引黃灌區(qū)規(guī)?；l(fā)展滴灌投資與效益

于 健，史吉剛，李 瑋，馬 鑫，張瑞喜，王榮蓮

(1.內(nèi)蒙古水利科學研究院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 014109)

0 引 言

黃河流域大部分地區(qū)處于干旱、半干旱區(qū)，水資源匱乏，多年平均河川徑流量580 億m3，約占全國總量的2%。農(nóng)業(yè)用水效率低、工農(nóng)業(yè)生態(tài)用水矛盾加劇等問題突出，嚴重制約黃河流域經(jīng)濟社會發(fā)展，黃河流域農(nóng)業(yè)灌溉也面臨巨大挑戰(zhàn)，受引水量減少以及輪灌間隔時間長影響，造成作物生育期持續(xù)缺水，特別在需水高峰期缺水更為嚴重，農(nóng)民用水得不到保證，農(nóng)作物減產(chǎn)與品質(zhì)下降，農(nóng)民收益低而不穩(wěn)。黃河灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)單一化趨勢明顯，而優(yōu)勢作物以及經(jīng)濟作物種植比例明顯偏低。由于種植結(jié)構(gòu)單一，受作物價格不穩(wěn)定影響，農(nóng)民增產(chǎn)不增收現(xiàn)象突出；黃灌區(qū)化肥用量普遍大，但肥料利用效率普遍較低，氮肥利用率只有30%，每年有大量氮肥進入到地下水或隨退水進入到灌區(qū)內(nèi)湖泊，造成水質(zhì)富營養(yǎng)化，同時過量施用化肥，造成土壤質(zhì)量與作物品質(zhì)下降，有效減少施肥量以及農(nóng)藥用量，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式、降低農(nóng)資成本，是新時期農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要任務(wù)。面對上述諸多挑戰(zhàn)，引黃灌區(qū)必須大力發(fā)展滴灌技術(shù)，提高水肥利用率，大幅度節(jié)約灌溉用水與化肥用量，有效緩解水資源供需矛盾與改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，對于我國沿黃地區(qū)經(jīng)濟與社會發(fā)展，生態(tài)安全保護屏障建設(shè)都具有重大意義。黃河水滴灌由于水源調(diào)蓄以及泥沙過濾等因素，引黃滴灌相對于井水滴灌會增加工程投資。

1 黃灌區(qū)滴灌投資增加主要因素

1.1 水源調(diào)蓄

滴灌是當今世界最節(jié)水和高效的灌水技術(shù)之一。但同時滴灌也是保證率(設(shè)計保證率不低于85%)要求比較高的灌水技術(shù)，我國黃灌區(qū)來水間隔時間普遍都比較長，供水保證率普遍較低，尤其近些年受用水量增加影響，供水間隔時間加長與時間不確定問題越加突出，例如內(nèi)蒙古河套灌區(qū)現(xiàn)有7級固定渠道，包括總干渠、干渠、分干渠、支渠、斗、農(nóng)以及毛渠，控制著5個大灌域，總控制灌溉面積為57.33 萬hm2(860萬畝)，統(tǒng)計分析最近15年灌區(qū)灌水時間，各輪次灌水間隔時間一般都在10～20 d，最長間隔時間有30 d以上。而滴灌灌水周期僅僅幾天，灌水頻率高，當渠道來水不能滿足滴灌需要時，通常需修建容積較大的蓄水池進行水量調(diào)蓄，修建蓄水池產(chǎn)生很大土方開挖量，并要做防滲工程措施，這將引發(fā)工程投資增加和大量征用土地的費用。

1.2 泥沙沉淀過濾

黃河水泥沙含量高且細微粒含量比例大，即使在黃河中游地區(qū)灌溉季節(jié)泥沙含量平均在每方水4.5 kg左右，內(nèi)蒙古昭君墳水文站4-9月份平均2.5 kg/m3，粒徑<0.05 mm 顆粒占全部泥沙總量的70%以上，而且泥沙化學成分中以硅鐵鋁化合物為主，具有很強的吸附性。由于過濾與沉淀泥沙量大，通常需要經(jīng)過平流式沉沙、斜板沉沙、沙介質(zhì)過濾器以及疊片過濾器等多級過濾，在個別含沙量較大情況下，除了采用上述過濾措施外，還需要添加化學吸附劑；目前解決黃河水滴灌中泥沙過濾，大多采用常規(guī)水質(zhì)處理工藝，即首部工程措施與機械過濾設(shè)備相結(jié)合的模式，工程措施中以平流沉沙池 + 過濾墻 + 蓄水池的形式居多，部分有閑置土地條件地方采用調(diào)蓄與沉沙一體池，即解決水源調(diào)蓄，也起到部分沉沙作用。但無論采取哪種工程過濾形式，投資都比較大，而且后期泥沙清淤以及運行維護費用也比較高。

1.3 滴頭抗堵性

目前大多數(shù)滴灌灌水器流量為1～3 L/h，滴頭出水流道寬度在0.5～1.1 mm之間。多數(shù)研究結(jié)果顯示：堵塞滴頭泥沙一般有兩種特性顆粒，一種為較大顆粒泥沙，由于不能很好地隨水流動，引起滴頭堵塞；另外一部分為細顆粒泥沙，進入到滴灌管中形成絮凝團體沉積在毛管中，對滴頭造成堵塞。根據(jù)黃河泥沙含量以及粒徑特征，大部分泥沙都屬于第二種，絮凝作用比較強，所以即使采用過濾與沉淀等系列措施，仍會有一部分細顆粒泥沙進入到毛管中，對滴頭造成威脅，尤其流道較長的迷宮式滴頭，更容易形成堵塞。為防止進入到滴頭泥沙堵塞，通常做法是在滴灌首部增設(shè)自動反沖洗設(shè)備，不斷對毛管進行反沖洗，盡量減少淤積在毛管中泥沙，而通常反沖洗設(shè)備成本比較高，進一步增加了首部過濾成本。受灌溉水源中泥沙、鹽分及微生物等交互的影響，即使黃河水經(jīng)過平流沉淀+網(wǎng)式過濾組合處理后，仍會造成灌水器堵塞，主要原因為采用沉淀池，在氣溫較高的季節(jié)，容易產(chǎn)生藻類物質(zhì)，這類藻類附著在泥沙表面，使泥沙與這些細小顆粒物和微生物形成的絮狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更高黏結(jié)性，加大了泥沙過濾難度以及滴頭堵塞風險。所以修建沉沙池蓄存水時間長，會加大滴頭堵塞風險，若防止交互因素對堵塞影響，可能會加大水質(zhì)處理成本。

2 滴灌投資以及降低投資途徑

2.1 引黃滴灌工程投資案例

直接利用黃河水滴灌工程投資受供水水源形式影響較大，本文以內(nèi)蒙河套灌區(qū)磴口縣寶日浩特、臨河區(qū)九莊示范區(qū)案例進行分析：①磴口縣寶日浩特示范區(qū)，滴灌水源形式為渠道引水與修建蓄水池結(jié)合，滴灌首部靠近輸水時間較長渠道，作物大部分時間滴灌可由渠道供給，在每年渠道停水期間，通過滴灌首部蓄水池提供水源。該示范區(qū)控制面積為200 hm2，分別建設(shè)有兩個首部，每個首部控制1 00 hm2。從烏蘭布和灌域建設(shè)二分干渠引進黃河水，建設(shè)二分干渠每年在8月份停水約20 d左右，為了解決停水期間滴灌用水，修建了兩個容積6 萬m3水量調(diào)蓄池，即為滴灌儲備兩次水量，這種模式充分利用渠道過水時間較長優(yōu)勢，采用了二級泥沙過濾，新建配套取水加壓泵房2處、過濾系統(tǒng)2套，采用過濾模式為自主研發(fā)泵前浮動式微濾機+自動反沖洗碟片式過濾器。滴灌系統(tǒng)管道按四級設(shè)計，即干管、分干管、支管和滴灌帶，考慮蓄水池周邊地下水位比較高，大部分時間會對蓄水池產(chǎn)生補給，同時避免蓄水池產(chǎn)生永久性占地，蓄水池沒有做防滲處理，在該滴灌水源形式條件下，工程總投資約450 萬元，平均每公頃投資22 500 元；②臨河九莊示范區(qū)：該示范區(qū)滴灌水源形式為全部由渠道供給，無須建蓄水池；由于滴灌首部緊靠河套灌區(qū)總干渠，可直接從總干渠取水，總干渠輸水時間長，即使在每年停水期，渠中仍蓄存有大量水，可供停水期滴灌用水，示范面積33.33 hm2，新建泵房以及配套首部系統(tǒng)1套，只采用一級過濾，即在泵前浮動式微濾機1套，過濾后水直接進入到滴管系統(tǒng)，滴灌系統(tǒng)管道按四級設(shè)計，即干管、分干管、支管和滴灌帶建立一處滴灌首部工程，種植作物為玉米、番茄、青椒、向日葵，該水源形式下滴灌每公頃投資約13 500 元。

2.2 滴灌工程降低投資途徑分析

從上面黃河水兩種水源形式下滴灌投資可看出，第一種水源形式由于建有蓄水池，雖未進行防滲處理，但土方開挖量以及泵房施工費用仍比較高；同時出于對滴頭防堵安全性考慮，除了配備一級旋轉(zhuǎn)式網(wǎng)式過濾器，在泵后配備了碟片式過濾器，建設(shè)標準要高一些；第二種水源形式省去了蓄水池，只采用了一級過濾，投資比水源形式一降低了32%。但是上述兩種水源形式，都是針對直接利用黃河水作為滴灌水源，同時都需要渠道補水，而且滴灌首部須靠近渠道，此外若按照傳統(tǒng)泥沙過濾措施，投資較高。因此，為在黃灌區(qū)更廣范圍內(nèi)發(fā)展滴灌，需要在水源、過濾以及其他配套技術(shù)等多方面開辟新途徑，才可有效降低滴灌工程投資。

2.2.1 由引黃單一水源轉(zhuǎn)化成多水源、提高滴灌水源保障

黃灌區(qū)滴灌若修建蓄水池，并做防滲處理，通常每公頃地至少要增加4 500元投資。而且清理出泥沙無處堆放，造成對環(huán)境污染。根據(jù)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水資源構(gòu)成特征，經(jīng)過多年研究提出了降低滴灌投資重要途徑，即為將黃河水一水源轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗨?-淖爾水、地下水以及大斷面渠道蓄水水源，從而省去了滴灌首部大量修建蓄水池，大幅度降低首部占地面積以及工程量。

(1)湖泊水。河套灌區(qū)分布有大量天然湖泊，這些湖泊具有較大儲蓄容量，并且具有較好隔水層，通過有效補水途徑與水量調(diào)控，將水引入到湖泊里進行儲蓄與泥沙沉淀，在湖泊岸邊建立規(guī)模較大的滴灌首部，在其周邊發(fā)展滴灌，對湖泊補水途徑主要有灌溉間隙期黃河補水、凌汛期補水以及少量灌區(qū)退水。通過滴灌用水-補水使湖泊水得到循環(huán)，也改善了水質(zhì)。

(2)地下水水源。由于黃灌區(qū)絕大部分地下水都由黃河水補給轉(zhuǎn)化，而且黃灌區(qū)地下水位普遍比較高，將黃河水轉(zhuǎn)化為地下水，省去修建蓄水池與泥沙過濾池，而且可起到降低地下水位，減少大量無效蒸發(fā)，選擇滴灌發(fā)展區(qū)域為地下水礦化度低于2 g/L區(qū)域，采用空間以及時間上井渠結(jié)合模式，這種模式不同于單純時間上井渠結(jié)合，時間上井渠結(jié)合為在滴灌區(qū)域，既采用井灌又采用黃灌，利用地下水進行滴灌，利用引黃地面灌補給地下水；而空間上與時間上井渠結(jié)合為滴灌建立在井灌區(qū)域，周邊黃灌區(qū)為滴灌區(qū)地下水補給區(qū)域，實現(xiàn)滴灌區(qū)地下水采補平衡；對于滴灌區(qū)域鹽分平衡，利用引黃地面灌進行洗鹽。在黃灌區(qū)發(fā)展地下水滴灌，可降低地下水位，也有利于改善土壤鹽堿化。這種空間上井渠結(jié)合要保持井灌區(qū)與渠灌區(qū)之間的水量平衡，需要得到平均渠井結(jié)合比(渠井結(jié)合比為井渠結(jié)合區(qū)內(nèi)渠灌區(qū)面積與井灌區(qū)面積之比)河套灌區(qū)井渠結(jié)合比在1.9～2.9，各灌域井渠結(jié)合比不同，越靠近灌區(qū)下游，渠井結(jié)合比越大。

(3)利用大斷面渠道儲水。選擇停水時間較短的大斷面渠道(如總干渠或干渠)儲存水源，在渠道停水期間，可利用節(jié)制閘在渠道中儲蓄水量作為滴灌水源。有部分干渠停水時間比較長，儲蓄能力不足，可結(jié)合在渠道兩旁區(qū)域修建一定容積蓄水池，解決在渠道停水期間部分滴灌用水。這種利用大斷面渠道儲水作為滴灌水源，發(fā)展滴灌區(qū)域大多要靠近水源渠道附近。

2.2.2 采用過濾抗堵新技術(shù)模式，降低泥沙處理成本

目前國內(nèi)外利用高含沙水滴灌抗堵理念主要是“堵”，即將水源中絕大部分泥沙過濾掉，只允許很少一部分泥沙(占泥沙含量不到1%)進入到滴灌系統(tǒng)，這部分進入到滴灌帶的泥沙靠沖洗排出。本項目研發(fā)提出“淺過濾，重排出、輔助沖洗”新技術(shù)模式，在滴灌首部利用自主研發(fā)的泵前低壓旋轉(zhuǎn)式過濾器，有效去除大顆粒泥沙與雜質(zhì)，通過篩選適宜滴頭，將大部分細顆粒泥沙隨滴頭出水排入田間，少部分沉積在毛管內(nèi)泥沙，進行定時沖洗，這一新技術(shù)模式，省去了傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)首部修建容積較大的沉沙池和復雜的過濾設(shè)備，同時改變了傳統(tǒng)的加壓網(wǎng)式過濾，加壓網(wǎng)式過濾容易堵塞過濾器，需要頻繁反沖洗，用水量大?？朔嗣芪膊糠礇_洗費用高、管理麻煩等弊端，比國際上通用過濾技術(shù)模式節(jié)約至少一倍的成本。同時，大量減少清理泥沙費用，避免了因過濾使黃河水中大量營養(yǎng)物質(zhì)流失。

2.2.3 采用田間綜合配套技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)水增效

(1)目前黃灌區(qū)化肥投入費用不斷增加，出現(xiàn)部分農(nóng)民增產(chǎn)不增效。采用多次少量的滴灌水肥一體化技術(shù)，特別在作物需水關(guān)鍵期，可通過增施氮肥與鉀肥以及微量元素，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，與傳統(tǒng)地面灌溉方式相比，滴灌至少可節(jié)省30%化肥用量；

(2)采用滴灌的干播濕出技術(shù)，在傳統(tǒng)地面灌溉條件下，由于每年春天氣候變化較大，難以掌握適宜播種時間，播種早會因為氣溫較低，出現(xiàn)壞籽現(xiàn)象；播種晚土壤墑情難以保證。采用滴灌可有效解決上述難題，并且可增加土壤地表溫度，促進作物早期生長，節(jié)省保墑秋澆水；

(3)膜下滴灌復種：內(nèi)蒙古河套地區(qū)面粉質(zhì)量全國聞名，由于小麥收益低，目前播種面積只占種植比例10%左右。項目組開展了滴灌小麥復種西蘭花技術(shù)，采用滴灌提前小麥播種期以及收獲期，茬后種植西蘭花等經(jīng)濟作物。與單一種植小麥相比，節(jié)水40%、節(jié)肥30%，每公頃增收10 500元以上；

(4)土壤調(diào)理技術(shù)：采用土壤防風蝕劑以及秸稈生物炭，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水保肥性，提高低溫，促進玉米早期生長。除了上述措施外，還有精準播種、精準施藥以及配套農(nóng)機技術(shù)等，通過這些措施，可有效促進作物生長，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，增加滴灌效益，降低黃灌區(qū)滴灌投資。

3 黃灌區(qū)發(fā)展滴灌效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

通過三年對示范區(qū)滴灌監(jiān)測：與傳統(tǒng)地面灌相比，玉米增產(chǎn)10%～36%，向日葵增產(chǎn)20%～43%，青椒增產(chǎn)20%～27%，加工番茄增產(chǎn)50%，西瓜增產(chǎn)19%。按照河套灌區(qū)現(xiàn)有種植結(jié)構(gòu)，實施滴灌后平均每公頃至少可增加純收入2 250元。同時與傳統(tǒng)地面灌相比，可顯著減低種植成本(化肥、勞動力、電費以及農(nóng)藥消耗)，每公頃降低種植成本為1 830～2 140 元/hm2。滴灌實施水肥一體化后，作物品質(zhì)明顯提高，提高了作物售價，若考慮種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加經(jīng)濟作物種植比例，則經(jīng)濟效益更加顯著。

3.2 社會效益

通過對滴灌發(fā)展規(guī)模以及節(jié)水潛力研究分析，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)發(fā)展滴灌規(guī)模可在10 萬hm2左右，減少引黃河水量約為4.2 億m3。按照萬元工業(yè)增加值用水量為30 m3計，僅河套灌區(qū)滴灌實施后節(jié)約的水資源總量，可支撐內(nèi)蒙古自治區(qū)工業(yè)增加值1 400 億元左右。

由于黃河灌區(qū)供水保證率低，種植結(jié)構(gòu)單一化趨勢明顯，大多黃灌區(qū)以種植向日葵以及玉米為主，有些地區(qū)高達80%，而優(yōu)勢作物以及經(jīng)濟作物種植比例明顯偏低。由于種植結(jié)構(gòu)單一，受作物價格不穩(wěn)定影響，農(nóng)民增產(chǎn)不增收現(xiàn)象突出，滴灌可明顯提高供水保證程度，有效促進黃灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。

采用傳統(tǒng)地面灌方式，很難實現(xiàn)土地大規(guī)模的流轉(zhuǎn)。主要原因是公司或大戶從農(nóng)民手中購買土地成本比較高，一般單產(chǎn)在11 250～15 000 kg的土地，租用土地費要在12 000～15 000 元之間，加上種植成本投入約10 500～12 000 元/hm2，導致公司或大戶收益低，土地流轉(zhuǎn)積極性不高。實施滴灌后，可以通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)出與投入比，提高公司或大戶土地流轉(zhuǎn)積極性, 加快土地流轉(zhuǎn)進程。

3.3 生態(tài)效益

黃灌區(qū)農(nóng)田面源污染主要來自過量使用化肥，以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為例，每年化肥用量在62 萬t 左右，其中氮肥用量約在50%左右, 但氮肥利用率僅為30%左右, 每年大量氮肥進入到地下水或隨退水進入到排水溝, 流向河套灌區(qū)下游的烏梁素海濕地或部分海子,造成水質(zhì)富營養(yǎng)化。根據(jù)對示范區(qū)玉米、向日葵及青椒、番茄、籽瓜類等作物調(diào)查，傳統(tǒng)漫灌幾種作物平均施肥在1 500～1 80 kg/hm2，所用肥料主要為硫酸銨、尿素、碳酸氫銨及鉀肥等，滴灌工程實施后，通過實行水肥藥一體化，施肥量可降低30%，發(fā)展滴灌大幅度減少了灌溉水量,也即減少了排放水量,同時又有效降低了化肥的施用量, 減少了肥料在土壤中的殘留量，減輕對作物及土壤的污染。滴灌還可調(diào)節(jié)土壤溫度和田間小氣候，有效抑制作物病蟲害的發(fā)生和蔓延，大幅度提高水肥藥利用率，從源頭上降低了對面源污染。引黃灌區(qū)普遍存在土壤鹽堿化問題，土壤有機質(zhì)含量普遍較低(低于1%)、pH值比較高鈉離子(ESP值)含量大，加上化肥用量不斷加大，使黃灌區(qū)土壤結(jié)構(gòu)變差，大水漫灌后的土壤容易產(chǎn)生板結(jié)，土壤入滲率與透氣性明顯減低，土壤表層溫度下降，作物生長速度減緩，田間水分利用率降低，而且土壤結(jié)構(gòu)變差趨勢進一步明顯，采用滴灌可降低土壤板結(jié)，增加土壤通透性，提高鹽分淋洗效率。