寧夏引黃灌區調蓄水池水質凈化效果研究

顧靖超，劉學軍，陸立國，朱 潔，武慧芳

(寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

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

1 黃河寧夏段泥沙特性研究

(1)黃河水泥沙含量監測。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。根據寧夏相關部門近年監測結果：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分析結果見表1。

(2)黃河水泥沙化學成分。寧夏揚黃灌區渠道泥沙化學成分中，主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3三種化合物為主[2]，具有較強的吸附作用，易附著于輸水管道與灌水器內壁，引起灌水器堵塞。化學成分化驗結果見表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性質表

2 寧夏灌區滴灌系統黃河水凈化處理技術研究

近年來，隨著高效節水灌溉技術的發展，黃河水微灌得到了較大發展。寧夏引揚黃灌區依托灌區內干、支渠道作為供水工程，建成了13.3 萬hm2高效節水灌溉工程。為了滿足微灌對水量、水質的要求，建設了不同規模的調蓄池和首部組合過濾、水質凈化工程。水質凈化多采用分級處理、串聯凈化模式，即采用工程措施與過濾設備相結合的處理模式來滿足微灌對水質的要求[3,4]。高效節水灌溉對進入灌水器的固體顆粒物含量應該低于30 mg/L，最大不超過50 mg/L[5]。灌區建成的最具代表性的黃河水凈化處理模式為：渠道→預沉池→調蓄池→泵站前池→加壓泵站→首部砂石+疊片過濾器或篩網+疊片過濾器→輸水管網→配水管網→灌水器。

2.1 蓄水池泥沙處理凈化效果

為了研究不同規模調蓄水工程泥沙沉淀效果，對寧夏引揚灌區內5 萬m3以下、5～10 萬m3、10～20 萬m3、20 萬m3以上的大、中、小型50多個調蓄水工程進行調查，對輸水渠道、調蓄池泥沙含量進行監測，監測結果見表3。

表3 不同規模調蓄水工程黃河水沉淀凈化處理效果

不同規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、懸浮物的去除率達到80%以上。從泥沙顆粒級配分析結果判斷，大于0.01 mm的泥沙顆粒基本去除。調蓄水工程沉淀凈化效果較明顯，隨著調蓄水工程庫容的增大，泥沙和懸浮物的去除率增加。

根據大量的蓄水池水質檢測資料，渠道進入蓄水池的泥沙、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行時空調蓄，調節灌溉需水的時空分布，兼具沉淀、凈化水質作用，調蓄水工程大多是先蓄后灌，即調蓄池蓄滿水后相隔一段時間再灌溉。對于邊蓄邊灌的調蓄池，特別是進水泥沙含量較高時，經調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要求的規定，須進一步凈化處理；而對于停蓄1～3 d的調蓄池，經調蓄沉淀后泥沙含量在100 mg/L以下，懸浮物也較蓄水狀態下的低，但對于滴灌等微灌系統，為保證系統的長期正常運行，還需進一步凈化。因此，無論邊蓄邊灌還是停蓄的調蓄池，需在首部增加過濾設施進一步凈化處理。

2.2 組合過濾器水質凈化效果

選擇典型微灌工程，對黃河水泥沙凈化處理效果進行監測、研究。

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

在滴管系統運行時，分別對渠道、蓄水池、過濾系統后水樣取樣化驗檢測，調蓄水工程和過濾系統泥沙處理監測結果見表4。

表4可知：黃河水經過調蓄池沉淀1～4 d后，泥沙沉降率達90%以上，除沙效果較明顯，但泥沙含量仍在100 mg/L以上，再經過首部濾系統過濾處理、過濾系統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，滿足了滴灌對水質的要求。經調蓄工程和過濾系統沉淀過濾后，進入管網的泥沙含量僅占渠道水的2%左右，除沙效果十分明顯。示范區灌水器采用內徑為16 mm的壓力補償滴灌管，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行隨機抽檢，均能正常灌水，沒有出現滴頭堵塞現象。

表4 志輝葡萄種植基地葡萄滴灌工程水質凈化處理效果監測 mg/L

(2)寧夏玉泉營農場葡萄滴工程。玉泉營葡萄滴灌面積53.33 hm2，建成5 萬m3蓄水池1座，水質凈化處理模式為：渠道引水→200 m沉沙渠→5 萬m3調蓄池→首部砂石+疊片過濾樞紐→輸水管網→灌水器。滴頭間距為50 cm，滴頭流量為3.7 L/h，毛管布設最大長度120 m。2015年對試驗區黃河水凈化處理效果進行試驗監測，結果見表5。

表5 玉泉營試驗區黃河水凈化(濁度)處理效果監測 NTU

在邊蓄邊灌狀態下，渠道水平均濁度466 NTU，經200 m沉沙渠后，濁度變為266.3 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、預防滴灌灌水器堵塞的作用。監測數據分析表明，渠道泥沙主要是通過沉沙、蓄水池沉淀，去除率接近90%。

在渠道水進入調蓄池一定時段(1～10 d)沉淀后，進入蓄水池的泥沙沉降較多，濁度從699.7 NTU降低到水泵進水口出的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%，此時過濾器已經起不到凈化水質的作用。當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的效果不顯著。

3 結 論

黃河水凈化處理技術是寧夏引揚黃灌區 高效節水灌溉工程建設運行的關鍵技術，灌溉水中泥沙含量降低到30～50mg/L以下，才能保證高效節水灌溉工程的正常運行。寧夏引揚黃灌區微灌工程配套建設的沉淀、調蓄水池對泥沙的去除率可達到80%以上，可保證將大于0.01mm的泥沙去除。黃河水進入調蓄水池靜置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，采用砂石+疊片過濾器或篩網+疊片過濾器，泥沙去除率達到95%以上，泥沙含量降低到50mg/L以下，能夠滿足微灌對水質的要求。推薦黃河水微灌水質凈化處理模式：渠道→預沉池→調蓄池→泵站前池→加壓泵站→首部砂石+疊片過濾器或篩網+疊片過濾器→輸水管網→配水管網→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：中國科學研究生院，2010.

[2] 鮑子云，仝炳偉，徐利崗.設施農業滴灌用黃河水安全凈化處理技術試驗研究[J].灌溉排水學報,2011,(3):1-5.

[3] 李葆權.黃河高揚程提水灌區滴灌系統水質凈化處理研究[J].節水灌溉,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水質變化規律研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學,2015.

[5] 李寶珠,王從新.渠水滴灌水質標準與沉淀技術的研究[J].石河子大學學報(自然科學版),2005,(1).88-90.