史吉剛,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)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，同時也是自治區(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)水資源總量僅占全區(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)用水增長需求，保障自治區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會可持續(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，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養(yǎng)物質(zhì)流失。比傳統(tǒng)四級過濾模式運(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)，過濾泥沙顆粒可達(dá)300目，能有效處理水體中細(xì)小的懸浮物；同時可適應(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，各渠系行水間隔時間比較長，特別在作物生育期，各級渠道均有不同程度停水期。為了對灌區(qū)各級渠道供水保證程度做出準(zhǔn)確評價，本研究統(tǒng)計(jì)分析了河套灌區(qū)近15 a支渠以上級別渠道行水、停水時間等資料。在作物關(guān)鍵生育期內(nèi)總干渠停水時間為12 d，干渠、分干渠及支渠停水時間不同灌溉區(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，停水時間越長[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，需要修建蓄水池儲存渠道停水期滴灌用水。

針對這一問題，本項(xiàng)目提出兩種水量調(diào)蓄方案：(1)選擇級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。通過對河套灌區(qū)各級渠道調(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，待積溫滿足要求時進(jìn)行滴水。采用這項(xiàng)技術(shù)為作物早期生長提供適宜墑情條件，有效保證作物出苗率，同時可節(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“干種濕出”技術(shù)做了改進(jìn)，可將翻地時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。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，針對河套灌區(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)對滴灌系統(tǒng)滴頭出水均勻度測試，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)為研究對象，針對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，同時可節(jié)省大量保墑秋澆水。可將翻地時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。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)。