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中国節水灌漑設備の発展の現状・問題・趨勢・提言(その1)

2017年 1月 4日

袁 寿其:江蘇大学国家ポンプ・システム工学技術研究センター研究員

博士指導教官。流体機械と灌漑排水機械の研究に主に従事。

李 紅:江蘇大学国家ポンプ・システム工学技術研究センター

王 新坤:江蘇大学国家ポンプ・システム工学技術研究センター研究員

節水灌漑技術・設備の研究に主に従事。

概要:

 節水灌漑設備は、農業用水効率の向上や農民の増産・増収、生態環境建設などの面で重要な役割を発揮しており、水資源不足の矛盾の緩和や国家食糧安全の保障、農村経済の持続可能発展の推進などにおいて重要な戦略的位置を占めている。ここ60年近くの発展を経て、節水灌漑設備は、理論研究や技術水準などの面で急速な進歩を遂げ、国内の生産規模は中国の節水灌漑発展の必要性を基本的に満たすことができるようになっているが、自主研究開発能力は比較的弱く、製品の品質や技術性能、信頼性などの面ではさらなる向上が待たれている。基礎理論研究の強化と自主革新能力の向上、多機能・低エネルギー消費・低コスト・スマート化・精密化・グリーン化の特性を持つ節水灌漑設備の開発は、今後の発展の趨勢と言えるだろう。本稿では丘陵地区における節水灌漑総合一体技術と設備の研究を展開し、多機能・スマート化精密灌漑ユニットを開発し、低コストで高効率の灌水施肥薬共同精密灌漑の技術と設備を開発し、クリーンエネルギー節水灌漑の設備と技術を研究し、中国の節水灌漑設備産業の健全で全面的な発展を促進することを提言する。

キーワード:節水灌漑設備;現状;問題;趨勢;提言

 21世紀に入って以降、中央1号文件と中央水利政策会議は11回連続で、節水灌漑を重大戦略措置とすることを求めた。中央と地方による一連の政策措置と持続的な投入拡大を受け、中国の節水灌漑の発展はかつてないほどに加速し、「産」(産業)・「学」(大学)・「研」(研究所)におけるその水準は向上を続けている。2013年末までに、中国の高効率節水灌漑の面積は1.43×107hm2に達し、このうちスプリンクラー灌漑は3.00×106hm2、マイクロ灌漑は3.87×106hm2、低圧パイプライン給水は7.40×106hm2だった。農地の灌漑水有效利用係数は0.52に高まり、灌漑水1m3当たりの食糧生産量は1.75kgに増加し、肥料と農薬の利用率も5%~20%高まった。さらに技術統合・機械化・専門化生産経営の程度も高まり、農業の大規模化・集約化・近代化が促進された。節水産業の急速な発展が促され、企業数は激増し、節水灌漑設備・材料を生産するメーカーは全国ですでに2000社以上に達し、年間2.00×106hm2以上の節水灌漑設備・材料の生産・供給能力が形成され[1]、中国のスプリンクラー灌漑・マイクロ灌漑の発展の必要性は規模の上ではほぼ満たされるようになった。だが自主研究開発の能力は比較的弱く、技術性能や品質、信頼性、安定性などの面では、世界の先進水準とはまだ大きな差がある。

 2012年に国務院が通達した「国家農業節水綱要(2012—2020年)」は、高効率節水灌漑プロジェクトの面積を新たに1.00×107hm2以上増やし、農地の灌漑水有效利用係数を0.55以上とすることを明確に求めた。2020年までの目標と比べると、現状にはまだ大きな差がある。高効率で精密な灌漑設備は、節水灌漑の発展に必要な保障となる。国内外の節水灌漑設備の発展の現状を総括し、中国の節水灌漑設備に存在する問題と発展の趨勢を分析し、発展のための考えの道筋と案を提起することは、節水灌漑設備産業の健全で全面的な発展に寄与するものとなる。

1 発展の現状、直面する問題、発展の趨勢

1.1 スプリンクラー灌漑設備

1.1.1 スプリンクラー

1.1.1.1 国内外の発展の現状

1)国外の発展の現状

 スプリンクラーは、スプリンクラー灌漑ユニット(システム)のカギとなる部品である。1933年、米国でRainbird社が発足し、世界で最初のインパクト式スプリンクラーを製造した。これはスプリンクラー技術の発展のスタートとなった。中国国外ではこれまでに、ブランドと種類、規格ともに多くのスプリンクラーが出現している。主に次のいくつかに分けられる。ポップアップ式スプリンクラーには、ポップアップ固定式スプリンクラー、ポップアップインパクト回転式スプリンクラー、ポップアップ歯車回転式スプリンクラー、ポップアップ長距離スプレーガンが含まれる。このほか回転式スプリンクラー、センターピボット大型スプリンクラー灌漑設備圧力調節ノズルなどがある。

 (1)ポップアップ式スプリンクラーには、ポップアップ固定式スプリンクラーとポップアップ回転式スプリンクラーの2種類のタイプがある。

 a)ポップアップ固定式スプリンクラー:吹出口に、一つの吹出口ノズルが設置される。ノズルの設計には各種の異なる形式があり、どの種類のノズルも特定の散布形状に対応し、全円や半円、1/4円などがある.ノズルを交換することで、同一のスプリンクラーによって、輪廓形状の異なる土地における有效な散布が可能となり、価格は安く、操作も簡単である。現在のポップアップ固定式スプリンクラーは、設計作動圧力は0.1~0.2MPa、散水半径は1~5m、散水強度は25~65mm/h、設備の高度は5~50cmである[2]。適応性を増強し、スプリンクラーの散布効率を高めるため、仰角の調節可能なスプリンクラー灌漑ノズル、長方形または帯状の吹出口ノズル、散水強度と土壤の必要に合ったノズルなどが開発されている。

 b)ポップアップインパクト式回転スプリンクラー:弧形モデルで地面に1本または複数本の水流の灌漑を行う。噴射角度は40°~360°。設計散布エリアは往々にしてポップアップ固定式スプリンクラーの散布エリアよりも大きく、散水半径は6~50m、散水強度は2.5~40.0mm/hである。通常は銅または真鍮によって製造され、コストは、プラスチックまたは歯車式駆動回転スプリンクラーのコストよりも高く、作動の信頼性を保つためにはバネ機構の定期的なメンテナンスが必要となる。すでに成熟した段階にまで発展し、近年では、構造設計などの面での変化は非常に小さい[3]

 c)ポップアップ歯車式回転スプリンクラー:閉鎖型構造設計を取り、駆動機構に対するダストやほかの夾雑物の影響の防止がはかられている。灌漑装置ごとに、さまざまな異なるサイズ・型番の一連のノズルを選択し、各種の散布地形のサイズや散水強度のニーズを満たすことができる。散水半径は6~20m、噴射角度は40°~360°、作動圧力は0.15~0.45MPa、散水強度は5~20mm/hである。コストが低く、稼働が静かで、汎用性が高いなどの長所がある。

 d)ポップアップ式大型スプレーガン:散水半径は35mに達する。噴射角度は40°~360°、作動圧力は0.3~0.6MPa,流量は20m3/h前後である。

 (2)回転式スプリンクラー。回転式スプリンクラーは、主にインパクト式スプリンクラーとローテーターからなり、主に、手動パイプラインスプリンクラー、車両移動パイプラインスプリンクラー、固定パイプラインスプリンクラーがある。手動パイプラインスプリンクラーと車両移動パイプラインスプリンクラーの入り口サイズ一般は0.01905~0.03175m、設置間隔は10~15m、作動圧力は0.25~0.40MPa、流量は0.52~2.00m3/hである。固定パイプラインスプリンクラーには、小射程マイクロスプリンクラー(射程1m)と大射程スプレーガン(射程40m)が含まれる。

 第二次世界大戦後、先進国では労働力不足が深刻化し、インパクト式回転スプリンクラーは幅広く応用されるようになり、近代農業の灌漑技術の急速な普及と発展を促進した。欧米では、各スプリンクラー灌漑技術と設備の開発が急速な発展を遂げ、Rainbird社やWeathermatic社、イスラエルのElgo社(旧LEGO社)、オーストリアBauer社などを代表とする企業が、数千種にのぼるインパクト式スプリンクラーを生産し、農業や庭園、体育場・体育館などに幅広く応用され、スプリンクラー灌漑技術の発展と応用が促進された。1960年代中後期には、走行式スプリンクラー灌漑装置の普及に伴い、垂直インパクト式スプリンクラーが出現した。典型的な製品としては、米国Nelson社のBIGGUNシリーズやRainbird社のRAIN GUNシリーズなどがある。同時に、インパクト式スプリンクラーの導流装置にも新型構造が出現し、可動式の楔形構造が固定ブレードを代替し、上下に動くアームもフレーム構造に代えられ、スプリンクラーの正逆回転速度はほぼ同等となり、安定した駆動が実現された[4]

 (3)センターピボット大型スプリンクラー灌漑装置圧力調節ノズル。1970年代末以降、センターピボット大型スプリンクラー灌漑装置の使用は急速な成長を実現した。センターピボット大型スプリンクラー灌漑装置は、労働力の需要が低く、用水効率が高く、すでに自動化運用が実現され、スプリンクラー灌漑システムとして高い評価を受け、米国の南東部での応用が進んでいる。センターピボット大型スプリンクラー灌漑装置のノズルは主に、圧力コントローラーとノズルベース、吹出口ノズル、スプレーディスクなどからなり、作動圧力が小さく、エネルギー消費も少ない。ノズルは垂直にフレキシブルホースの末端に設置され、吹出口の水流の位置は作物のキャノピーに近く、ドリフトと蒸発による損失が低減されたが、ノズル散布の直径が小さく、散水強度は比較的高い。

 1990年代以後、米国Nelson社とイタリアKomet社はそれぞれ、水動バルブとスプリンクラーヘッドが一体化した散布角度をリモートコントロールできる長距離の新型スプリンクラーを打ち出した。米国のRainbird社とToro社、Hunter社が打ち出した地中回転式・非回転式スプリンクラーは、型番が多く、さまざまなシリーズがそろい、適用範囲が広い。スプリンクラーの仰角やノズルのサイズ・形状、メイン・サブノズルの位置の組み合わせ、流路の長短などを調節することによって散布性能を変えることができる。異なるアーム形式と異なる仰角、異なるターゲットに合わせた多機能スプリンクラーが相次いで開発され、防風や多機能利用、低圧作動などの際立った特長を備えた製品が出現した[5]

2)中国国内の発展の現状

 中国のスプリンクラーの研究の歩みは主に、次の4つの段階に分けられる[6-7]

 第1段階:1950—70年代は、科学研究と試験的な試みの段階だった。1954年にはソ連からウォームギヤスプリンクラーが導入され、スプリンクラー灌漑技術を応用した野菜の灌漑が開始された。だがこのスプリンクラーは信頼性が比較的低く、回転の密封性とリバーシング機構に特に多くの問題が見られた。多くの研究機関や大学、工場は緊密に協力し、スプリンクラーの大量の研究を行い、「紅雨型」「陝噴型」「華北50型」「浙噴型」「竜江型」「武噴型」(ウォームギヤ伝動)「工農型」など性能の高いスプリンクラーが生産された。この段階においては、総体的に見て、発展の規模が小さく、設備の品種が少なかった。だが早期の試験・研究は、中国のスプリンクラー技術の発展推進に積極的な役割を果たした。

 第2段階:1970年代中期から80年代中期は、技術発展と設備開発の波が高まった段階だった。当時は、鎮江農業機械学院(現江蘇大学)と中国農業機械化科学研究院、山西省農業機械化科学研究所、吉林省農業機械研究所が担当機関となり、「全国インパクト式スプリンクラーシリーズ連合設計チーム」が設立された。連合設計チームは、全国14省・直轄市の21機構から構成された。1年間の努力を経て、「PY120」「PY130」「PY140」「PY150」「PY160」「PY180」などのシリーズのスプリンクラーが開発された。水利部は、オーストリアBauer社から先進スプリンクラーの生産ラインを導入し、スプリンクラー「ZY-1」と「ZY-2」を生産した。その後、中国の多くの節水灌漑設備メーカーが次々と、「ZY-1」と「ZY-2」の模倣と一部改良を行った。リバーシング機構の増加やスプリンクラー仰角の改良などが挙げられる。鎮江農業機械学院と中国農業機械化科学研究院、新昌スプリンクラー灌漑装置工場、金壇スプリンクラー灌漑装置工場は、「PY110」「PY115」「PY110sh」「PY115sh」「PY120sh」などの多くの種類の低散水強度のスプリンクラーの開発を行い、第1世代PS連続回転式と第2世代PSBZ型水流自動制御ステッピングフルジェット(全射流)スプリンクラーを開発し、流体原理とコアンダ効果に基づいた流体部品の設計によって散布を行い、スプリンクラーの回転運動を制御するとの考え方を打ち出した。この構造においては、アームやアームバネなどの10数個の駆動部品が不要となった。

 第3段階:1980年代中期から90年代中期は、停滞と低迷の段階だった。この段階においては、生産責任制が全面的に実行され、スプリンクラー灌漑プロジェクトがこうした体制の必要性に適応できなくなったことから、国家の経費投入は大幅に減少し、スプリンクラーの設備と技術の発展は大きなダメージを受けた。

 第4段階:90年代中期から現在までは、回復と安定発展の段階と言える。水資源の不足がますます深刻化する中、国家は、新型省エネスプリンクラーに対する資金投入を拡大し、新型構造のフルジェットスプリンクラーの理論と設計、インパクト式スプリンクラーの局部構造と技術を重点とした研究を進めた。この間、江蘇大学は、先行研究を土台として、フルジェットスプリンクラーに対して構造面の重大な改良を行い、PXH型間隙制御式フルジェットスプリンクラーを設計開発し、「連続運転ジェットスプリンクラー」「外取水ジェットスプリンクラー」「三段式ジェットスプリンクラー」「二次コアンダジェットスプリンクラー」の4種の新型構造・新作動原理のジェットスプリンクラーを打ち出し、水力性能に対する重要構造パラメーターの影響法則を総括し、フルジェットスプリンクラーの設計に理論的基礎を提供した。

 これまでに国内で応用されているポップアップ式スプリンクラーとセンターピボット大型スプリンクラー灌漑装置圧力調節ノズルは、国外から購入した成熟した製品が中心であり、自前で研究開発した製品は比較的少ない。国産回転式スプリンクラーで比較的多く使用されているものとしては、金属インパクト式スプリンクラーの「PY1」と「PY2」のシリーズ、垂直インパクト式スプリンクラー「PYC」、プラスチックインパクト式スプリンクラーの「PYS」シリーズ、国外から生産ラインを導入して生産された金属インパクト式スプリンクラー「ZY」シリーズが挙げられる。国内のスプリンクラー設備も、いくつかのキー技術の面で一定のブレークスルーを実現し、製品価格も安く、中国の国情に適しているが、国外と比較すると、総体的な水準はまだ低い。

1.1.1.2 存在する問題

 (1)スプリンクラーの基礎理論の研究が十分に深まっておらず、系統性を欠いている。スプリンクラー内部の流路の流動理論、スプリンクラー回転駆動装置の幾何学パラメーターとスプリンクラー自由ジェットの間のエネルギー転換特性、インパクト式スプリンクラーの構造と衝撃動力学、フルジェットスプリンクラーのコアンダ動力学などはさらに研究を深める必要がある。

 (2)スプリンクラーの作動圧力が高く、エネルギー消費が大きい。

 (3)スプリンクラー散布が十分に均等でなく、用水効率が低い。

 (4)スプリンクラーヘッド、モーター、ポンプ、パイプラインなどの設備が十分に合理的でなく、スプリンクラー灌漑装置の効率の低さにつながり、システムの損壊を容易に生んでいる。

 (5)スプリンクラーの自動化やスマート化の程度が低く、大量の労働力の浪費を生んでいる。

 (6)スプリンクラーの新材料と新工法の研究応用が比較的弱い。国内のスプリンクラーは依然として一般の鋳鉄や炭素鋼などの材料を使っており、耐腐食性能が確保されていない。

 (7)研究機関と企業の間の技術交流が不足しており、産学研(産業・大学・研究所)の結合が十分に緊密でなく、研究成果の転化速度が遅く、転化効率が低い。

1.1.1.3 発展の趨勢

 (1)多機能や省エネ、低圧、総合利用などが、スプリンクラーの発展の趨勢となっている。

 (2)中国の国情に合った自前の知的財産権を持つ新型のスプリンクラー灌漑設備の開発は、国外製品の独占局面の転換や建設費用の引き下げ、国内産業の発展の促進に重要な意義を持っている。

 (3)省エネ・低圧・多用途のスプリンクラーの開発。これには扇形回転スプリンクラーヘッド、特殊ノズルスプリンクラー、耐風スプリンクラー、スプリンクラー灌漑多孔管、ウインチ式スプリンクラー灌漑装置と組み合わせるダブルアームノズル、大型スプリンクラー灌漑装置と組み合わせる低圧ミストスプリンクラー、環境保護・緑化用の昇降式スプリンクラーなどが含まれる。

その2へつづく)

参考文献

[1] 李国英. 中国節水灌漑状况新聞発布会[EB/OL]. (2014-09-29)[2014-11-30]. http://www.china.com.cn/zhibo/2014-09/29/content_33626156.htm?show=t.

[2] Burillo G S, Delirhasannia R, Playán E. Initial drop velocity in a fixed spray plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2013, 139(7) :521-531.

[3] Dadhich S M, Singh R P, Mahar P S. Saving time in sprinkler irrigation application through cyclic operation: A theoretical approach[J]. Irrigation and Drainage, 2012, 61(5) :631-635.

[4] Nelson Irrigation Corp.3000 series pivot products[EB/ OL]. (2014-11-28) [2014-11-30]. http: / / www. nelsonirrigation. com/products/.

[5] 金宏智, 李光永. 国外節水灌漑技術與設備的発展趨勢———美国第24 届国際灌漑展覧会観感[J]. 節水灌漑, 2004(3) :46-48. Jin Hongzhi, Li Guangyong. Development trend of technology and equipment of water saving irrigation in foreign USA: Twenty-fourth international irrigation exhibition[J]. Water Saving Irrigation, 2004(3) :46-48. (in Chinese)

[6] 厳海軍, 劉竹青, 王福星, 等. 我国揺臂式噴頭的研究與発展[J]. 中国農業大学学報, 2007, 12(1) :77-80. Yan Haijun, Liu Zhuqing, Wang Fuxing, et al. Research and development of impact sprinklers in China[J]. Journal of China Agricultural University, 2007, 12 (1) :77-80. (in Chinese)

[7] 朱興業. 全射流噴頭理論及精確噴灌関鍵技術研究[D]. 鎮江: 江蘇大学流体機械工程技術研究中心, 2009.

 ※本稿は袁寿其; 李紅; 王新坤「中国節水潅漑装備発展現状、問題、趨勢与建議」(『排潅機械工程学報』第33巻第1期,2015年1月、pp.78-92)を『排潅機械工程学報』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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