鄂爾多斯黃河南岸灌區(qū)大首部滴灌設計及應用

鄭和祥 李和平 劉海全 郝海榮 苗平 白巴特爾

摘要：大首部滴灌技術的應用是提高灌區(qū)灌溉水利用效率、緩解水資源供需矛盾的重要措施之一，以鄂爾多斯市黃河南岸灌區(qū)大首部滴灌技術設計為例進行分析，依據(jù)大首部工作原理、結構組成、工程布置原則、工程設計要求等對朝凱村控制面積72.0hm²的大首部滴灌系統(tǒng)和昌漢白村控制面積270.0hm²的大首部滴灌系統(tǒng)進行設計，對其關健技術參數(shù)進行分析，經(jīng)監(jiān)測實際運行狀況良好;得出滴灌大首部各部分的技術參數(shù)應依據(jù)大首部設計的原則并結合具體工程實際確定;滴灌大首部的關鍵環(huán)節(jié)是沉沙和過濾系統(tǒng)，其中沉沙系統(tǒng)由進水閘、沉沙池、吸水槽等組成;過濾系統(tǒng)采用沙石和疊片式兩級過濾;滴灌大首部系統(tǒng)集沉沙與過濾系統(tǒng)為一體，具有成本低、效率高、高度集成的優(yōu)點，一個大首部可替代灌區(qū)多個傳統(tǒng)小首部，灌溉效益、社會效益和生態(tài)效益顯著。

關鍵詞：大首部;滴灌;沉沙池;引黃灌區(qū)

中圖分類號：S275.6 文獻標志碼：A

鄂爾多斯市黃河南岸灌區(qū)屬資源型缺水區(qū)，水資源供需矛盾突出，引黃灌溉對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)極為重要，目前農(nóng)業(yè)灌溉為該地區(qū)最大的用水戶。社會經(jīng)濟的發(fā)展、氣候的變化等使得水資源供需矛盾不斷加劇，同時該地區(qū)灌溉水利用效率不高;鑒于黃河水具有高含沙量、高濁度的特點，目前仍以地面灌溉為主。

近年來，隨著水資源的日益緊缺，黃河水滴灌已成為研究的熱點。滴灌技術因其高效、精準被認為是目前最為節(jié)水的高效灌溉技術之一，在引黃灌區(qū)發(fā)展滴灌有望成為緩解水資源緊缺問題的有效途徑[1-2]。

實現(xiàn)引黃滴灌是一個世界性難題，其中對黃河水進行泥沙過濾最為關鍵，大量學者從沉淀池優(yōu)化設計、過濾器選型與組合配置以及運行調(diào)控等多途徑來控制泥沙，取得了一些較有意義的成果。李虎[3]開展了引黃灌區(qū)滴灌水源沉沙池設計，依據(jù)黃河水泥沙特性及滴灌對水質的要求，對沉沙池進行了計算;郝林等[4]開展了黃河水噴滴灌系統(tǒng)中泥沙處理工程的設計選型研究，設計選擇了以黃河水為水源、滿足噴滴灌水質要求的泥沙處理工程型式，為引黃灌區(qū)采用黃河水噴滴灌提供了黃河水泥沙處理的工程設計選型經(jīng)驗;何建村[5]開展了河水滴灌重力沉沙過濾池的設計、施工及運行管理研究;陳秀松[6]開展了新疆木金縣三畦村節(jié)水灌溉設計，進行了自壓滴灌、加壓滴灌、重力式沉沙池、減壓措施、管網(wǎng)布置、管材選擇等多項研究。

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的積累，采用大首部進行沉沙、過濾、加壓、施肥等綜合技術成為滴灌發(fā)展的一個重要方向，大首部技術具有以下優(yōu)勢：沉沙與過濾系統(tǒng)為一體，具有高度集成的優(yōu)點;大首部的設計定位于水力沖沙，建成后無需人力排沙，運行管理強度低、成本低;大首部池濾網(wǎng)板過濾器處于常壓工作狀態(tài)，被阻擋的泥沙顆粒僅附著于其表面，過濾效率高[7-9];工作狀態(tài)時，其表面會產(chǎn)生側向水沖力，可將附著的泥沙顆粒沖掉，實現(xiàn)自清洗;一個大首部可替代灌區(qū)多個傳統(tǒng)小首部，有效節(jié)約工程占地。傳統(tǒng)的小首部一般由一個沙石過濾器、一個網(wǎng)式或疊片過濾器、一個施肥施藥裝置組成，控制面積多在500畝（15畝=1hm²）以下，以地下水灌區(qū)應用為主;大首部結構較為復雜，除了包括引水渠、沉沙池、泵站外，一般還有多組過濾系統(tǒng)、多組施肥施藥裝置及計量控制系統(tǒng)等，其控制面積在500畝以上，面積較大的達幾萬畝，以地表水灌區(qū)應用為主。

鄂爾多斯市黃河南岸灌區(qū)通過實施一期水權轉換完成了節(jié)水工程水量指標轉換，提出了全面推進引黃灌區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設新的目標、任務及要求，在南岸引黃灌區(qū)內(nèi)全面建設以節(jié)水為中心的高效節(jié)水技術裝備和配套工程，采用先進的大首部滴灌高效節(jié)水技術，建設和改造集約化、標準化的高效節(jié)水農(nóng)業(yè)區(qū)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以黃河南岸灌區(qū)杭錦旗滴灌工程為研究對象，研究區(qū)位于鄂爾多斯市杭錦旗朝凱村和昌漢白村。杭錦旗位于鄂爾多斯高原西北部，東西長197km，南北寬166km，總土地面積18914.5km²：東與達拉特旗、東勝區(qū)相鄰，西南與烏審旗、杭錦旗接壤，北部與巴彥淖爾市隔黃河相望。

研究區(qū)屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)，常年干旱少雨，冬季漫長而寒冷，夏季溫和而短促。春秋氣溫變化劇烈，春季風沙天氣多，氣候干燥，蒸發(fā)量大，日照充足。年平均氣溫為5.6℃，年平均日照時數(shù)為3129.5h，全年無霜期約為140d，多年土壤最大凍結深度為1.5m。多年平均降水量為281.2mm， 6-8月降水量占全年降水量的68%，降水量年際變率大，多數(shù)時間處于干旱狀態(tài)。年平均蒸發(fā)能力為2630.0mm，是年平均降水量的9.4倍。多年平均風速4.1m/s，冬春兩季為大風季節(jié)，且攜沙量大，最大風速24.3m/s，風力強，沙塵天氣多，每年沙暴日數(shù)在21～55d之間。土壤為灌淤潮土和風沙土。

1.2 研究區(qū)工程情況

研究區(qū)位于鄂爾多斯市黃河南岸灌區(qū)，屬杭錦旗黃河南岸灌區(qū)昌漢白灌域。朝凱村項目區(qū)灌溉面積72.0hm²，昌漢白村項目區(qū)灌溉面積270.0hm²，兩個項目區(qū)各建滴灌大首部一套;朝凱村和昌漢白村項目區(qū)田間管網(wǎng)直接與各地塊現(xiàn)狀滴灌首部泵站工程連接，現(xiàn)狀首部泵站、沉沙池和引水渠等工程均由水權轉換工程項目建設，每個項目區(qū)建設內(nèi)容包括引水渠、沉沙池、取水泵站、滴灌首部、滴灌帶、水量計等。項目區(qū)主要種植作物為玉米，利用黃河水進行滴灌，灌水渠系分為總干渠、引水渠2級渠道，項目區(qū)渠道已全部襯砌。

1.3 滴灌大首部

大首部主要由引水渠、沉沙池、泵站、過濾器、施肥器、計量設備、控制系統(tǒng)等七部分組成，大首部滴灌系統(tǒng)布局見圖1。

大首部工作原理：首先是沉淀與過濾，灌溉水從引渠進入沉沙池，經(jīng)過初步沉淀后大顆粒泥沙沉淀于池底，表層清水通過側向溢流堰經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后進入清水池;然后是沖洗和排沙，當集污槽和沉淀池達到設計淤積厚度時，打開沖沙閘門，沉淀和過濾的泥沙被水流沖至池外;最后是加壓提水與過濾，水泵提水接施肥器、過濾器后通過計量設備和控制系統(tǒng)由輸水管道向田間供水。

大首部工程布置原則：根據(jù)區(qū)域的地形、土壤、水文地質條件及滴灌技術要求，因地制宜進行總體布置和安排，首先滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設的總體要求和戰(zhàn)略布局，滿足灌區(qū)高效節(jié)水和全面提升灌溉水平的要求，工程總體布置要做到符合規(guī)范，高效運行，節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、增產(chǎn)、增收，提高灌溉水的利用率及生產(chǎn)率。工程的具體布置原則：取水泵站建設有利于運行管理、有利于用水調(diào)度與監(jiān)測，以實現(xiàn)低能耗、高效率、安全供水;沉沙池盡量布置在荒地或集體的耕地上，避免產(chǎn)生占地矛盾;引水渠工程改造布置應盡量利用舊渠道，以減少占地及工程投資，新渠道布置應盡量順直，做到布局合理、配水及時、高效輸水、管理方便;大田滴灌區(qū)布置應滿足滴灌適宜的地形、土壤、水文地質等條件。

大首部工程設計要求：工程布局應與項目區(qū)現(xiàn)狀結合，盡量少破壞耕地、林地;力求管道總長最短，盡量減少穿越建筑物;根據(jù)項目區(qū)土壤、作物、氣候等條件，盡量立足當前，兼顧長遠，優(yōu)化系統(tǒng)布置;綜合考慮項目區(qū)內(nèi)林、路、輸電線路、水源等的位置關系，考慮多目標綜合利用，充分發(fā)揮已有水利工程的作用。降低系統(tǒng)投資和運行費用，使系統(tǒng)運行管理方便，工作穩(wěn)定可靠;輸配水管道沿地勢較高位置布置，支管垂直于作物種植行布置，毛管平行于作物種植行布置，管道縱坡力求平順;滿足各支管用水要求，管理維護方便;按照設備技術推薦值，結合項目區(qū)實際情況進行設計。

2 系統(tǒng)設計與效益分析

2.1 水源泥沙分析

現(xiàn)階段，國內(nèi)滴灌系統(tǒng)水源的泥沙處理方式多為沉沙池和組合過濾器結合，不同情況的水源應選擇不同的組合方式。一般對于泥沙含量較大的水源，首先采用沉沙池對水流中泥沙進行預沉淀，確保進入滴灌系統(tǒng)首部的水流含沙量符合標準。因此，應對沉沙池設計參數(shù)進行慎重選擇，滴灌工程沉沙池參數(shù)受泥沙含量與顆粒組成兩個關鍵因素影響。

鄂爾多斯市黃河南岸灌區(qū)取水口水流取樣分析表明，泥沙含量較大，多年平均含沙量4.3kg/m³，濁度4300mg/L;多年平均引水含沙量9.7kg/m³，濁度9720mg/L;其中7-11月的平均含沙量20.56kg/m³。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知，所引河水中泥沙顆粒小于0.005mm的泥沙占8.3%，0.005～0.05mm的泥沙占56.7%，0.05～0.1mm的泥沙占35.0%。根據(jù)微灌規(guī)范，從多泥沙水源取水時，應設置沉沙池和過濾器，除泥沙粒徑標準一般按灌水器出水孔徑的1/10設計，即要求過濾器能將大于1/10的流道直徑的泥沙、雜質攔截。采用的灌水器最小出水孔徑為1mm，應沉降粒徑0.1mm以上的泥沙，沉沙池和過濾器應按處理粒徑0.1mm以上泥沙設計，才能滿足滴灌設備用水要求。

2.2 引水渠設計

引水渠是連接灌區(qū)中已有渠道向沉沙池輸水的渠道，朝凱村、昌漢白村兩個項目區(qū)均利用灌域中已有灌溉渠道通過新建引水渠進行引水，對應的渠系建筑物滿足渠系輸水、分水、連接及交通等要求。每個項目區(qū)設引水渠1條，渠道斷面形式、設計流量基本保持與原渠道一致，每條引水渠配套進水閘1套。

在引水渠各要素設計時，其渠道斷面、渠道流量、渠道縱坡、水位、糙率、邊坡系數(shù)、渠堤超高及堤頂寬度等的確定要綜合考慮原渠道的供水能力、灌區(qū)各灌溉單元的需水量、作物種植結構、灌溉制度等因素。朝凱村、昌漢白村兩個項目區(qū)的渠道斷面均為梯形斷面，渠道縱坡坡比為1/2500;渠道水位以滿足現(xiàn)狀運行水位為原則;襯砌渠道為全斷面預制混凝土板護砌，糙率為0.016;斷面內(nèi)、外邊坡坡比均為1：1;渠堤超高為0.2m，堤頂寬為1.0m。實際運行狀況表明朝凱村、昌漢白村兩個項目區(qū)引水渠設計能夠滿足取水要求。

2.3 沉沙池設計

沉沙池系統(tǒng)由進水閘、沉沙池、吸水槽等組成。朝凱村、昌漢白村兩個項目區(qū)進水閘為垂直斗渠布置，沉沙池平行農(nóng)渠布置，末端設吸水槽、溢水口，余水從溢水口回流農(nóng)渠。

沉沙池設計原則：其基本要求是滿足滴灌設備對灌溉水質的要求。沉沙池設計在遵循安全、可靠、實用、節(jié)省投資的前提下，堅持的設計原則是沉沙池規(guī)模首先要滿足灌溉水量及滴灌設備對水質標準的要求;沉沙池應盡量利用已有工程，應與供水渠及現(xiàn)有工程相銜接;沉沙池規(guī)模在滿足滴灌水質要求前提下，要盡量小，以減少投資;沉沙池結構應滿足抗凍防滲要求[10-11]。

項目區(qū)考慮水源泥沙特性，沉沙處理方案為將渠水引入沉沙池中進行沉淀，使水質達到滴灌的濁度指標，并用組合過濾器對水流泥沙進一步處理。沉沙池主要處理粒徑0.10mm以上的泥沙，并使渾水的濁度不大于1000mg/L，項目區(qū)沉沙池的斷面結構為矩形斷面混凝土結構。

沉沙池工作寬度按下式計算[12]：式中：B_p為沉沙池工作寬度，m;Q_p為通過沉沙池的工作流量，m³/s;H_p為沉沙池工作水深，m;V為沉沙池平均流速，m/s。

沉沙池工作流量按滴灌設備工作流量計算，沉沙池工作水深取沉沙池深度的70%;沉沙池平均流速可根據(jù)沉淀的泥沙粒徑選用，平均流速取0.005m/s[12]。

沉沙池工作長度按下式計算[12]：式中：L_p為沉沙池工作長度，m;ξ為安全系數(shù)，取1.2[12];ω為泥沙沉降速度，取ω=0.1669mm/s[10]。

沉沙池出口含沙量按下式計算：式中：S為沉沙池出口含沙量，kg/m³;S₀為沉沙池進口含沙量，kg/m³;e為常數(shù)，取2.71828[12];α為與泥沙粒徑有關的系數(shù)，取0.4[10];z為泥沙懸浮指數(shù);L為沉沙池總長度，m;h為沉沙池平均水深，m。

滴灌沉沙池水力計算結果見表1。

2.4 水泵選擇

考慮項目區(qū)地處引黃灌區(qū)，氣候較惡劣，水源為黃河水，泥沙含量大，引水前池水深較淺，項目區(qū)周邊類似工程不同泵型運行狀況等因素，為保證水泵經(jīng)久耐用，選擇單級雙吸離心泵。此外，在水泵進水口安裝止回閥，起到防止水倒流的作用，解決每次停機再啟動需要灌水的難題，并且底閥可以防止突然停機水倒流造成電機反轉，發(fā)生危險情況。

根據(jù)朝凱村、昌漢白村兩個項目區(qū)灌溉制度和工作制度的要求，選定設計流量為200m³/h，水泵進水管管徑為200mm、出水管管徑為370mm，管長均為10m。由于水位變幅較小，水泵運行工況較穩(wěn)定，因此水泵的需要揚程為總干管入口工作壓力水頭、動水位、水頭損失、過濾施肥設備水頭損失、滴灌帶正常工作壓力水頭之和。根據(jù)兩個項目區(qū)工程計算，朝凱村項目區(qū)配水泵2臺，昌漢白村項目區(qū)配水泵5臺，均為單級雙吸泵（型號為KQSN200-M13/188）。兩個項目區(qū)近3a實際運行狀況表明，水泵選擇較為合理，能夠滿足灌水要求。

2.5 過濾和施肥方案設計

滴灌大首部系統(tǒng)還包括過濾器、施肥罐等。一般將施肥罐安裝在過濾器前，防止肥液中未溶化的細粒進入滴灌帶堵塞滴頭，保證滴灌帶正常運行和延長壽命。

過濾系統(tǒng)應根據(jù)水源水質情況進行選擇，本項目所用黃河水含沙量大，根據(jù)微灌技術對水質的要求[13]，該系統(tǒng)采用兩級過濾，根據(jù)系統(tǒng)實際運行的流量，確定過濾器的工作技術參數(shù)。第一級過濾器采用沙石過濾器，可以過濾大部分泥沙;第二級采用疊片式過濾器，對水質進一步進行凈化，確保滴灌帶的長期安全運行。為了方便管理，疊片過濾器選用全自動反沖洗疊片過濾系統(tǒng)，以實現(xiàn)自動反沖洗功能。兩個項目區(qū)過濾設備相同，對應設計流量條件下的過濾設備型號見表2，其中：朝凱村項目區(qū)配設沙石過濾器4套、疊片過濾器2套，昌漢白村項目區(qū)配設沙石過濾器10套、疊片過濾器5套。

施肥設備是滴灌系統(tǒng)的重要組成部分，項目區(qū)采用壓差施肥罐，按照規(guī)程計算得出兩個項目區(qū)滴灌設計流量為200m³/h的系統(tǒng)施肥罐容積為200L[10]，其中朝凱村項目區(qū)配施肥罐2套，昌漢白村項目區(qū)配施肥罐5套。

2.6 田間管網(wǎng)設計

一般的滴灌系統(tǒng)控制面積較小，田間管道多為干管、支管和滴灌帶三級系統(tǒng);而大首部滴灌系統(tǒng)控制面積較大，管道一般按四級設計，即干管、分干管、支管和滴灌帶。滴灌帶垂直分布在支管的兩側，平行作物種植方向布置;支管分布在分干管的兩側，支管長度以控制滴管帶的灌溉需水量確定;分干管根據(jù)地塊實際長度按“豐”字形分布在主干管兩側。

大首部滴灌系統(tǒng)中干管和分干管為低壓輸水管道，一般采用壓力為0.63MPa的PVC管道，支管選擇Φ90PE軟帶;毛管選擇內(nèi)鑲式滴灌帶，外徑為16mm，灌水器流量為3.0L/h。滴頭間距根據(jù)地形特點，朝凱村、昌漢白村兩個項目區(qū)的支管、滴灌帶均采取順逆坡布置，支管長度按逆坡40m、順坡60m布置;毛管雙側長度不超過100m，毛管一般按逆坡40m、順坡60m布置。

2.7 效益分析

2.7.1 灌溉效益

朝凱村和昌漢白村兩個項目區(qū)面積共計342.0hm²，項目區(qū)由原來的畦灌全部改造為滴灌，采用滴灌方式可有效提高項目區(qū)作物產(chǎn)量。根據(jù)項目區(qū)監(jiān)測和調(diào)研數(shù)據(jù)，項目實施后玉米滴灌項目區(qū)節(jié)水2720m³/hm²，整個項目區(qū)每年可節(jié)水93.02萬m³;項目區(qū)玉米平均增產(chǎn)1950kg/hm²，項目區(qū)年可增產(chǎn)玉米66.69萬kg，按市場價格1.8元/kg計算，可增加產(chǎn)值120.04萬元，按照水利分攤系數(shù)0.4計算，項目區(qū)灌溉新增產(chǎn)值48.02萬元。

2.7.2 省工效益

滴灌項目實施后，與原來畦灌相比，提高了農(nóng)業(yè)機械化水平和集約化程度，節(jié)省了用工，每公頃年均可省工1.2個工日，每個工日按當?shù)貏趧諆r150元計算，整個項目區(qū)面積共計342.0hm²，年省工效益為6.16萬元，省工效益顯著。

2.7.3 社會效益

大首部滴灌技術的應用，首先是增加了農(nóng)民收入，根據(jù)項目區(qū)監(jiān)測和調(diào)研數(shù)據(jù)，玉米滴灌可節(jié)省化肥、農(nóng)藥和人工開支，項目區(qū)受益農(nóng)民人口756人，人均年增收635.2元，項目的實施有效提高了項目區(qū)農(nóng)民收入水平和生活水平。其次是該項目的實施在水資源管理、資金管理、工程建設、技術推廣、效益監(jiān)測、發(fā)展思路與模式等方面形成了相對規(guī)范的成套體系，為以后節(jié)水技術的推廣積累了經(jīng)驗;再次是可以合理開發(fā)利用水資源，提高灌溉水的利用率，緩解水資源短缺的矛盾，保證和提高農(nóng)民的收入，改善農(nóng)民的生活條件。

2.7.4 生態(tài)效益

大首部滴灌技術的應用解決了灌溉不及時和灌溉保證率低的問題，能夠按照不同季節(jié)、不同氣候條件和農(nóng)作物不同生長期的實際需要科學用水，達到了既節(jié)水又增產(chǎn)增收的目的，在調(diào)節(jié)土壤溫濕度、有效抑制農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生、降低農(nóng)藥用量、減少環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境等方面效益顯著。

3 結語

（1）滴灌大首部一般由引水渠、沉沙池、泵站、過濾器、施肥器、計量設備、控制系統(tǒng)等七部分組成，各部分的技術參數(shù)應依據(jù)大首部設計原則并結合具體工程實際確定。

（2）滴灌大首部的關鍵部分是沉沙和過濾系統(tǒng);沉沙系統(tǒng)一般由進水閘、沉沙池、吸水槽等組成;過濾系統(tǒng)一般采用兩級過濾，第一級過濾器采用沙石過濾器，可以過濾大部分泥沙，第二級采用疊片式過濾器。

（3）滴灌大首部系統(tǒng)集沉沙與過濾系統(tǒng)為一體，具有成本低、效率高、集成度高的優(yōu)點，一個大首部可替代灌區(qū)多個傳統(tǒng)小首部，灌溉效益、社會效益和生態(tài)效益顯著。

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