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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2)

2017年 1月 6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。

その1よりつづき)

1.1.2 大型スプリンクラー灌漑装置

1.1.2.1 発展の現状

 国外のスプリンクラー灌漑設備は基本的に、時計針式(センターピボット)や平行移動式などの大型スプリンクラー灌漑装置、リール式中小型スプリンクラー灌漑装置を中心とし、軽量・小型スプリンクラー灌漑装置を補助としている。大・中型スプリンクラー灌漑装置は主に、大農地の作物を灌漑対象とし、軽量・小型スプリンクラー灌漑装置と固定/半固定スプリンクラー灌漑ユニットは小規模農地やスプリンクラーマイクロ灌漑などを対象とする。

1)国外の発展の現状

 1950年代初め、米国人が円形スプリンクラー灌漑装置を発明した。初期は、液圧駆動と水力駆動が中心で、1965年になって電力駆動円形スプリンクラー灌漑装置が出現した。1970年代にはさらに、平行移動式スプリンクラー灌漑装置が出現し、矩形農地の灌漑が実現された。円形スプリンクラー灌漑装置と平行移動式スプリンクラー灌漑装置は自動化の程度が高く、灌漑のクオリティーが高く、装置1台の制御面積が大きく、人が多く土地の少ない地区の農業生産に非常に適している。国外には、円形・平行移動式スプリンクラー灌漑装置を生産するメーカーが多く、米国には現在、主要な大型スプリンクラー灌漑装置的生産メーカーとしては、Valmont社、Lindsay社、Reinke社、T-L社、Pierce社の5社が挙げられる。その他の国ではオーストリアのBauer社、フランスのIrrifrance社、イタリアのIrriland社などがある[8]

 1970年代には、エネルギー不足の深刻化に伴い、中低圧のインパクト式スプリンクラー灌漑が採用され、入力圧力はいくらか下がった。1980年代後期には、吊り下げ式低圧スプリンクラーが出現し、作動圧力は一段と低くなった。1990年代にはさらに、可変精密灌漑技術が出現し、専門化の決定システムまたは使用者の経験に従って入力した基本パラメーターに基づき、灌漑システムの構造パラメーターと性能パラメーターを改変または自動変化させ、リアルタイムの精密な灌漑という目的を達成することができるようになった。

 可変散布には現在、主に次のいくつかの方式がある。複数のスプリンクラーを少しずつ調節し、散布域内における可変散布を実現する。合理的なスプリンクラー灌漑装置の稼動・停止周期を設置し、大型スプリンクラー灌漑装置の可変散布を実現する[9]。電磁バルブを利用してスプリンクラーの流量を制御し、大型スプリンクラー灌漑装置の可変散布を実現する[10]。DGPS信号または無線伝送によって獲得した地理情報に基づき、PLC自動制御平行移動式スプリンクラー灌漑装置による移動を採用し、大型スプリンクラー灌漑装置の精密灌漑を実現する[11]。マイクロコンピューターを通じてステッピングモーターの稼動を制御し、ノズルの調節棒の位置を改変し、スプリンクラーの流量の調節を実現し、大型スプリンクラー灌漑装置の精密灌漑を実現する[12]

2)国内の発展現状

 中国の大型スプリンクラー灌漑装置は主に、「スタート段階」(1976—1978年)、「導入・キー部品技術攻略段階」(1979—1986年)、「改良と発展、穏やかな普及の段階」(1987—1997年)、「技術革新・産業化段階」(1998—現在)の4つの段階を経て[13]、黒竜江や吉林、内蒙古、遼寧、甘粛、河北、河南などの地区で主に応用されている。2009年まで、大型スプリンクラー灌漑装置の市場の需要は比較的小さかった。2010年から急速な成長の傾向を示し、とりわけ2012年に東北4省区の食糧増産行動が始まると、かつてない発展のチャンスを迎えた。推計によると、2013年10月までに、全国の大型スプリンクラー灌漑装置の保有量は1.6×104台前後に達した。灌漑面積は4.87×105hm2に達し、全国のスプリンクラー灌漑面積の10%前後を占めた。中国で大型スプリンクラー灌漑装置の生産と経営活動に従事する企業は30社余りで、代表的な企業としては、「現代農装科技股分有限公司」「滄州華雨灌漑設備有限公司」「寧波維蒙聖菲農業機械有限公司」「大連銀帆農業噴灌機製造有限公司」「沃達尓(天津)有限公司」などが挙げられる。中国国外ブランドと中国国産設備は共存し、シェアはほぼ同等である。国外ブランドは品質が高く、性能に優れるが、価格は高い。国内設備は価格が比較的低い。モデルエリアのプロジェクトでは国外ブランドが多く用いられ、一般プロジェクトでは国産設備が多く用いられている。「三北」(西北、華北、東北)の防風林帯の規格の制限を受け、装置の型の多くが短く小さいもので、国内販売されている大型スプリンクラーの灌漑装置は多くが280~300m級のものである。

1.1.2.2 存在する問題

1)大型スプリンクラー灌漑設備に存在する問題

(1)製品の質の問題。国内の大型スプリンクラー灌漑装置企業の技術力、生産能力、加工設備、工法レベルはまちまちで、市場に出回る灌漑排水設備と関連製品のブランドは種類が雑多で、品質がそろっておらず、製品の稼動の信頼性とアフターサービスの有効な保証ができていない。

(2)大型スプリンクラー灌漑装置のキー部品は主に輸入に頼っている。灌水施肥一体化技術は、大型スプリンクラー灌漑装置の発展の趨勢と言える。だが中国の大型スプリンクラー灌漑装置の施肥技術と専用施肥装置は依然として、研究と開発準備の段階にあり、施肥システムの統合性は低く、品種は少なく、品質は不安定で、スプリンクラー灌漑装置による施肥の不均等や肥料の利用率の低さといった問題を持っている。中国では徐々に、低圧減衰スプリンクラーの応用により、非回転屈折式スプリンクラーの代替が進んでいる。米国Nelson社が生産した「R3000」と「A3000」のシリーズは、低圧減衰回転スプリンクラーの代表的な製品である。

2)大型スプリンクラー灌漑装置の応用過程における問題

(1)ユニットパラメーターの選択が不適当で、ポンプの出力が大きすぎる。設計において、対象エリアの土壤や作物、気象などの灌漑基本データが欠けており、作物の灌漑制度や水源の給水量に従ったポンプの流量の確定がなされておらず、さらに一部の設計プランではポンプの管路系統図や関連灌漑基本データがなく、ポンプの揚程を正確に確定することができなくなり、節水灌漑プロジェクト全体の失敗を引き起こす。

(2)設備全体の流量が大きく、地下水の超過汲水を生みやすい。乾燥・水不足の地区では、地下水源は豊富ではない。大型スプリンクラー灌漑装置全体の流量が大きいため、給水能力が高い必要があり、その設計方法は往々にして、複数の水源を用い、複数のポンプを稼働させるものとなっている。地下水を大量に組み上げれば、乾燥年の連続によって一部の地区では地下水の汲水超過が引き起こされ、生態に大きなダメージをもたらすこととなる。

(3)使用者の専門知識が欠けており、科学的な運用の難度が高い。伝統的な灌漑の理念は根強く、節水灌漑の関連知識が不足し、灌漑制度も欠けている。多くの使用者は、大型スプリンクラー灌漑装置の灌水限度が小さいと考えており、一部の地方では、スプリンクラー灌漑装置を自ら改造する現象も生まれ、用水輸送の主要パイプへのスプリンクラーの増設によって灌水量が増加され、スプリンクラー灌漑装置の散布性能に深刻な影響を与えている。

(4)設備メンテナンスの技術力が弱く、基層のサービス体系がまた形成されていない。大型スプリンクラー灌漑装置の設備故障のメンテナンスは多くが、メーカーによる解决に頼っているが、メーカーのメンテナンスのレスポンス時間が長く、保証期限後の技術サービス費用が高く、設備の故障や農期に間に合わないなどの問題が幅広く存在している。

1.1.2.3 発展の趨勢

 大型スプリンクラー灌漑装置は現在、高効率化、コストの引き下げ、低圧散布、エネルギー消費の引き下げ、可変技術、精密灌漑、総合利用、多用途、スマート技術、簡単制御、特殊機種、シリーズ化された総合設備、新材料や新工法の採用、スマート化、高信頼性、自動化に向かって着実に発展している。

1.1.3 中型スプリンクラー灌漑装置

1.1.3.1 国内外の発展の現状

1)国外の発展の現状

 中型リール式スプリンクラー灌漑装置は、欧州で50年余りの発展の歴史を持ち、すでに各種用途のシリーズ化された機種があり、機動性が高い、メンテンナスが簡単である、使用寿命が長いなどの特長を備えている。欧州のメーカーは、機動性の高いリール式中小型スプリンクラー灌漑装置が中心である。中国市場で大きな影響を持っているのは、イタリアやフランス、オーストリアなどの国のメーカーである。中国国外の大中型スプリンクラー灌漑設備の平均寿命は15年前後に達し、スマート化の程度が高く、さまざまな作物の水需要量に応じた精密な灌漑がほぼ実現されている。

2)国内の発展の現状

 中型リール式スプリンクラー灌漑装置は1990年代に中国に導入された。当時、小規模な生産能力が形成され、「50」と「75」の2機種が中心となったが、その後、10年余り停滞した。中国の水資源不足の深刻化と農業灌漑の節水ニーズの増加に伴い、2010年前後に生産が再開され、年生産量は数百台から2013年までに1万台近くに増え、中国の北方と中原地区で主に応用されている。だがその機種は依然として国外の1980、90年代の製品であり、数十年にわたって大きな改良はなく、装置全体の寿命は中国国外の機種を大きく下回り、装置のエネルギー消費は国外機種よりも10%前後高く、スマート化灌漑機能は基本的に備わっていない。国内で販売量が比較的多い企業は主に江蘇に集中している。

1.1.3.2 存在する問題

 国内の中型リール式スプリンクラー灌漑装置には主に、水力タービンと伝動機構の効率が低い、機械制御が正確さを欠くためにスプリンクラー灌漑の質が低い、スマート化の程度が低いなどの問題がある。

1.1.3.3 発展の趨勢

 スマート化は、中型リール式スプリンクラー灌漑装置の発展の趨勢である。現代の情報化技術を通じて灌漑技術と灌漑設備を高度に融合させ、さまざまな地区・土壤・作物・気象条件に応じた精密灌漑を実現する必要がある。

1.1.4 軽量・小型スプリンクラー灌漑装置

1.1.4.1 国内外の発展の現状

 軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニットは、11kW以下のガソリンエンジンやディーゼルエンジン、モーターを装備したスプリンクラー灌漑ユニットで、主に、手提げ式や手持ち式、手押し車式、小型トラクター吊り下げ式、小型ウインチ式スプリンクラー灌漑装置などが含まれる[14-15]。中国の地理・経済などの特性から、軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニットは、中国の代表的な散水ユニットの一つとなり、中国の農村の発展の必要性にも適し、農家の評判も高い。軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニットには以下の特長がある。①軽量で動かしやすく、灌漑面積は大小を問わず、水源が小さく分散した丘陵山間部や小型農地に適している。②一度の投資が少なく、操作が簡単で、保管やメンテナンスも便利である。③労働力を節約し、土壌を保持し、生産量を高めることができる。④適用性が高く、乾燥地区に適している。2009年と2010年、2011年には、安徽省や河南省など6省の春季の乾燥対処においてカギとなる役割を果たした。

軽量・小型スプリンクラー灌漑装置には主に4種の形式がある。

(1)単一ヘッド軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニット。一般的に、「PY40」または「PY50」のスプリンクラーが選ばれる。特質:システムの圧力が高く、スプリンクラーの射程が遠く、単一のスプリンクラーによる制御面積が大きい。散布の均等性はやや劣り、相対的なエネルギー消費が高い。単位面積当たりの投資を最も抑えることができる。操作が簡単で、移動も便利である。扇形に散布するため、農地においてスプリンクラーフレームの後方への移動を保つことができる。この機種は1970、80年代に多く使用され、現在は年々減少している。

(2)複数ヘッド軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニット。一般的に、「PY20sh」「PY15sh」「ZY-2」「ZY-1」などのスプリンクラーが選ばれる。シングルヘッドのスプリンクラーによる灌漑では、一度のサイクルで支管を7回から10回移動させる必要があり、連結部をすべてはずし、さらに数十mの距離を移動してつなぎ直す必要がある。スプリンクラー灌漑後の地面は泥地となり、搬送は困難で、仕事量と労働強度は大きくなる。特質:散布が均等で、良好なミスト化が可能で、投資も節約できるが、搬送が困難である。この機種は20世紀によく用いられ、近年は減少している。

(3)手持ちスプレーガン式(またはノースプレーガン)軽量・小型スプリンクラー灌漑装置。スプリンクラーのスプレーガンを直接手で持ち、ミスト化の指標は不要で、パイプラインの圧力は低く、パイプラインの末端を直接握って灌漑を行うものもある。特質:投資を節約でき、後方に移動しながら灌漑ができ、移動も便利だが、散水の均等性が低い。この機種は最も幅広く使用されている。

(4)フレキシブルホース固定(半固定)複数ヘッド軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニット。フレキシブルホース複数ヘッド軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニットは、パイプライン式スプリンクラー灌漑の一種である。散水作業区のパイプラインは固定され、取り外し可能なクイックコネクターで連接され、灌漑季が終わった後は回収して倉庫に保管することができる。装備動力は一般的に11~22kWのディーゼルエンジンで、制御可能なスプリンクラー灌漑面積は16.67~20.00hm2に達する。この機種は実際には、伝統的な「一」字形または「丰」字形の灌漑配置形式の大型ネットワーク状配置形式への拡張と言える。固定式と移動式のスプリンクラー灌漑システムの長所が結合され、均等な散布ができ、輪番灌漑作業が可能で、労働強度が低減され、同時に投資も引き下げられ、操作も簡単で便利であり、市場の見通しは明るい。

軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニットは長年の発展を経て、多くの種類の応用モデルが発展し、さまざまな使用状況や投資水準、労働力状況に適応することができる。設備の水力性能が高く、とりわけ農業用スプリンクラー灌漑自吸ポンプはすでに、国外の同類製品の水準に追いつき、さらにそれを超えている。だが製品の構造が大きすぎ、稼動の信頼性や使用寿命、外観などでも国外の製品とは大きな差がある。

1.1.4.2 存在する問題

 国内製品は構造が大きすぎ、移動における労働強度が高く、信頼性や使用寿命、外観などでも国外製品に及ばない。動力機の性能や騒音、機械の密封性、軸受けの信頼性、燃費、排ガス指標などでも先進国の水準に及ばず、水力性能や加工工法、外観構造などの面でも大きな改良の余地がある。

1.1.4.3 発展の趨勢

 軽量・小型灌漑ユニット応用のける弱点、移動の困難や高い労働強度などの問題に対しては、ユニットの携帯性と機械化移動技術の研究を展開する。これにはアルミ合金ダイカスト工法を採用したスプリンクラー灌漑ポンプの重量の軽減、便利で実用的なクイックコネクト構造などの発明・生産、移動を機械化した軽量・小型スプリンクラー灌漑ユニットの開発などが挙げられる。

その3へつづく)

参考文献

[8] 厳海軍. 基于変量技術的円形和平移式噴灌機水量分布特性的研究[D]. 北京:中国農業大学水利與土木工程学院, 2004.

[9] Fraisse C W, Heerman D F, Duke H R. Simulation of variable water application with linear-move irrigation systems[J]. Transactions of the ASAE, 1995, 38 (5) :1371-1376.

[10] Dukes M D, Perry C. Uniformity testing of variable-rate center pivot irrigation control systems[J]. Precision Agriculture, 2006, 7(3) :205-218.

[11] Kim Y, Evans R G, Iversen W M. Evaluation of closedloop site-specific irrigation with wireless sensor network[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2009, 135(1) :25-31.

[12] Armindo R A, Botrel T A, Garzella T C. Flow rate sprinkler development for site-specific irrigation[J]. Irrigation Science, 2011, 29(3) :233-240.

[13] 郎景波, 李瑩, 李鉄男. 国内外大型噴灌機生産的発展歴程和現状[J]. 節水灌漑, 2011(9) :42-43,46. Lang Jingbo, Li Ying, Li Tienan. Development process and status of domestic and foreign large-scale sprinkler irrigation system production[J]. Water Saving Irrigation, 2011(9) :42-43, 46. (in Chinese)

[14] 潘中永, 劉建瑞, 施衛東, 等. 軽小型移動式噴灌機組現状及其與国外的差距[J]. 排灌機械, 2003, 21(1): 25-28. Pan Zhongyong, Liu Jianrui, Shi Weidong, et al. Status of light weight and small size movable sprinkler irrigation set and its gap with advanced countries[J]. Drainage and Irrigation Machinery, 2003, 21 (1) :25-28. (in Chinese)

[15] 朱興業, 蔡彬, 塗琴. 軽小型噴灌機組逐級阻力損失水力計算[J]. 排灌機械工程学報, 2011, 29(2) :180-184. Zhu Xingye, Cai Bin, Tu Qin. Head loss hydraulic calculation step by step for light and small sprinkler irrigation system[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2011, 29(2) :180-184. (in Chinese)

 ※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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