基于節(jié)水控制理念的一種農(nóng)田灌溉裝置設(shè)計(jì)

師向軍

臨洮縣洮河灌區(qū)服務(wù)中心，甘肅 臨洮 730500

0 引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，但由于我國水資源分布極不均勻，近年來水資源短缺的問題越發(fā)明顯，因而不利于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展［1］?？萍紕?chuàng)新是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的根本動(dòng)力。在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系下，采用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)解決傳統(tǒng)農(nóng)田灌溉中存在的過量蒸發(fā)、滲漏等水資源浪費(fèi)問題，是提高水資源利用率、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源優(yōu)化配置的重要途徑之一。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各地需要根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，加強(qiáng)農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)的研發(fā)推廣工作，以進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)用水成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效灌溉，緩解水資源短缺問題，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求［2-3］。

現(xiàn)階段，我國農(nóng)田灌溉方式有地面灌溉、普通噴灌、微灌等［4］。地面灌溉包括畦灌、溝灌、淹灌和漫灌，但這類灌溉方式往往耗水量大、水資源利用率較低，是一類很不合理的農(nóng)業(yè)灌溉方式［5］；普通噴灌是目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較普遍的灌溉方式，該灌溉方式依然存在水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，水資源利用率不高［6］；微灌包括微噴灌、滴灌、滲灌等，該灌溉方式節(jié)水性能好，水資源利用率較地面灌溉、普通噴灌方式高［7］。

為提高水資源利用率，節(jié)約水資源，部分地區(qū)在噴灌中使用具有節(jié)水功能的農(nóng)田灌溉裝置，以達(dá)到節(jié)水的目的，但是在實(shí)際使用過程中，噴灌裝置受外界風(fēng)力的影響較大，進(jìn)而影響裝置的噴灌效果及節(jié)水效果，降低裝置的實(shí)用性［8］。此外，現(xiàn)有的具有節(jié)水功能的農(nóng)田灌溉裝置在使用過程中通常由三腳架固定在地面上，但是由于裝置整體質(zhì)量較輕，且裝置與地面的接觸面積有限，因而其在使用過程中穩(wěn)定性較低，容易因側(cè)翻而導(dǎo)致噴灌中斷，降低裝置的功能性［9-10］。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)一種節(jié)水、穩(wěn)定、高效的農(nóng)田灌溉裝置具有必要性。

1 農(nóng)田灌溉裝置設(shè)計(jì)原理

筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)田灌溉裝置主要是為了解決風(fēng)力影響造成的水資源浪費(fèi)問題和裝置與地面接觸不穩(wěn)定的問題。

為解決風(fēng)力影響造成的水資源浪費(fèi)問題，該裝置設(shè)置了風(fēng)速傳感器和電磁閥。在噴灌過程中，利用風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界的風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)便通過操作面板控制電磁閥運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)流管關(guān)閉，停止噴灌。這樣一方面可以防止因風(fēng)力過大而影響裝置的噴灌效果，另一方面可以防止因風(fēng)力過大而造成水資源浪費(fèi)，從而提高裝置的實(shí)用性。

為解決裝置與地面接觸不穩(wěn)定的問題，該裝置設(shè)置了伸縮桿和倒刺。在將裝置固定在地面的過程中，可通過調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度使倒刺插在田地土壤中，進(jìn)而利用倒刺及伸縮桿對(duì)裝置進(jìn)行輔助支撐，同時(shí)增大裝置的支撐面積，以保證裝置工作時(shí)的穩(wěn)定性及噴灌的連續(xù)性，提高裝置功能性［7］。

2 農(nóng)田灌溉裝置結(jié)構(gòu)組成

筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)田灌溉裝置結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。該裝置主要由導(dǎo)流管、緊固螺栓、電控盒、風(fēng)速傳感器、旋轉(zhuǎn)噴頭、電磁閥、滑環(huán)、連接座、支撐桿、倒刺一、操作面板、電池座、伸縮桿、倒刺二等組成。導(dǎo)流管上設(shè)置有滑環(huán)，滑環(huán)一側(cè)壁上設(shè)置有緊固螺栓，可使滑環(huán)在導(dǎo)流管上移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)支撐桿的擴(kuò)張角度；支撐桿擴(kuò)張角度調(diào)節(jié)完成后，通過緊固螺栓將滑環(huán)固定；滑環(huán)側(cè)壁上設(shè)置有連接座，連接座上設(shè)置有支撐桿，支撐桿底端固定有倒刺一（將倒刺一插在田地中，可對(duì)裝置進(jìn)行支撐）；支撐桿一側(cè)壁上設(shè)置有伸縮桿，伸縮桿底端設(shè)置有倒刺二，在支撐過程中通過調(diào)節(jié)伸縮桿的伸縮長(zhǎng)度使倒刺二也插在田地土壤中，使倒刺二及伸縮桿對(duì)裝置進(jìn)行輔助支撐，同時(shí)增大裝置的支撐面積，保證裝置工作時(shí)的穩(wěn)定性及噴灌的連續(xù)性，提高裝置的功能性。

圖1 基于節(jié)水控制的農(nóng)田灌溉裝置結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)流管上端安裝有旋轉(zhuǎn)噴頭，將外界供水管與導(dǎo)流管的底端連接即可對(duì)裝置進(jìn)行供水，水經(jīng)導(dǎo)流管及旋轉(zhuǎn)噴頭噴出對(duì)農(nóng)田進(jìn)行噴灌；導(dǎo)流管一側(cè)壁上設(shè)置有電控盒，電控盒上端安裝有風(fēng)速傳感器，電控盒內(nèi)安裝有電池座，電控盒一側(cè)壁上設(shè)置有操作面板（用于控制裝置的工作），電池座內(nèi)的電池為裝置提供所需的電能；支撐桿另一側(cè)壁上設(shè)置有電磁閥。在噴灌過程中，風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界的風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)便通過操作面板控制電磁閥運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)流管關(guān)閉，停止噴灌。

3 農(nóng)田灌溉裝置應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)田灌溉裝置具有省水、省肥和省工的優(yōu)點(diǎn)。一是該農(nóng)田灌溉裝置在灌溉時(shí)沒有輸水損失，能有效減少由于水分蒸發(fā)、地表滲漏、設(shè)備損傷等造成的水資源浪費(fèi)，和傳統(tǒng)灌溉相比，省水50%以上。二是該農(nóng)田灌溉裝置是通過外界供水管與導(dǎo)流管的底端連接進(jìn)行供水供肥，可實(shí)現(xiàn)施肥的定位定時(shí)控制，更利于發(fā)揮肥效，減少雜草滋生和水土流失造成的肥料損失，相比溝灌能省肥35%以上。三是相比于人工運(yùn)水灌溉等傳統(tǒng)灌溉方式，該農(nóng)田灌溉裝置導(dǎo)流管上端安裝有旋轉(zhuǎn)噴頭，水經(jīng)導(dǎo)流管及旋轉(zhuǎn)噴頭噴出對(duì)農(nóng)田進(jìn)行噴灌，大大節(jié)省了人力灌溉成本［11］。此外，該農(nóng)田灌溉裝置獨(dú)特的支撐設(shè)置，進(jìn)一步增加了裝置的穩(wěn)定性，可避免由于風(fēng)力過大對(duì)裝置造成損壞，進(jìn)一步降低了裝置維修成本。

4 結(jié)束語

由于我國人均耕地面積小，因此必須發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，大力推廣現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)，以提高耕地產(chǎn)出效率。近年來，我國的節(jié)水灌溉技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展階段［12］。依據(jù)第三次全國農(nóng)業(yè)普查結(jié)果，我國灌溉耕地面積占耕地總面積的45.9%，其中節(jié)水灌溉耕地面積占灌溉耕地面積的55.4%，具備噴灌、滴灌、滲灌等灌溉設(shè)施的耕地面積占灌溉耕地面積的16.2%，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.559［13］。雖然我國的節(jié)水灌溉技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用得到了快速發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家仍然有一定的差距，節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用空間依然巨大。

2023 年中央一號(hào)文件明確提出加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，重點(diǎn)補(bǔ)齊土壤改良、農(nóng)田灌排設(shè)施等短板，推進(jìn)渠道防滲、管道輸水灌溉、微噴灌等農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源利用效率［14］。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺問題的日益嚴(yán)重，大力推進(jìn)節(jié)水灌溉是有效緩解農(nóng)業(yè)和社會(huì)發(fā)展用水問題的根本途徑，是保障國家糧食安全的重要基石，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求［15-17］。而開展節(jié)水灌溉技術(shù)的研發(fā)和推廣工作是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源短缺、提高農(nóng)田水利灌溉效率、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的重要措施［18］。噴灌技術(shù)是重要的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，具有節(jié)省用水、改善農(nóng)田小氣候等重要作用，而且噴灌對(duì)灌溉地形要求低，能適應(yīng)不同環(huán)境的灌溉作業(yè)。有研究表明，噴灌可比坡面灌溉節(jié)省30%以上的水量［19］。同時(shí)，噴灌可以與施肥、噴藥等相結(jié)合，有效提升作業(yè)效率，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。但是在實(shí)際應(yīng)用中，噴灌易受到風(fēng)力影響，導(dǎo)致水資源利用效率大打折扣［20］。筆者設(shè)計(jì)的基于節(jié)水控制理念的農(nóng)田灌溉裝置能避免風(fēng)力對(duì)噴灌效果的影響，可減少水資源浪費(fèi)，提高裝置穩(wěn)定性和實(shí)用性，十分適宜在農(nóng)田灌溉中大力推廣應(yīng)用。