石羊河流域井灌區高效節水灌溉系統經濟流量與配套設計與優化分析

李 歡，石 磊，魏宗儒，楊昌鈺，石培澤

(1.武威市水利水電勘測設計院有限公司，甘肅 武威 733000;2蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021；3.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅新一工程咨詢有限公司，甘肅 武威 733000)

1 問題提出

石羊河流域山前洪積-沖積細土平原從上中游到下游有永昌、清源、金羊三大純井水灌區，已建機電井3618眼，控制灌溉面積3.92萬km2。經石羊河流域綜合治理安裝智能化計量配套機電井3000眼，井深60～100m，單井灌溉面積60～530畝，地下水靜水位7～60m，位于細土平原的永昌、清源、金羊三大純井水灌區及井河混灌區，以制種玉米、大田玉米、小麥，日光溫室蔬菜、陸地蔬菜和瓜果等糧經作物為主，是全區土地利用率最高、產出能力最強的高產穩產農業區，主體功能定位為優質糧食主產區、綠色蔬菜生產區、高效園藝示范區。

主要問題有：分配水權難以滿足作物適時適量灌溉需求，部分時段部分作物受旱嚴重；灌溉設施設備不配套，水泵選型不合理，灌溉效能效率低；水資源供需存在矛盾，灌溉高峰時期井出水量嚴重減少，延期灌溉現象經常出現，難以達到適時適量灌溉。

發展管灌、滴灌等高效水工程是緩解水資源供需矛盾的有效措施和今后重點發展趨勢；以現有機電井為中心，配套建設高效能的機電設施和高效率管道輸水工程以達到單井效益高、耗能低、灌水成本小的目的，促進有限水資源的可持續利用，推動經濟、社會、生態效益的持續增長勢在必行。

2 現狀分析

2.1 研究方法

在井水灌區選擇了需要實施高效節水農田面積最大的永昌鎮、具有連片規模效益的清源鎮發展村、位于沙漠邊沿洪水河上中游的吳家井鎮吳家井村、生態移民的九墩灘生態建設指揮部的富康8組、土地流轉規模滴灌的新西新東村內155眼機井的單井灌溉面積，水泵額定流量與揚程，配套電機功率，地下水靜、動水位及水泵安裝高(深)度、出水量等進行了文案資料收集，并通過統計分析和灌溉高峰期和非高峰期重點實地調查測試方法進行驗證。調查井數、調查面積占井灌區內總井數、總配水面積的4.3%、7.8%，分類情況見表1。

表1 井灌區灌溉面積調查統計分析表

2.2 基礎條件

(1)井水灌區主要屬石羊河流域山前洪積-沖積細土平原，地形南高北低，地勢平坦，土質沙性，土壤類型主要為沙土、沙壤土、沙壤粘土。土壤較肥沃，以地下水作為灌溉水源，水利條件較好，是涼州區現代農業基地。

(2)祁連山區是地表水及地下水的主要產水區，山前斷陷盆地的南部是地表水入滲補給地下水的主要區域，盆地中部是地下水的徑流區和開采、灌溉回歸區，盆地北部是地下水的溢出排泄區。

(3)區內有良好的適于地下水儲存的地層條件，是地下水富集帶，廣泛分布著潛水——承壓水。砂礫、砂層為含水層，由2～3層組成，隔水的不透水層是粘土、亞粘土。含水層厚度100～150m，單位涌水量3～10L/(s·m)，單井出水量非灌溉高峰期及豐水期秋冬春80～160m3/h以上，灌溉高峰期及枯水期80～150m3/h以下，自上游到下游逐漸減小。

2.3 存在問題

(1)調查表明，灌區內單井控制灌溉面積68～530畝，其中面積大于等于500畝的占調查面積的2.28%、小于100畝占0.53%、200～400畝占70%以上、大于500畝的機井只有2眼，占調查機井的1.29%。水泵額定流量80、100、125、140、160m3/h，其中額定流量160m3/h的占調查井的73%，額定流量80、140m3/h不到15%，額定流量125m3/h的占12%。實際最大灌溉系統計算流量均小于現有灌溉配套水泵流量，見表1。

(2)據調查，在現狀井灌區3個區域內，下游區域配有80、100m3/h額定流量的水泵，以80m3/h為主；中游區域配有80、100、125m3/h額定流量水泵，以125m3/h為主；上游區域配有125、140、160m3/h額定流量水泵，以160m3/h為主。灌溉非高峰期及剛啟動最大單井出水量可達水泵額定流量；灌溉高峰的夏季機井出水量減小14%～23%以上；73%～85%的機井配泵流量高于區域內穩定出水量，提水效率嚴重下降，配泵流量與區域穩定流量不相適。

(3)地下水靜水位10～60m，配套水泵揚程30～112m，下泵深度高達27～108m，配套電機高達37～63kW，機電揚程不配套，耗能較高。

3 機電提水設施與管道配套設計優化

3.1 經濟流量設計分析

(1)水泵設計流量應小于等于所在區域地下水單井穩定出水量的下限值。灌區內機井穩定出水量自上游的150～140m3/h減少到中游的140～100m3/h、下游的100～80m3/h，將現狀5種類型的水泵流量優化調整為140、100、80m3/h，可滿足現狀灌溉范圍內畦灌和管灌、滴灌結合的灌溉需求。在高效滴灌條件下，水泵設計流量還可減少；為便于統一管理維修運用，還可縮小灌水周期，提高適時適量灌溉保證性，有條件時還可擴大灌溉面積，流量分析見表2。

表2 不同區域不同灌溉方式下的水泵設計流量分析 單位：m3/h

(2)水泵設計流量應滿足所控灌溉面積所需最大灌溉系統流量。石羊河流域井灌區在現行渠(畦)灌條件下，面積530400畝系統流量小于139m3/h，面積400～300畝系統流量小于105m3/h，面積300畝系統流量小于78m3/h；在管灌、滴灌條件下，最大系統流量分別小于130、80m3/h，設計水泵流量140m3/h和80m3/h；在渠畦灌、滴灌條件下，灌溉面積均可達530畝以上，設計水泵流量100m3/h；在管畦灌條件下，灌溉面積可達400畝以上，見表3。

表3 不同灌溉方式不同灌溉面積系統流量分析計算表 單位：m3/h

(3)不同區域內以穩定出水量的下限值作為配泵流量的上限值在現狀條件下即可滿足最大灌溉面積的系統流量，又能確保灌水周期內機井出水量穩定并達適時適量灌溉。根據不同區域灌溉方式、機井穩定出水量、可控灌溉面積等因素分析計算，上中游水泵流量可由現狀的160、125、100m3/h調整為140、100、80m3/h，可達現狀額定流量水泵的同等灌溉效應。

3.2 水泵揚程及配套電機優化分析

3.2.1同揚程配套電機功率

在優化和滿足灌溉需求的水泵流量140、100、80m3/h和現狀水泵160、140(或125)、125(或100)m3/h相比，在地下水位埋深10～30m范圍內，維持現有水泵揚程的情況下，并滿足現狀灌溉需求，配套電機功率可由現狀的25～37kW降為22～30kW；水泵運行1h可節電7～10kW·h，見表4。

表4 水泵流量配套電機的設計優化與節能分析表

3.2.2同功率設計水泵揚程

(1)現狀水泵配套情況。現狀配套160m3/h流量水泵占機井總數的74%以上，125m3/h流量水泵占機井總數的10%以上，均大于所在區域單井穩定出水量。在不同地下水位埋深條件下，水泵配套功率25～63kW，揚程45～112m，應剩余揚程3～43m，而在現狀渠灌條件下，下泵深度過大而實際剩余揚程3～16m；流量不穩定，只能滿足渠灌、部分管灌需求。

(2)同功率配套水泵電機。以單井穩定出水量選型140m3/h、100m3/h流量水泵，與現狀160m3/h、125m3/h流量水泵相對應的同功率配套電機(25～63kW)，既不增加能耗，又可增加提水高度15～30m，剩余揚程18～39m，可滿足渠-畦灌、管-畦灌、部分滴灌需求；在地下水位埋深10～20m、40～60m范圍內機井同時還可滿足滴灌所需揚程。

3.2.3設計優化配套水泵選型

在同功率(25～63kW)配套水泵電機的基礎上，將剩余揚程小于30m的水泵揚程、配套電機提高一個等級，見表4；現狀140、80m3/h流量水泵出水量穩定，可通過調整不合理的下泵深度或提高配套功率等級，使區域內所有機井配套設施能滿足滴灌工程所需揚程，滿足渠-畦灌、管-畦灌和滴灌等不同灌溉的所需揚程。

3.3 不同水泵流量與灌溉面積、管道管徑分析

(1)在畦灌、滴灌條件下，1603m/h、140m3/h流量水泵均可達現狀最大灌溉面積530畝，上游區域1603m/h水泵流量設計優化調整為140m3/h，其配套的輸水主管管(外)徑可由225mm降為200mm，可節約投入20.87%，見表6。

表5 不同地下水位埋深條件下水泵配套評價與優化調整設計

表6 不同區域水泵流量與灌溉面積、管徑設計分析統計表

(2)中下游區域在實施渠(管)畦灌條件下，125m3/h流量水泵控制灌溉面積可達500畝；實施滴灌條件下100m3/h流量水泵也可達現狀最大灌溉面積530畝。將區域內125m3/h流量水泵設計調整為100m3/h，雖然輸水主管管徑不能減小，而同功率水泵提水高度增加6m以上，和現狀單井控制面積相穩合。

(3)下游區域100m3/h流量水泵控制灌溉面積可達400畝，80m3/h流量水泵控制灌溉面積可達300畝。在灌溉面積小于300畝區域內流量100m3/h的水泵，設計調整為80m3/h，管灌、滴灌輸水主管徑(外)可由Φ200mm降為Φ160mm，可節約投入35.022%；在實施滴灌條件下控制灌溉面積可達530畝以上。

4 結論

(1)綜合考慮不區域的最大單井控制面積、作物種植比例、灌水周期、機泵日工作時間、機井穩定出水量、灌溉方式及灌水定額等因素，并考慮同一區域水泵的安裝、維修、運營、管理等便利條件，將現狀160、140、125、100、80m3/h五種類型的流量水泵按上游、中游、下游3區域分別優化調整為140、100、80m3/h三種流量類型水泵，在地下水位12～60m時，配套電機功率37～55kW比現狀0～8kW，剩余揚程30m以上，使機井在整個灌溉期內水量穩定，能滿足畦灌、管灌、滴灌等不同灌溉方式下的灌溉需求，同時能達到所控灌溉面積的適時適量灌溉目標，既可提高能灌效，又便于分區域集中維修和統一管理運用。

(2)設計優選的140、100m3/h流量水泵，在水位埋深12～60m范圍內，與160、125m3/h流量水泵同揚程配套電機，在滿足現狀灌溉需求的情況下，水泵運行1小時可節電7～10kW·h；同功率設計揚程，提水高度可增加15m以上，不僅滿足渠(畦)灌所需水頭，而且可滿足管(畦)灌、部分區域滴灌所需水頭；輸配水管道外徑可由Φ225mm、Φ200mm分別降為Φ200mm、Φ160mm，成本減少20%～35%。特別是適應高速發展的滴灌化發展趨勢、現代化農業建設、美麗新農村建設要求。