引黃灌區(qū)黃河水滴灌關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

史吉?jiǎng)?李 瑋,張瑞喜,馬 鑫,于 健,屈忠義,陸圣女

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010052；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.呼和浩特市科兆豐水業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，同時(shí)也是自治區(qū)重要的能源化工基地。引黃灌區(qū)中呼和浩特、包頭、鄂爾多斯三市經(jīng)濟(jì)總量約占自治區(qū)50%，財(cái)政收入約占60%[1]。然而，引黃灌區(qū)水資源總量?jī)H占全區(qū)的8.65%，用水總量約占全區(qū)的50%左右[2]。隨著內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)快速發(fā)展，引黃地區(qū)水資源供需矛盾將進(jìn)一步加劇。必須大力發(fā)展引黃灌區(qū)高效節(jié)水技術(shù)，提高水分利用效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水，使有限的水資源通過優(yōu)化配置，滿足工業(yè)與其他行業(yè)用水增長(zhǎng)需求，保障自治區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

滴灌是目前最有效的節(jié)水技術(shù)之一，水的利用率可達(dá)95%[3]?？砂凑兆魑镄杷?，將水和養(yǎng)分混合均勻后緩慢地滴入作物根區(qū)，顯著提高水肥利用效率，有效地提高作物光合作用，增加作物糖分與干物質(zhì)積累，增加作物產(chǎn)量與品質(zhì)。相比地面灌溉，滴灌可顯著降低土壤無效蒸發(fā)、降低化肥施用量、減輕面源污染。然而引黃灌區(qū)發(fā)展黃河水滴灌面臨三大突出問題：(1)如何低成本、高效過濾泥沙。(2)滴灌用水量調(diào)蓄。(3)滴灌配套技術(shù)適應(yīng)性問題。針對(duì)上述問題，以內(nèi)蒙古河套河區(qū)為研究背景，項(xiàng)目系統(tǒng)研究了滴灌泥沙過濾、滴頭抗堵新產(chǎn)品及滴灌水源調(diào)蓄等關(guān)鍵技術(shù)，提出了泥沙過濾與滴頭技術(shù)新模式、滴灌水源調(diào)蓄措施以及適宜配套技術(shù)。

1 泥沙過濾與滴頭抗堵新技術(shù)模式

黃河水泥沙含量高且細(xì)微粒含量比例大。河套灌區(qū)總干渠作物生育期內(nèi)多年平均含沙量為4.5 kg/m3，進(jìn)入到總干渠的泥沙顆粒粒徑小于0.005 mm約占到50%。按照現(xiàn)有滴灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤50 PPM/L)[4]，約有99%的泥沙需要過濾，對(duì)于高含沙量的黃河水要達(dá)到這樣的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，通常都要采用工程與機(jī)械相結(jié)合的四級(jí)過濾模式。工程過濾要修建體積較大的沉淀池，灌區(qū)占地問題難以解決，同時(shí)，清理泥沙費(fèi)用也高。黃河水中大量養(yǎng)分在泥沙沉淀與過濾過程中被去除，造成養(yǎng)分流失。

過濾與滴頭抗堵新技術(shù)模式是在含沙量不大于3.0 kg/m3且滴灌帶為一年用條件下，采用一級(jí)過濾模式：即在滴灌首部泵前安裝低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器，過濾大顆粒泥沙與雜質(zhì)。通過篩選出的適宜灌水器，將大部分細(xì)顆粒泥沙隨滴頭出水排入到田間。沉積在毛管內(nèi)的泥沙在灌水結(jié)束后，通過毛管尾端的輔助沖洗支管進(jìn)行定時(shí)沖洗，沖洗水量占灌溉水量的1.0%～1.7%。

該新技術(shù)模式無需在首部修建容積較大的沉沙池，改變了傳統(tǒng)的泵后過濾器易堵塞、反沖洗用水量大、壓損較高的缺點(diǎn)。使黃河水中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送至田間，避免了因過濾而使黃河水中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失。比傳統(tǒng)四級(jí)過濾模式運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用低，占地面積較少，可大幅節(jié)約成本。

2 泥沙過濾新產(chǎn)品

泵前低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器(見圖1)由雙浮筒做浮體，將低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)的濾筒及濾筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置和反沖洗結(jié)構(gòu)固定于浮筒上自成一體，安裝于抽水水泵取水口的前端。與傳統(tǒng)過濾器相比該過濾器在過濾過程中無需加壓，利用自然水頭(0.5～1.0 m)低壓滲透過濾；濾筒過濾面積大，且過濾精度較高，采用200目過濾網(wǎng)，過濾泥沙顆?？蛇_(dá)300目，能有效處理水體中細(xì)小的懸浮物；同時(shí)可適應(yīng)不同的水位要求，保證過濾水均為表層低懸浮濃度的水；微過濾機(jī)敝開設(shè)計(jì)，濾網(wǎng)反沖洗部分位于水面以上大氣中，在自清洗時(shí)反清洗效率高，濾網(wǎng)再生效果好。

圖1 泵前低壓滲透微濾機(jī)

3 滴灌水量調(diào)蓄

由于受灌區(qū)輪灌制度的影響，各渠系行水間隔時(shí)間比較長(zhǎng)，特別在作物生育期，各級(jí)渠道均有不同程度停水期。為了對(duì)灌區(qū)各級(jí)渠道供水保證程度做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，本研究統(tǒng)計(jì)分析了河套灌區(qū)近15 a支渠以上級(jí)別渠道行水、停水時(shí)間等資料。在作物關(guān)鍵生育期內(nèi)總干渠停水時(shí)間為12 d，干渠、分干渠及支渠停水時(shí)間不同灌溉區(qū)域之間差別較大，分別為10～43 d、27～61 d與30～61 d。越往灌區(qū)下游，停水時(shí)間越長(zhǎng)[5]。滴灌屬高頻灌溉，一般灌水間隔在7～10 d左右，為保證滴灌高頻率灌溉，需要修建蓄水池儲(chǔ)存渠道停水期滴灌用水。

針對(duì)這一問題，本項(xiàng)目提出兩種水量調(diào)蓄方案：(1)選擇級(jí)別較高渠道作為滴灌水源，在渠道運(yùn)行期間，可直接從渠道中取水。在渠道停水期間，利用區(qū)段之間節(jié)制閘控制，在渠道中儲(chǔ)存一定容積水量，作為滴灌備用水源。(2)在渠道兩邊有閑置荒地區(qū)域，適當(dāng)修建一定容積蓄水池，作為渠道停水期間備用水源。

第一種方案適宜渠道為總干渠一閘至四閘之間渠段與位于河套灌區(qū)上、中游烏蘭布和灌溉區(qū)域與解放閘灌溉區(qū)域干渠，上述渠道均為國(guó)管渠道、多有防滲措施、渠道水利用系數(shù)比較高，水量損失小，渠道斷面尺寸較大，能夠在停水期內(nèi)儲(chǔ)存滴灌用水，在渠道兩岸農(nóng)田可發(fā)展直接引黃滴灌。通過對(duì)河套灌區(qū)各級(jí)渠道調(diào)研及遙感分析，第二種方案基本是在烏蘭布和灌溉區(qū)域內(nèi)沈?yàn)醺汕c東風(fēng)渠兩側(cè)，有部分閑置荒地，可滿足建設(shè)調(diào)蓄水池條件。

4 配套技術(shù)

由于引黃滴灌投資比井灌區(qū)滴灌高，因此，要充分利用配套技術(shù)，才可實(shí)現(xiàn)滴灌節(jié)水與高效目標(biāo)。這些配套技術(shù)需要進(jìn)行一定研究與完善，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件。其中有“干種濕出”以及水肥一體化技術(shù)。

引黃灌區(qū)大部分地區(qū)都要秋澆或春匯，秋澆具有保墑、淋鹽及松土等作用，但秋澆也造成了大量水資源浪費(fèi)。在傳統(tǒng)漫灌條件下，取消秋澆或春匯，作物出苗率難以保證。實(shí)施“干種濕出”技術(shù)可有效解決這一難題?！案煞N濕出” 技術(shù)即在沒有秋澆(春匯)的條件下，將作物種子播種在干土中，待積溫滿足要求時(shí)進(jìn)行滴水。采用這項(xiàng)技術(shù)為作物早期生長(zhǎng)提供適宜墑情條件，有效保證作物出苗率，同時(shí)可節(jié)省大量保墑秋澆水。但取消秋澆后，土壤春季容易結(jié)塊，難以耙磨平整，影響春天播種及地膜、毛管鋪設(shè)。通過研究對(duì)“干種濕出”技術(shù)做了改進(jìn)，可將翻地時(shí)間由每年春天改為作物收獲后，約在收獲后10 d左右，土壤含水率在12%～15%時(shí)。采用大于90馬力機(jī)械進(jìn)行翻耕后晾曬一天，再旋耕一遍，用旋耕機(jī)破碎土壤，可解決沒有秋澆情況下春季土壤結(jié)塊問題。同時(shí)，針對(duì)河套灌區(qū)土壤質(zhì)地，提出“干種濕出”技術(shù)具體規(guī)程。

項(xiàng)目研究了河套灌區(qū)不同礦化度(1～4 g/L)條件下滴灌灌溉制度，分析了河套灌區(qū)57 a的降水資料，得到豐水年、平水年及枯水年典型作物玉米和葵花滴灌灌溉制度以及施肥制度。采用張力計(jì)-20 kPa作為控制灌水下限，當(dāng)?shù)V化度低于1.5 g /L，玉米灌水量為320 mm；礦化度在1.5～4.0 g/ L，灌溉定額都采用290 mm，滴灌灌水次數(shù)控制在11～13次。向日葵張力計(jì)控制-30 kPa作為灌水下限，當(dāng)?shù)V化度低于1.5 g/L，灌溉定額為240 mm；當(dāng)?shù)V化度在1.5～4.0 g/L，灌溉定額采用160 mm，灌水在8～10次。玉米和向日葵的灌溉水分生產(chǎn)率分別為3.5 kg/m3和1.2 kg/m3左右，與地面灌溉相比分別提高70%和65%左右。玉米與向日葵生育期內(nèi)隨水施用尿素6次與8次。與地面灌溉相比，玉米與向日葵灌水量分別減少30%和50%，施肥量減少30%[6-7]。

5 直接引黃滴灌工程示范效應(yīng)

從2013年以來，分別采用渠道直接取水與修建調(diào)蓄水池方案在河套灌區(qū)上游磴口沙金套海、中游臨河九莊建設(shè)了兩處引黃滴灌示范區(qū)。兩個(gè)示范區(qū)全部采用抗堵性能較好的內(nèi)鑲貼片式滴頭。

臨河九莊滴灌示范區(qū)位于河套灌區(qū)總干渠二閘與三閘之間，示范區(qū)面積33.33 hm2。主要利用總干渠行水期渠輸水與停水期間總干渠二閘與三閘之間儲(chǔ)蓄水量作為滴灌水源，在灌溉期間，總干渠含沙量在1.0～1.5 kg/m3，直接取用總干渠黃河水，該模式采用一級(jí)過濾(泵前低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器)后直接進(jìn)入滴灌管路系統(tǒng)。示范區(qū)種植作物有玉米、向日葵以及番茄，全年灌水10～12次。經(jīng)對(duì)滴灌系統(tǒng)滴頭出水均勻度測(cè)試，灌水10次左右，滴灌系統(tǒng)均勻度仍可達(dá)到80%左右。沙金套海示范區(qū)地處烏蘭布和沙漠邊緣，示范區(qū)緊鄰沈?yàn)醺汕ㄔO(shè)二分干，該渠道每年停水時(shí)間約在20 d左右，且渠道兩側(cè)具備修建調(diào)蓄水池土地條件，示范區(qū)修建兩處容積為6萬m3調(diào)蓄水池，每個(gè)調(diào)蓄水池控制面積為100 hm2。采用兩種過濾模式，第一種模式為泵前低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器+碟片式過濾器；第二種為采用傳統(tǒng)四級(jí)過濾模式：沉淀池+泵前安裝漂浮網(wǎng)式過濾器+泵后安裝砂石過濾器+碟片式過濾器。經(jīng)過3 a運(yùn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第二種過濾模式缺少泵前低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器，造成泵后過濾器反沖洗次數(shù)頻繁、浪費(fèi)水量大以及能耗高，而且砂石過濾器每年需要換砂清洗，維護(hù)費(fèi)用高。第一種模式充分顯示其優(yōu)越性，建設(shè)費(fèi)用低、過濾效率高、管理維護(hù)方便，大量節(jié)省反沖洗水量，而且也保證了滴灌系統(tǒng)灌水均勻性。與第二種過濾模式相比，該模式建設(shè)與運(yùn)行成本分別降低48.3%與28.5%。該示范區(qū)大部分為棄置荒地，土壤肥力低，沙化比較嚴(yán)重。由于有效解決了滴頭堵塞問題，保證較大面積范圍內(nèi)滴灌系統(tǒng)均勻出水。示范區(qū)建成后第二年玉米與向日葵產(chǎn)量分別達(dá)到11 250 kg/hm2、3000 kg/hm2。

6 結(jié) 論

本文以河套灌區(qū)為研究對(duì)象，針對(duì)采用黃河水作為滴灌水源所面臨的泥沙過濾、水量調(diào)蓄以及高效利用等突出問題，通過研究分析獲得如下結(jié)論：

(1)在含沙量≤3.0 kg/m3且滴灌帶為一年用條件下，可采用新型泵前一級(jí)過濾與滴頭抗堵新技術(shù)模式。在滴灌首部泵前安裝低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器，過濾大顆粒泥沙與雜質(zhì)。通過篩選出的適宜灌水器，將大部分細(xì)顆粒泥沙隨滴頭出水排入到田間。沉積在毛管內(nèi)泥沙通過毛管尾端的輔助沖洗支管進(jìn)行定時(shí)沖洗。該新技術(shù)模式改變了傳統(tǒng)的泵后過濾器易堵塞、反沖洗頻繁用水量大、壓損較高的缺點(diǎn)。避免了因過濾而使黃河水中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失。運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用低，占地面積較少，可大幅節(jié)約成本。

(2)泵前低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器可安裝于抽水水泵取水口的前端。利用自然水頭(0.5～1.0 m)低壓滲透過濾，濾筒過濾面積大，且過濾精度較高，可適應(yīng)不同的水位要求，反清洗效率高，濾網(wǎng)再生效果好。

(3)河套灌區(qū)滴灌水量調(diào)蓄方案：第一種方案適宜渠道為總干渠一閘門至四閘之間渠段以及河套灌區(qū)上、中游烏蘭布和灌溉區(qū)域與解放閘灌溉區(qū)域的干渠。第二種方案基本是在烏蘭布和灌溉區(qū)域內(nèi)沈?yàn)醺汕c東風(fēng)渠兩側(cè)有部分閑置荒地，可滿足建設(shè)調(diào)蓄水池條件。

(4)“干種濕出”技術(shù)可有效解決春天作物保苗，同時(shí)可節(jié)省大量保墑秋澆水?？蓪⒎貢r(shí)間由每年春天改為作物收獲后10 d左右，土壤含水率在12%～15%時(shí)。配合農(nóng)機(jī)措施，可解決沒有秋澆情況下，春季土壤結(jié)塊問題。得到豐水年、平水年及枯水年典型作物玉米和葵花滴灌灌溉制度以及施肥制度。玉米和向日葵的灌溉水分生產(chǎn)率分別比地面灌溉提高70%和65%左右。灌水量分別減少30%和50%，施肥量減少30%。

上述技術(shù)與產(chǎn)品分別在河套灌區(qū)上游磴口沙金套海、中游臨河九莊示范區(qū)進(jìn)行了示范應(yīng)用，充分顯示其優(yōu)越性，保證了較大面積滴灌系統(tǒng)灌水均勻性，取得了較好的示范效應(yīng)，可為黃河水滴灌提供可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。