寧夏引黃灌區(qū)調(diào)蓄水池水質(zhì)凈化效果研究

顧靖超，劉學(xué)軍，陸立國，朱 潔，武慧芳

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

寧夏引黃灌區(qū)具有兩千多年的灌溉歷史。近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，對水資源的需求逐年增加，受水資源剛性約束的限制，壓縮農(nóng)業(yè)用水成為解決水資源短缺的主要手段。隨著農(nóng)業(yè)灌溉水資源的減少，采用常規(guī)的地面灌溉方式，灌溉用水量大，無法滿足灌溉對水資源的需求，采用高效的節(jié)水灌溉方式，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，直接引用高含沙黃河水微灌，灌水器極易被泥沙等懸移質(zhì)堵塞，造成滴灌系統(tǒng)無法運(yùn)行[1]。因此，微灌用黃河含沙水凈化處理技術(shù)，成為寧夏高效節(jié)水灌溉必須解決的技術(shù)難題。

1 黃河寧夏段泥沙特性研究

(1)黃河水泥沙含量監(jiān)測。黃河因泥沙含量高而聞名于世，泥沙來源集中在中游黃土高原。根據(jù)寧夏相關(guān)部門近年監(jiān)測結(jié)果：黃河水寧夏段多年平均泥沙含量為2.19 kg/m3，最大5.31 kg/m3，最小0.06 kg/m3，其中6-8月份泥沙含量較大，平均在3.82 kg/m3，其他時間平均在1.14 kg/m3。

黃河泥沙來自流域不同的地層，泥沙的礦物質(zhì)特性為長石、云母、石英、黏土礦物高齡石等，泥沙的粒徑不均勻，黃河寧夏段泥沙顆粒級配化驗(yàn)分析結(jié)果見表1。

(2)黃河水泥沙化學(xué)成分。寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)渠道泥沙化學(xué)成分中，主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3三種化合物為主[2]，具有較強(qiáng)的吸附作用，易附著于輸水管道與灌水器內(nèi)壁，引起灌水器堵塞?；瘜W(xué)成分化驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 黃河水泥沙粒級配特性

表2 黃河水中泥沙物理化學(xué)性質(zhì)表

2 寧夏灌區(qū)滴灌系統(tǒng)黃河水凈化處理技術(shù)研究

近年來，隨著高效節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，黃河水微灌得到了較大發(fā)展。寧夏引揚(yáng)黃灌區(qū)依托灌區(qū)內(nèi)干、支渠道作為供水工程，建成了13.3 萬hm2高效節(jié)水灌溉工程。為了滿足微灌對水量、水質(zhì)的要求，建設(shè)了不同規(guī)模的調(diào)蓄池和首部組合過濾、水質(zhì)凈化工程。水質(zhì)凈化多采用分級處理、串聯(lián)凈化模式，即采用工程措施與過濾設(shè)備相結(jié)合的處理模式來滿足微灌對水質(zhì)的要求[3,4]。高效節(jié)水灌溉對進(jìn)入灌水器的固體顆粒物含量應(yīng)該低于30 mg/L，最大不超過50 mg/L[5]。灌區(qū)建成的最具代表性的黃河水凈化處理模式為：渠道→預(yù)沉池→調(diào)蓄池→泵站前池→加壓泵站→首部砂石+疊片過濾器或篩網(wǎng)+疊片過濾器→輸水管網(wǎng)→配水管網(wǎng)→灌水器。

2.1 蓄水池泥沙處理凈化效果

為了研究不同規(guī)模調(diào)蓄水工程泥沙沉淀效果，對寧夏引揚(yáng)灌區(qū)內(nèi)5 萬m3以下、5～10 萬m3、10～20 萬m3、20 萬m3以上的大、中、小型50多個調(diào)蓄水工程進(jìn)行調(diào)查，對輸水渠道、調(diào)蓄池泥沙含量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 不同規(guī)模調(diào)蓄水工程黃河水沉淀凈化處理效果

不同規(guī)模蓄水池的泥沙去除率隨著蓄水池容積的增大，泥沙去除率、懸浮物去除率提高，但提高幅度不顯著。蓄水池規(guī)模從5 萬m3增加到20 萬m3，泥沙的去除率從78.63%提高到86.46%，懸浮物的去除率從73.3%提高到81.94%。總體上蓄水池對泥沙、懸浮物的去除率達(dá)到80%以上。從泥沙顆粒級配分析結(jié)果判斷，大于0.01 mm的泥沙顆?；救コ?。調(diào)蓄水工程沉淀凈化效果較明顯，隨著調(diào)蓄水工程庫容的增大，泥沙和懸浮物的去除率增加。

根據(jù)大量的蓄水池水質(zhì)檢測資料，渠道進(jìn)入蓄水池的泥沙、懸浮物含量越高，蓄水池對泥沙、懸浮物去除率越高。不論蓄水池的大小，黃河水進(jìn)入蓄水池1 d以上，蓄水池的泥沙含量均小于100 mg/L、懸浮物含量小于30 mg/L。

由于寧夏所建的蓄水工程主要對夏秋灌水間歇期的余水進(jìn)行時空調(diào)蓄，調(diào)節(jié)灌溉需水的時空分布，兼具沉淀、凈化水質(zhì)作用，調(diào)蓄水工程大多是先蓄后灌，即調(diào)蓄池蓄滿水后相隔一段時間再灌溉。對于邊蓄邊灌的調(diào)蓄池，特別是進(jìn)水泥沙含量較高時，經(jīng)調(diào)蓄池沉淀后泥沙含量都在100 mg/L以上，懸浮物含量也較大，不能滿足微灌對水質(zhì)要求的規(guī)定，須進(jìn)一步凈化處理；而對于停蓄1～3 d的調(diào)蓄池，經(jīng)調(diào)蓄沉淀后泥沙含量在100 mg/L以下，懸浮物也較蓄水狀態(tài)下的低，但對于滴灌等微灌系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)的長期正常運(yùn)行，還需進(jìn)一步凈化。因此，無論邊蓄邊灌還是停蓄的調(diào)蓄池，需在首部增加過濾設(shè)施進(jìn)一步凈化處理。

2.2 組合過濾器水質(zhì)凈化效果

選擇典型微灌工程，對黃河水泥沙凈化處理效果進(jìn)行監(jiān)測、研究。

(1)寧夏志輝實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司葡萄滴灌工程。寧夏志輝實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司葡萄種植基灌溉面積133 hm2，灌溉用水從西干渠揚(yáng)水至調(diào)蓄水池，建設(shè)調(diào)蓄水池15 萬m3。首部過濾系統(tǒng)采用砂石+疊片組合過濾器，含自動反沖洗裝置。灌水器選用內(nèi)徑為16 mm的內(nèi)鑲式滴灌管，壁厚1 mm、滴頭間距為0.5 m、單個滴頭流量為4 L/h。示范區(qū)黃河水凈化處理模式為：渠道引水→調(diào)蓄池→首部組合過濾→輸配水管網(wǎng)→灌水器。

在滴管系統(tǒng)運(yùn)行時，分別對渠道、蓄水池、過濾系統(tǒng)后水樣取樣化驗(yàn)檢測，調(diào)蓄水工程和過濾系統(tǒng)泥沙處理監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4可知：黃河水經(jīng)過調(diào)蓄池沉淀1～4 d后，泥沙沉降率達(dá)90%以上，除沙效果較明顯，但泥沙含量仍在100 mg/L以上，再經(jīng)過首部濾系統(tǒng)過濾處理、過濾系統(tǒng)泥沙去除率僅占原水的5%以上，泥沙含量降低到50 mg/L左右，滿足了滴灌對水質(zhì)的要求。經(jīng)調(diào)蓄工程和過濾系統(tǒng)沉淀過濾后，進(jìn)入管網(wǎng)的泥沙含量僅占渠道水的2%左右，除沙效果十分明顯。示范區(qū)灌水器采用內(nèi)徑為16 mm的壓力補(bǔ)償?shù)喂喙?，滴頭流量4 L/h，在1年灌水12次后，通過對滴頭出水情況進(jìn)行隨機(jī)抽檢，均能正常灌水，沒有出現(xiàn)滴頭堵塞現(xiàn)象。

表4 志輝葡萄種植基地葡萄滴灌工程水質(zhì)凈化處理效果監(jiān)測 mg/L

(2)寧夏玉泉營農(nóng)場葡萄滴工程。玉泉營葡萄滴灌面積53.33 hm2，建成5 萬m3蓄水池1座，水質(zhì)凈化處理模式為：渠道引水→200 m沉沙渠→5 萬m3調(diào)蓄池→首部砂石+疊片過濾樞紐→輸水管網(wǎng)→灌水器。滴頭間距為50 cm，滴頭流量為3.7 L/h，毛管布設(shè)最大長度120 m。2015年對試驗(yàn)區(qū)黃河水凈化處理效果進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測，結(jié)果見表5。

表5 玉泉營試驗(yàn)區(qū)黃河水凈化(濁度)處理效果監(jiān)測 NTU

在邊蓄邊灌狀態(tài)下，渠道水平均濁度466 NTU，經(jīng)200 m沉沙渠后，濁度變?yōu)?66.3 NTU，固體顆粒物降低到原渠道的57%、減少43%；到蓄水池水泵進(jìn)口，濁度降低到54.4 NTU，固體顆粒物降低到原渠道的11.67%、減少88%；經(jīng)過砂石、疊片過濾器處理，濁度降低到49 NTU，固體顆粒物降低到原渠道的10.5%、減少89.5%；到毛管滴頭出水，濁度降低到46.6 NTU，固體顆粒物降低到原渠道的10%、減少90%。在邊蓄邊灌、含沙量較高時，砂石、疊片過濾器起到凈化水質(zhì)、預(yù)防滴灌灌水器堵塞的作用。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，渠道泥沙主要是通過沉沙、蓄水池沉淀，去除率接近90%。

在渠道水進(jìn)入調(diào)蓄池一定時段(1～10 d)沉淀后，進(jìn)入蓄水池的泥沙沉降較多，濁度從699.7 NTU降低到水泵進(jìn)水口出的19.0 NTU，固體顆粒物降低到原渠道的2.7%、減少97%；經(jīng)過砂石、疊片過濾器處理，濁度降低到18.9 NTU，固體顆粒物降低到原渠道的2.7%、減少97.3%，此時過濾器已經(jīng)起不到凈化水質(zhì)的作用。當(dāng)泥沙含量低于一定水平、濁度低于50 NTU左右，疊片、砂石過濾器凈化水質(zhì)的效果不顯著。

3 結(jié) 論

黃河水凈化處理技術(shù)是寧夏引揚(yáng)黃灌區(qū) 高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，灌溉水中泥沙含量降低到30～50mg/L以下，才能保證高效節(jié)水灌溉工程的正常運(yùn)行。寧夏引揚(yáng)黃灌區(qū)微灌工程配套建設(shè)的沉淀、調(diào)蓄水池對泥沙的去除率可達(dá)到80%以上，可保證將大于0.01mm的泥沙去除。黃河水進(jìn)入調(diào)蓄水池靜置1d以上，泥沙含量均小于100mg/L，泥沙去除率在90%以上。配套首部組合過濾系統(tǒng)，采用砂石+疊片過濾器或篩網(wǎng)+疊片過濾器，泥沙去除率達(dá)到95%以上，泥沙含量降低到50mg/L以下，能夠滿足微灌對水質(zhì)的要求。推薦黃河水微灌水質(zhì)凈化處理模式：渠道→預(yù)沉池→調(diào)蓄池→泵站前池→加壓泵站→首部砂石+疊片過濾器或篩網(wǎng)+疊片過濾器→輸水管網(wǎng)→配水管網(wǎng)→灌水器。

[1] 范興科,馬孝義.滴灌帶抗堵性能與臨界含沙水流研究[D]. 北京：中國科學(xué)研究生院，2010.

[2] 鮑子云，仝炳偉，徐利崗.設(shè)施農(nóng)業(yè)滴灌用黃河水安全凈化處理技術(shù)試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2011,(3):1-5.

[3] 李葆權(quán).黃河高揚(yáng)程提水灌區(qū)滴灌系統(tǒng)水質(zhì)凈化處理研究[J].節(jié)水灌溉,2014,(9).27-29.

[4] 杜慧慧.烏海市引黃滴灌水凈化模式及凈化系統(tǒng)水質(zhì)變化規(guī)律研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[5] 李寶珠,王從新.渠水滴灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與沉淀技術(shù)的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,(1).88-90.