滴灌带生产线技术的发展概况

  微灌技术是在20世纪50年代出现、70年代兴起的一种全新的灌溉技术,根据作物需要适时向作物的根区灌溉,从而实现节水、节肥、增产、增效的综合效益。 这种灌溉方式既符合节水灌溉发展的趋势,又符合我国发展现代农业、生态农业、效益农业的大方向。 我国微灌面积的分布区域主要集中在西北、华北等缺水严重的地方,尤其在新疆地区以棉花膜下滴灌为主的滴灌技术,每年新增面积已达到6.7万 hm2以上。 而在南方水资源相对充沛的地区,以提高作物产量和改善品质为目标的地表滴灌和微喷灌技术,年新增面积也已达到1. 3万 hm2左右。 据不完全统计,截止2007年底,我国微灌面积已达近67 万 hm2 ,成为世界上大田应用微灌技术面积最大的国家[ 1, 2] 。

灌水器(滴头、滴灌管/带)是微灌系统的核心部件之一。

我国自从1974年接受由墨西哥政府赠送的滴灌器材和1993 年引进以色列耐特菲姆滴灌器材生产线以来,经历了引进、消化吸收、仿制及自行研制的发展历程。 目前全国已有上百家企业、公司、科研院所和大专院校研制开发和生产经营微灌设备产品,加之国外微灌企业采取代理营销、合资制造的微灌设备产品,形成了以国产微灌产品为主、外资微灌产品为辅的市场格局[3]。

滴灌带由于其可铺设长度较长且生产成本较低,在我国尤

其是西部地区得到了广泛的应用。 但目前国内的滴灌带生产线大多是引进国外,或在国外生产线基础上消化吸收制造的, 如何开发适合具有自主知识产权的滴灌带生产线,在进一步提高滴灌带产品质量的前提下降低成本, 有必要对国内

在滴灌系统中滴灌带的使用量很大。例如,按1 m间距铺设则1 hm2需要约9 000多 m长的滴灌带。因此,滴灌带的制造成本很大程度上制约着整个滴灌系统的投资和运行费用。滴灌带是20世纪80年代中后期出现的一种滴灌产品, 一般为厚0.2~ 0. 6 mm的扁平空心塑料带,充水时胀满管形,泄水时为带状,运输时可卷在滚筒上,方便在田地布置。 滴灌带主要以热封、挤出或复合工艺进行成形加工。

1.1   热压成形滴灌带

热压成形滴灌带以美国生产的产品居多,它由薄膜热封或

粘贴成管,在内外膜相叠处或两内膜侧向相叠进行热封。 由压花所成的迷宫状流道分别与膜的两面相接触,流道的进口与内管相通,出水口与外界相通。 早期的流道设计是用粘结剂将细单丝钓鱼线粘接在相叠处形成的,这就必须能够准确控制流道的位置及尺寸,使得滴灌带的流量尽量一致,此外相叠处的表面静电也容易导致重叠边缘在流道的空隙位置粘在一起而堵塞流道,影响滴灌带的正常工作。 罗伯特[4]在1986年提出一种在塑料膜一边预先形成沟槽以加工流道的方法(如图1( a)所示) ,有效地解决了流道变形和静电力的问题。 20世纪80年代末出现的边缝式滴灌带(如图1( b)所示) ,原理上也属于热压成形的滴灌带,它具有紊流流态压力补偿特性,进出水口和流道可一次真空整体热压成形,多个进水口能有效地预防堵塞,可使用于温室大棚及大田作物。 热压成形滴灌带的流道总长度较长,截面积大,虽然制造成本较低,但流道稳定性较差，做出水均匀性较差, 目前在国外市场已基本被淘汰。

图1  热压成形滴灌带

1. 2   内镶挤出成形滴灌带

内镶挤出成形滴灌带,也称内镶式滴灌带,它是由带微型

迷宫流道的片状注塑滴头通过挤压嵌合在薄膜管带的 内壁而成形的滴灌带[5]。 这种滴灌带的滴头与毛管制成一体,具有流道长度短、截面积小的特点,滴头内流场的紊流特征明显,流态指数大多在 0. 5左右,流量均匀度较好,但对水质要求也高。

以色列耐特菲姆(Netafim)公司在1989年至1994年推出了 Typhoon, Tiran, Streamline等一系列内镶式滴灌带产品[6] (如图2(a) 所示),以色列普拉斯托( PLAST RO)和南安( Naan dan)公司也生产了多种具有各自特色的产品推向国际市场(如图2(b)、2(c)所示)。

图2  内镶式滴灌带

1.3   内镶贴条式滴灌带

内镶式滴灌带抗堵塞性能强,使用寿命长,但滴头的筛选

和送入粘接系统工艺复杂, 造成生产成本较高; 而边缝式滴灌带成形工艺简单,制造成本较低,但水利综合性能较差。 20世纪90年代,一种结合了内镶平滴头和边缝式滴灌带优点的连续内镶贴条式滴灌带出现了(如图3(a)、(b)、(c)所示)。贴条式滴灌带为无接缝成形,一般不会产生撕裂损伤,流道入口处过滤孔多,抗堵塞性能很好。 内贴条虽然也需要单独制造高精度模具,但连续贴条方式较内镶滴头要简单。 目前美国托罗( Toro)公司、澳大利亚 T- TAPE公司等均有类似产品投放市场。

图3  贴条式滴灌带

2  滴灌带生产线关键技术

2.1   真空吸塑

目前边缝式滴灌带主要加工方法是: 通过挤出机挤出薄壁

塑料管,将挤出的薄壁管压扁,在冷却以前再通过成形轮将薄壁塑料管压合成迷宫流道形式,同时利用真空吸塑方式吸出迷宫流道。边缝式滴灌带生产的关键在于迷宫流道的真空吸塑成形。

一般使用的成形装置是一个滚压成形轮(如图4所示) ,成形轮上设置有迷宫流道成形沟槽,沟槽上均布联通抽真空通道的抽真空小孔,真空通道与真空泵连接。

图4  真空吸塑成形轮

这种加工方法的优点是滴灌带可连续加工成形, 缺点之一

是滴灌带的成形设备要求精度很高,设备造价高使得滴灌带的生产成本难以下降; 缺点之二是薄壁塑料管通过挤出机挤出, 滴灌带的壁厚和直径难以调控,滴灌带经常会出现直径和壁厚尺寸偏差过大的缺陷,当滴灌带壁厚小于 0. 2 mm时,很难生产出合格的产品;缺点之三是真空吸塑迷宫流道会造成迷宫流道的局部拉伸变形后变薄,强度下降导致破裂漏水。

2.2   内镶灌水器高速筛选

内镶式滴灌带产品中滴头需另外制造, 在薄膜管拉伸成形

时将滴头内嵌在管壁上,整个生产过程需要滴头注塑机、薄膜高效挤出机、滴头筛选系统、滴头送入粘接系统、激光打孔机、收卷机等系列成套设备,加工精度高。

滴头筛选及定向输送装置是内镶式滴灌带生产流程中 的

关键技术之一[11] , 该装置结构设计往往较为复杂, 通常由一个或两个离心式选片器输送轨道以及定量输送装置和插入导杆等部分组成。 其工作原理为:首先由装有内外两个转盘的离心式筛选器中心的离心盘高速旋转,通过旋转产生的离心力会将筛选器内杂乱无序的滴头送入环行轨道, 并设置多个剔除排列位置不正确的滴头的装置。 滴头在筛选器内沿环形轨道运行的过程中,首先要经过机械挡板来剔除竖立的滴头,同时利用一定角度的气嘴识别平放的滴

图5  滴头筛选装置示意图

如图6( a) 所示,滴头在进入环行轨道时会出现如下4种

有代表性的位置,由于滴头的宽度约为10 mm,而高度只有不足5 mm,机械挡板正是利用其不同位置的几何尺寸偏差,阻止3、4两种位置的滴头通过,从而经过第一道筛选后的滴头就会呈现1和2两种位置;在筛选器圆周上固定有两个角度倾斜的压缩空气气嘴,如图6( b) 所示,利用滴头正反面外形尺寸的不同,处于正常位置的滴头会顺利通过,而背面向上的滴头则会被压缩空气吹下轨道,进行下一次循环;该结构不能适应截面几何尺寸不同的滴头。

筛选和输送装置最终会将流道向上、纵向紧密排列的灌水

器送入输送轨道,在灌水器进入输送导杆之前, 要通过一个可调速的履带,对其输送速度进行控制, 通过灌水器输送速度与

图6  滴头筛选原理

滴灌带牵引的线速度差来使灌水器之间产生间距, 同时,调整该装置的速度变化实现间距的变化。

2. 3   高速内贴条一体式成形

薄膜由挤出机拉管工艺形成, 同时将条状带水道贴条复合

在薄膜带内,贴条上的花纹在复合后仍具有多个入水口和迷宫状水道,此后,在薄膜外由激光切割形成出水口。

内镶贴条式滴灌带生产线(如图7所示)的关键技术在于

滴头贴片与薄膜管贴合的复合工艺[ 12] 。 在制作滴灌带时必须实现贴片与薄膜管自动粘接的过程,选择定径方式时可采用内定径方式,即在内定径棒一侧开有一槽,此槽由深变浅,其宽度恰好与贴片宽度相等,在生产过程中,贴片由此槽进入,到达最浅处正好与软管粘合, 从而可实现滴头贴片与软管的自动粘接。 另外,滴头贴片的制作可采用压制成形法, 即采用三辊装置进行压制。 对于滴头载体的设计要求精度较高, 因为滴头雕刻在滴头载体上的深浅变化直接影响着滴灌带流量的变化,雕刻过深,滴灌带流量变大,过浅会使得滴灌带流量变小。

1-贴条挤出机; 2、3-成形轮;4-成形的贴条; 5-薄膜管挤出机; 6 -贴条复合深度控制器; 7、8-恒温器;9-薄膜管; 10-牵引机; 11 -激光器; 12-图像识别器; 13-收卷系统; 14-控制系统

图7  贴条式滴灌带生产线示意图

3  我国滴灌带生产线现状

经过多年的努力,我国滴灌带生产线已由20世纪80年代

末引进国外的数条发展到现在自主生产的数百条。

我国最早引进和生产内镶式滴灌带的企业是北京绿源塑

料有限责任公司。 自 1995年北京绿源从瑞士线缆公司引进技术先进、生产效率高的内镶式滴灌生产线之后,成都源田、秦川节水、新疆天业、甘肃腾龙等也相继引进了瑞士线缆公司同类滴灌带生产线技术的发展概况     刘   洁  魏青松  芦   刚  等

滴灌带生产线。 目前国内有该类生产线共8条,生产线速度100 m/min以上,主要以生产管径16 mm,壁厚 0.2 mm的滴灌带为主,用于新疆大田棉花滴灌等工程,是这些年来滴灌工程中采用量较大的产品。 此外,新疆屯河节水科技有限公司从意大利引进3条生产线,新疆昌恒 NETAFIM公司和甘肃瑞盛亚美特公司也安装了多条以色列进口的类似生产线,生产内镶薄壁滴灌带产品。 国内河北廊坊维克滴灌设备有限公司等厂家近年已经研制成功内镶扁平滴头式滴灌管生产线, 并投入使用。 河北廊坊盛大、甘肃酒泉大禹、新疆兵团农六师、吉林白山喜丰等陆续装备了20多条国产线[13]。 由于内镶的形式决定了要先制造高精度模具注塑出滴头,再二次粘接成形, 以及昂贵的进口生产线,使得生产成本较高。 国内研制出的内镶薄壁滴灌带生产线生产的产品, 在技术性能方面仍有待提高, 主要表现在灌水均匀度差,质量不稳定等方面。

边缝式滴灌带最早是美国雨鸟( Rain Bird)公司在我国市

场上推出的。 山东省莱芜塑料制品股份公司、新疆天业塑料股份公司先后从德国引进了 U N IK OR边缝式滴灌带生产线,该生产线集拉管与灌水器流道一次成形。 其中新疆天业在引进的基础上,已仿制出200条该类型生产线,形成年产15亿 m薄壁滴灌带的生产能力,成为新疆大田棉花膜下滴灌工程滴灌带的主要供应商[14]。 边缝式滴灌带产品由于制造成本低,基本上满足了大田作物滴灌一次投入低且一年就更新的要求,在新疆已有大面积使用。 但产品使用中出现灌水均匀度不够,抗堵塞性能差,滴灌带破裂及管件联接处漏水等问题,与国外进口的同类产品在质量上尚有一定差距。

连续内镶贴条式滴灌带集中了内镶式和边缝式滴灌带的

优点,在抗堵塞、流量均匀性等方面具有综合性能好的特点, 近些年也在国内打开了销路。 保定华宇灌溉技术有限公司制造的内镶贴条式滴灌带生产线,制造成本低于国外同类设备。 陕西和平科技实业有限公司也研制出了贴条式滴灌带生产线样机。

4  我国对滴灌带生产线的技术改进

由于边缝式滴灌带生产成本低,使用的一次性投入较低且

易于回收再利用,因此非常适合于目前国内大田作物的灌溉现状。 国内对于该种生产线也提出了很多种改进方案, 以提高现有生产线生产的滴灌带的强度和质量等问题。

李建国提出了双层迷宫式滴灌带的制作方法[15] ,滴灌带

空腔的周圈壁设置外层和内层,外层可采用回收的塑料原料制作,内层采用新塑料原料制作,外层厚度大于内层的厚度。 可彻底解决边缝式滴灌带易发生爆带的现象, 使滴灌带产品有较好的产品质量,且在保证质量的前提下,成本大幅降低。 山东莱芜精诚塑料机械有限公司已利用该zhuanli制作出质量较好的双层滴灌带产品。

李光永发明的迷宫流道成形装置[ 16]是由上下加热模板构

成的,经过成形装置真空吸塑, 分段热封压合,加工出镜像对称的两组迷宫流道。 此发明使得滴灌带壁厚可低于 0. 1 mm,降低了滴灌带的重量和生产成本。

张喜英发明的双凸迷宫滴灌带的成形装置[ 17] ,其滴灌带的迷宫流道在热压边双面凸起。 将滴灌带单面真空吸塑迷宫流道改为双面吸塑,同时将迷宫流道的截面形状由矩形改为圆形或椭圆形,将迷宫流道拉伸出的截面边长降低一半左右,可大幅度降低滴灌带的壁厚和提高迷宫流道的抗压强度,提高滴灌带的均匀度,使滴灌带的质量更容易控制。

崔建伟发明了一种印制迷宫流道的滴灌带生产方法[ 18] ,

其迷宫流道是印刷在塑料薄膜上的阻热层, 再经热压滚轮压合形成滴灌带产品。 这种方法可以简化滴灌带生产工艺和设备, 降低滴灌带壁厚和重量, 同时解决了薄壁滴灌带上迷宫流道的强度问题。

这些发明能否真正在国内边缝式滴灌带生产厂家中实现

产业化尚不可知。

5  未来滴灌带生产线技术的发展方向

边缝式滴灌带由于铺设长度较长且生产成本低而得到大面积推广应用,尤其在新疆等地结合地膜栽培技术, 为干旱地区发展高效节水灌溉技术开辟了一条新路。 此类滴灌带预计今后还会保持较大的市场需求量, 但产品质量必须得到提高, 否则将会受到其它类型滴灌带的冲击和替代。 尤其随着我国国民经济的发展,产品质量已逐渐成为用户选择的重要标准。

内镶滴头式滴灌带和内镶贴片式滴灌带, 虽然其中的滴头

和贴片都需要制造专用的模具进行注塑生产,成本不可能降到比边缝式滴灌带的成本更低,但这两种滴灌带的迷宫流道制造精度高,出水均匀性好,性能上仍具有很大优势。 特别是美国托罗的蓝色双轨、澳大利亚 T- TAPE 等贴条式滴灌带,重量只有现在边缝式滴灌带的60% ,这种滴灌带应该是将来最具潜力的滴灌产品。

参考文献:

[1]   王留运,岳  兵,张顺尧,等.对我国节水灌溉设备研发与生产经

营的建议[ J] . 中国农村水利水电, 2004, ( 3) : 88- 89.

[2]   康跃虎.加快微灌技术推广应用和健康发展的对策和建议.第七

次全国微灌大会,北京, 2007.

[3]   王留运,姚宛艳,韩  栋,等.我国微灌企业与设备产品存在的问

题与解决措施. 第七次全国微灌大会,北京, 2007.

[4]    詹姆斯    塞得雷克    罗伯特. 滴灌带[P].  中国zhuanli, CN

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[ 5]   Buluschek,Bruno. M ethodfor manufacturing drip irrigation tubes

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[6]   http: //www. netafim. com/products.

[ 7]   http: //www. plastro. com.

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[9]   http://www.t- tape. com/.

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[ 11]   赵兴义,仲新文,王建国. 论进口内镶片状迷宫式滴灌带生产技

术及产品质量控制. 第七次全国微灌大会,北京, 2007.

[ 12]   牛文全. 微压滴灌技术理论与系统研究[D] . 西安杨凌:西北农

林科技大学农业水土工程专业, 2006.

[ 13]   马学良,王   虎. 我国主要微灌产品现状浅析[ EB/OL] . ht

tp://ncsl. mwr. gov. cn/html/1222072398040. html, 2006 05

17.                                                               

太原市山丘区雨水利用浅析师幸生再配以节水灌溉技术, 既可为山丘区的旱地提供灌溉水源, 又可减轻山丘区洪涝灾害,实为一项除害兴利的好事。

4  山丘区雨水利用途径

太原市山丘区雨水资源开发利用,近年来得到较大发展,

其主要开发利用途径有:利用庭院、场院、屋顶等集蓄雨水;利用坡地、道路等集蓄雨水;平整土地,修筑梯田、沟道等小型截流工程拦蓄雨水。 通过以上这些雨水利用途径,使雨水资源化和持续开发利用得以广泛实现[3] 。

( 1)利用庭院、场院和屋顶集蓄雨水。 太原市山丘区农村

大部分村民的居住特点是独院居住式, 即以一家一户一座庭院者居多,庭院面积大都在 0. 01~ 0. 02 hm2,甚至更大,这为集蓄雨水提供了便利条件。 通过庭院、屋顶、场院的硬化面将降雨收集起来,贮蓄于水窖等蓄水工程中,发展庭院经济。 如:种植蔬菜、经济作物等,可解决一家一户的蔬菜供应等问题,余者还可上市出售。 这为提高山丘区群众的生活水平, 增加山丘区群众的收入,改善山丘区的生态环境创造了有利条件。 实践证明这是使山丘区群众脱贫致富奔小康的一条有效途径。

(2)利用坡地、道路集蓄雨水。 在山丘区乡村道路、田间道

路比较多,还有不少弃耕地、荒地等都是集蓄雨水的好场所。这些集雨面的面积较大,汇集的雨水也就比较多。 这就为山丘区发展大面积经济作物提供了较可靠的水源,再配以像滴灌、微喷、膜上灌溉等节水灌溉技术, 就可在这些地区发展大棚蔬菜、林果树、药材种植等。 是使山丘区旱作农田摆脱靠天吃饭局面,增加旱作区农业单位面积产出的好办法。

( 3)修筑梯田、沟道等小型截流工程拦蓄雨水。 太原市山

丘区地形复杂,沟壑多、土层薄、保水保肥能力差, 降雨产生的径流很快下泻,冲刷土壤,雨后又容易干旱,农作物产量低而不稳。 因此,发展雨养农业,就成为这些地区解决干旱问题的重要课题。 采取工程措施,修筑高标准梯田,是雨水就地利用、解决旱作农田干旱问题的一项有效措施。 或通过在沟道修建小型截流蓄水工程,一方面可拦蓄沟道的降雨或径流,另一方面可控制区域水土流失,是一举两得的好形式。 这些措施可有效拦截降雨,增加雨水的就地入渗量, 或通过提引灌溉缓解旱情, 对旱作农业进行有限灌溉,提高旱作农田的产量。 再配以旱作农业技术,如采用沟畦种植技术、抗旱种子,增施有机肥料,地膜覆盖等,不仅能增加农业产量,又能防止水土流失,还可减少泥沙造成的危害。

例如:太原市清徐县白石沟,其流域以砂页岩和砂岩为主,

山高坡陡,水土流失严重、生态环境差。 从 80年代开始, 以建造空心坝等集流设施为基础,除解决4 000余人的饮水外,还灌溉农田约200 hm2 ,并且结合流域治理、生态环境建设、旅游业开发,在山顶栽种松树, 山坡种植葡萄、苹果、花椒、杏等果树。

[14]   许  平.我国微灌技术和设备现状及市场前景分析[J].节水灌

溉, 2002, ( 1) : 33- 36.

[ 15]   李建国. 一种制造迷宫式滴灌带的设备及其双层迷宫式滴灌带

[P]. 中国zhuanli,CN101108540A,200801 23.

[ 16]   李光永,张  昕,赵明芳,等. 一种薄壁滴灌带、其加工方法及其已取得显著成效[4]。

5  山丘区集雨工程形式及存在的问题

( 1)贮水工程容积及集雨面大小。 雨水集蓄利用工程规模

一般视集雨面积、降雨量及灌溉面积来确定。 太原市集雨水窖容积一般为30~ 50 m3,水窑容积可达100~ 200 m3。按照太原市降雨量资料, 150~ 200m2的集雨面可满足30~ 50 m3水窖的集蓄水量;水窑的集雨面可达500~ 1 000 m2。在天然集雨面达不到需要的大小时,需修建人工集雨面。

( 2)贮水工程、集雨面的结构形式。 水窖的结构形式一般

以圆形居多,也可采用矩形;水窑由于蓄水量大,一般采用拱形顶结构。 建筑材料可因地制宜采用红黏土、砖、石、混凝土等, 并在贮水体内用红黏土或水泥砂浆做成防渗面。 集雨面可采用天然表土夯实、碎石面夯实、混凝土面层等。

( 3)沉淀、过滤及防冻。 雨水集蓄工程通过集雨面收集雨

水,由于集雨面处于暴露状态, 降雨时其表面的尘土、杂物如不采取措施,很容易随雨水进入贮水体中。 因此,在雨水进入贮水体之前,需经沉淀、过滤, 一方面可净化进入贮水体中的雨水;另一方面可滤掉随雨水流动的杂物,使流入贮水体中的雨水水质保持优质状态。 贮存的雨水当年用不完时,要越冬以备翌年使用,因此,贮水体应设在地面80~ 120 cm以下,以防贮水体内水体结冰及贮水体受到冻害[5] 。

(4)山丘区集雨工程存在的问题。 太原市雨水利用存在的

主要问题有:   工程系统性差、缺乏科学规划设计;   对沉沙、过滤设施重视不够,造成贮水体淤积及杂物较多;   投资与管理力度不够;   集流场形式单一等。

太原市在山丘区雨水利用方面已经做了不少工作,为山丘区群众解决用水难问题做出了一定成绩, 更为山丘区旱作农业摆脱靠天吃饭局面探索出了一条可行的路子,也为山丘区群众脱贫致富找到了有效途径。 希望各级政府继续加大对这项工作的支持力度,使太原市山丘区雨水利用工作能够蓬勃发展, 成为造福山丘区群众的亮点项目。