管是UPVC塑料制品，使用时要注意轻拿轻放。灌溉开始时水压较大，为控制均匀度，将控水阀先打开80%，然后逐渐全部打开。每次灌溉时，在机动车行驶50 m后由于储水罐水压变小，出水速度减缓，车速应减慢。在三叶期以内，为均匀补水及防止水对幼苗的损伤，可给出水管头安装20 cm的塑料软管进行调节。

选材上应严把质量关，同时需要做好保养和维护工作。如果长时间不用，须将储水箱中的水泄掉，以防生锈;如果发现施水器系统各连接处有松动，可及时补胶或加固;机具长期不用应放在通风处;使用化肥、农药等后，应及时将补灌系统清洗干净。

(二)DSY－65型多功能双翼式节水补灌机

1.设计中的若干问题

(1)充分利用动力机功能

“DSY65型多功能双翼式节水补灌机”，由“15型”四轮拖拉机、拖车、自吸泵、储水罐、输水、调压、分流、喷灌、微喷灌、微管细流灌、灌水器及注肥枪等设备构成成套机组。

以充分利用动力机，提高机械效率为前提，选择配套适用的自吸水泵，首先要满足喷灌所需各项指标，则其他功能都相应达到。

确定动力机功率:按Pd≥K·P公式计算。

Pd——动力机额定功率(kw);

P——自吸泵工作最大轴功率(kw);

K——动力机备用系数。

考虑水泵轴功率误差等原因，备用系数K=1.2适宜。保证机组运行安全可靠，动力机功率应大于水泵轴功率，“15型”拖拉机额定功率为11 kW，采用PBZ65－55泵比较适宜。

(2)机组控制喷灌面积计算

以10～12 d轮灌期计，按公式计算喷灌控制面积。

A0——一台机组可控制面积(m2);

T——灌水周期(d);

T——机组每天喷灌工作时间(h)a，一般为10－12(h);

Q——喷头实际喷水量(m2/h);

M——喷水定额(mm)。

按喷水定额32～35 mm计算，一套机组可控制喷灌面积100多亩。在满足作物适宜灌溉指标前提下，可视不同条件扩大节水补灌面积，能大大降低喷灌设备投资。节水补灌队和群众称这种机组是经济型通用节水补灌车。

2.机组构成及工作原理

(1)“15型”四轮拖拉机为动力，经专用传动、变速、离合器控制系统，带动自吸系统抽水，脱开离合器，机行泵不转，各项作业方便进行。

(2)水入罐。有自来水的地方用自来水加入罐中。

(3)为适应微喷、滴灌、喷微肥应用，机组装有过滤器、调压转换阀、导流管等设备。

(4)装设有双翼架、快速接头、软管、喷头架，可抽渠水、池水、低压输水管水进行喷灌;利用罐中水可以微喷、细流灌、喷肥等;双翼桥架可折叠，便于运输管理。

(5)罐内可装液位传感器，与水位监测仪相连，监测罐中水量，超加水或罐中缺水时能及时声光报警。

(6)水罐侧面装有卷管轮，方便放、收软管和排空管中余水，利于维护输水设备和运输、储藏管理。

3.主要功能和技术参数

(1)机组综合功能

①喷灌。由田间路边渠道、低压输水管或蓄水池供水，用机组自吸泵抽水，一侧或双侧软管输水定点喷灌，可节水50%左右。适宜高、低秆作物、果园、运动场、绿化草坪等喷灌。

②微喷灌。利用罐中水经水泵加压，进行微喷灌，可节水60%以上。适宜水源短缺地方应用。

③微管细流灌。利用罐中水自压进行微管细流灌(小管出流灌)，为抗旱坐水种、保苗灌应用，节水效果更为显著。

④喷施或地表下注入施化肥。罐中可装化肥溶液，经加压能喷施液肥。可带8～12个肥、水注入器，给作物根部附近即地表下10～20 cm土壤快速注入肥液或水，提高肥、水利用率，比传统方式节肥50%，是局部速渗灌的一种方式。

⑤供水加压。为管道移动式多喷头喷灌、微喷灌管网输水加压，节约专用供水设备。

⑥微型移动抽水站。不喷水时，利用机上动力和水泵抽水，就成为一座移动式微型抽水站，是缺电地区抗旱、排水的优良机具。

⑦植保机。罐中可装农药液，经水泵加压，由桥架上雾化喷头喷洒农药，或连接手持喷雾枪，为绿化、公路行道树喷药，防治病虫害。

⑧消防机。主喷管上装置万向喷头(又称消防喷枪)，可作农村简易消防机。

该机组最适宜节水补灌服务队或抗旱服务队为联户灌溉应用，不喷水时，快速拆卸水罐、输水调压管道阀门、桥架等设备，拖拉机恢复运输、耕作，多方位为农民服务，是灌溉服务队和农民致富的好机具。

(2)主要技术性能参数

①动力机:利用“15马力四轮拖拉机”传动，输出转速1 254 r/min，加速到2 900 r/min，满足自吸泵配套应用。

②自吸泵:65BPZ－55型，需功率8～9 kW，“15型”拖拉机为11 kW，配套适宜;流量(Q)30 m2/h，扬程(h)55 m;计算和实验证明，喷灌可达到相应技术规程指标。

③喷水管:φ50 mm维塑软管，最大承压1.3 MPa，运行L作压0.40 MPa～0.45 MPa满足喷灌用。

④喷头:PY－40型或ZP型工作压力:0.30 MPa～0.40 MPa，喷水量(Q)3.0～14.7m3/h。射程(R):18～31 m。套用不同口径喷头Q、R有变化。喷头总出水量应小于泵出水量，加高型喷头架为1.5 m，高低作物都可使用。

⑤微喷灌:通过调压、调流量可进行微喷，一侧桁架长5～6 m，两侧运行，选用较大流量侧喷射喷头，工作压力0.25MPa～0.30MPa，喷水量(Q):160～180 L/h，射程(R)3.3 m左右，向后喷洒为宜。拖拉机最慢档行速为33.3 m/min，为了满足微喷量，以定时、定位微喷为宜。

⑥微管细流灌:罐内水自压出流，一根微管流量为43～49.3 L/h。

罐内装满水时最高水位为1.02 m，水静压头最大为1.02 m，静压力(h)的高低随水位变化，静压(h)=P/r，由于水不断流出，水的几何压头随出流有变，其滴量亦变，因罐径小，水位低，变化小，不便分段计量，为此，滴流量可采用平均值。

4.机组的先进性及应用前景

(1)总体构思、设计科学新颖，充分发挥动力机潜能，一机多用，不仅提高了拖拉机利用率和机械效率，又能节约喷灌设备费用30%左右，对推广移动式节水灌溉有促进作用。

(2)可实现不同高效节水节能灌溉技术转换功能，是先进节水科技的集成机组，极大满足了不同用户的需求。

(3)利用田间现有输水工程，直接抽水加压进行喷灌;利用水罐拉水，转换吸水管开泵加压，实施微喷灌、喷肥、注肥等功能;可由低压输水管抽水，变畦灌为喷水灌，节水更为显著。

(4)结构合理，整体性能优良，不仅节水节能、降低投资，且收管、运储方便，减轻操作人员劳动强度，是节水补灌机械化优良机具之一。

(5)水罐内液位可由声光水位仪监测，随时了解罐中水位情况，防止缺水或超加水，保护机泵。节能节水，是电子技术与节水补灌机组联用的良好方式之一。