針對(duì)國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀，研究了一種高效太陽能全自動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備，它運(yùn)用太陽能、納米材料和電液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，在太陽能面板上涂覆一層能夠自清潔的納米涂層以提高對(duì)太陽能的利用率。該設(shè)備以太陽能為動(dòng)力，不需市電和布埋線實(shí)現(xiàn)微功耗的水閥開啟和關(guān)閉，并能自動(dòng)感應(yīng)土壤的干濕，根據(jù)植物的需要進(jìn)行全自動(dòng)節(jié)水灌溉。
關(guān) 鍵 詞 節(jié)水; 灌溉; 設(shè)備; 技術(shù)

我國(guó)人多地少，水資源相對(duì)緊缺，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)工業(yè)和生活用水量不斷增加，農(nóng)業(yè)可用水量逐漸減少。目前由于人口的迅速增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，供水緊缺，水質(zhì)污染，人與水爭(zhēng)地，亂墾濫伐，破壞生態(tài)環(huán)境，水資源的可持續(xù)利用出現(xiàn)了新的問題和矛盾。進(jìn)入新世紀(jì)，我國(guó)在節(jié)水節(jié)能等方面的研究刻不容緩。隨著人們對(duì)水資源新的認(rèn)識(shí)，開始逐漸在思想和觀念上也有了新的轉(zhuǎn)變：從人類向大自然無節(jié)制的索取轉(zhuǎn)變?yōu)槿伺c自然的和諧共處，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展；從認(rèn)為水是取之不盡、用之不竭的轉(zhuǎn)變?yōu)檎J(rèn)識(shí)到淡水資源是有限的。國(guó)家科技部明確把節(jié)水技術(shù)和節(jié)水設(shè)備作為2002年度的國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目來扶持。當(dāng)今全球面臨著缺水，中國(guó)屬缺水農(nóng)業(yè)大國(guó)[1]，每年因干旱缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失為350億美元。除我國(guó)西部地區(qū)嚴(yán)重缺水外，目前北京等大城市也用水短缺，水價(jià)不斷上漲。為更好地保護(hù)地球環(huán)境和水源，國(guó)家在新世紀(jì)拿出200億元資金鼓勵(lì)投入開發(fā)節(jié)水節(jié)能等高科產(chǎn)品項(xiàng)目。因此，人們必須重視采取節(jié)水灌溉新的措施，以支持我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。
由于各種原因，我國(guó)在節(jié)水灌溉方面的研究還不多，與世界先進(jìn)國(guó)家相比還有較大距離。目前廣東省農(nóng)村的農(nóng)田灌溉很多由人工進(jìn)行，使用水泵等設(shè)備進(jìn)行排灌和噴灌。在作物的溫室栽培中，還是采用無控制的滴灌。本文針對(duì)我國(guó)的國(guó)情，研究高效、先進(jìn)和低成本的節(jié)水灌溉器。
1 問題的提出
近幾年，我國(guó)加快了節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，各地結(jié)合實(shí)際，因地制宜地總結(jié)和推廣了十種節(jié)水技術(shù)[1, 2]：
1) 渠道防滲技術(shù)。采用渠道防滲技術(shù)后，可使渠系水的利用系數(shù)提高到0.75～0.85。
2) 管道輸水技術(shù)。管道輸水具有節(jié)水、輸水迅速、省地、增產(chǎn)和有利于搶季節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
3) 畦灌、溝灌技術(shù)。畦灌是耕地經(jīng)平整后，利用畦埂將田塊劃分成小塊進(jìn)行灌溉；溝灌是耕地經(jīng)平整后，以一定距離開成一道道輸水溝，灌溉水通過水溝進(jìn)行灌溉。
4) 噴灌技術(shù)。噴灌可使水的利用率達(dá)80%，是人們所熟悉的的灌溉技術(shù)。
5) 微灌技術(shù)。微灌將水和肥料澆在作物的根部，它比噴灌更省水、省肥。
6) 水稻控制灌溉技術(shù)。根據(jù)水稻不同生育期對(duì)水分的不同需求進(jìn)行灌溉，即改變以往水稻大水漫灌、串灌的舊習(xí)慣，而采取“薄、淺、濕、曬”的方式進(jìn)行灌溉。
7) 集雨節(jié)灌技術(shù)。主要是西北地區(qū)群眾將當(dāng)?shù)亟鉀Q人畜飲水的集雨技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)結(jié)合起來，通過修建集雨場(chǎng)，將雨水集中到小水窖、小水池等小、微型水利工程，再利用滴灌、膜下滴灌等高效節(jié)水技術(shù)進(jìn)行灌溉。
8) “坐水種”技術(shù)。在一些干旱缺水尤其是東北地區(qū)，春播時(shí)常因春旱出不了苗或出苗不齊，為保全苗，采用機(jī)械或用水箱、水袋拉水，在播種時(shí)進(jìn)行點(diǎn)灌，俗稱“坐水種”。
9) 抗旱保水技術(shù)?？购当Ｋ夹g(shù)主要包括在農(nóng)田推廣使用國(guó)產(chǎn)的抗旱劑、保水劑，通過地膜和秸桿覆蓋等農(nóng)藝措施增加土壤對(duì)天然降雨的蓄集能力和保水能力。
10) 管理節(jié)水技術(shù)。通過提高灌溉管理水平，采用科學(xué)的灌溉方式，達(dá)到節(jié)水目的。
在十大節(jié)水灌溉技術(shù)中，從工程角度看，主要存在的問題是節(jié)水灌溉自動(dòng)化程度不高。
國(guó)外的節(jié)水灌溉方法主要有三種形式：噴灌、微灌(滴灌、微噴灌、小管出流灌和滲灌)、行走式節(jié)水灌溉。在這些灌溉方法中，大都需人工來開關(guān)水閥，或者通過定時(shí)方法來控制[3, 4]，前者易于造成澆水不及時(shí)而旱壞植物，澆水過多造成水資源的大量浪費(fèi)(如采用中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N99222685的“旋轉(zhuǎn)噴頭”進(jìn)行澆灌)；后者則不管陰天或下雨照樣澆水，控制方法不科學(xué)。對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物，國(guó)外采用了微機(jī)控制的溫室種作方法，包括送水、送肥、溫度控制、干濕控制，雖然自動(dòng)化程度較高，但設(shè)備成本昂貴，且需要提供大量的電力，一般只是用于經(jīng)濟(jì)作物，特別是溫室作物的無土種植。我國(guó)目前使用這些耗電大、成本高和需用市電的設(shè)備不實(shí)用，如國(guó)外研制的自動(dòng)澆灌控制設(shè)備就是因?yàn)樾枋须姾吐癫季€而難以在我國(guó)推廣，那么如何無需市電和埋布線，利用太陽作為動(dòng)力解決節(jié)水灌溉的問題，就構(gòu)成了本文的問題的提出。

2 新型太陽能全自動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備的研制
為了節(jié)水灌溉，開發(fā)了一種專利產(chǎn)品——高效太陽能全自動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備[5,6]，其示意圖如圖1所示。它主要運(yùn)用太陽能、納米材料和電液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，在太陽能面板上涂覆一層能夠自清潔的納米涂層以提高對(duì)太陽能的利用率，在不需市電和布埋線的條件下，實(shí)現(xiàn)微功耗的水閥開啟和關(guān)閉，并能自動(dòng)感應(yīng)土壤的干濕根據(jù)植物的需要進(jìn)行全自動(dòng)節(jié)水灌溉。使用時(shí)需把兩個(gè)干濕探測(cè)電極插入深度適當(dāng)?shù)耐寥乐校M(jìn)水端口接上水源，出水端口用水管連接噴頭、滴水器等澆灌器具 ，就可以在土壤干燥缺水時(shí)自動(dòng)打開水源進(jìn)行澆灌，在土壤達(dá)到設(shè)定的濕度時(shí)自動(dòng)切斷水源停止?jié)补啵_(dá)到了對(duì)植物進(jìn)行全自動(dòng)控制澆灌。 太陽能面板進(jìn)水干濕探測(cè)極出水圖1 高效太陽能全自動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備示意圖盒體
該設(shè)備有以下特點(diǎn)：1) 是一種集光、機(jī)、電一體化和太陽能高效利用及納米材料技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)交叉的新型產(chǎn)品；2) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)在同類產(chǎn)品基礎(chǔ)上，作了如下改進(jìn)：(1) 運(yùn)用了太陽能技術(shù)，無需市電供給和布埋電線，因而用戶使用方便安全；(2) 設(shè)計(jì)的電磁閥是一種微耗功率的器件，較同類產(chǎn)品耗能低，節(jié)能型產(chǎn)品，符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的要求；(3) 傳感部分采用了模糊控制技術(shù)，不會(huì)堵塞和腐蝕，所探測(cè)的范圍和面積比同類產(chǎn)品的要大，傳感部分性能可靠；3) 結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低，設(shè)備投資小，并具有防盜和保護(hù)功能。
經(jīng)過近2年的試驗(yàn)，表明該設(shè)備完全滿足使用的要求，沒有發(fā)生一次“誤動(dòng)作”和失靈現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了利用太陽作為動(dòng)力的全自動(dòng)節(jié)水灌溉，既節(jié)省了勞力，又克服了定時(shí)澆灌的盲目性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的全自動(dòng)節(jié)水節(jié)電灌溉和安全使用的目的。根據(jù)目前北京、天津、上海、廣州、香港等缺水大都市和正在開發(fā)的西部地區(qū)的需求，同時(shí)可考慮開發(fā)適用于家庭的小型自動(dòng)澆灌器系列產(chǎn)品。因此，該產(chǎn)品可普遍用于對(duì)所有植物實(shí)施節(jié)水節(jié)能自動(dòng)化澆灌，因此預(yù)計(jì)該產(chǎn)品存在極大的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。
3 結(jié) 論
綜上所述，運(yùn)用太陽能、納米材料和電液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，在太陽能面板上涂覆一層能夠自清潔的納米涂層以提高對(duì)太陽能的利用率，通過以太陽能為動(dòng)力，這種新型太陽能全自動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備在不需市電和布埋線的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)微功耗的水閥開啟和關(guān)閉，并能自動(dòng)感應(yīng)土壤的干濕根據(jù)植物的需要進(jìn)行全自動(dòng)節(jié)水灌溉。