鄂爾多斯黃河南岸灌區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大首部滴灌技術設計為例進行分析，依據大首部工作原理、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的大首部滴灌系統和昌漢白村控制面積270.0hm²的大首部滴灌系統進行設計，對其關健技術參數進行分析，經監測實際運行狀況良好;得出滴灌大首部各部分的技術參數應依據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節是沉沙和過濾系統，其中沉沙系統由進水閘、沉沙池、吸水槽等組成;過濾系統采用沙石和疊片式兩級過濾;滴灌大首部系統集沉沙與過濾系統為一體，具有成本低、效率高、高度集成的優點，一個大首部可替代灌區多個傳統小首部，灌溉效益、社會效益和生態效益顯著。

關鍵詞：大首部;滴灌;沉沙池;引黃灌區

中圖分類號：S275.6 文獻標志碼：A

鄂爾多斯市黃河南岸灌區屬資源型缺水區，水資源供需矛盾突出，引黃灌溉對當地農業生產極為重要，目前農業灌溉為該地區最大的用水戶。社會經濟的發展、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水的高效灌溉技術之一，在引黃灌區發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化設計、過濾器選型與組合配置以及運行調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]開展了引黃灌區滴灌水源沉沙池設計，依據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、管網布置、管材選擇等多項研究。

隨著科技的發展和生產實踐經驗的積累，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展的一個重要方向，大首部技術具有以下優勢：沉沙與過濾系統為一體，具有高度集成的優點;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;大首部池濾網板過濾器處于常壓工作狀態，被阻擋的泥沙顆粒僅附著于其表面，過濾效率高[7-9];工作狀態時，其表面會產生側向水沖力，可將附著的泥沙顆粒沖掉，實現自清洗;一個大首部可替代灌區多個傳統小首部，有效節約工程占地。傳統的小首部一般由一個沙石過濾器、一個網式或疊片過濾器、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、多組施肥施藥裝置及計量控制系統等，其控制面積在500畝以上，面積較大的達幾萬畝，以地表水灌區應用為主。

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

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以黃河南岸灌區杭錦旗滴灌工程為研究對象，研究區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。

研究區屬于中溫帶大陸性氣候區，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，蒸發量大，日照充足。年平均氣溫為5.6℃，年平均日照時數為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，多數時間處于干旱狀態。年平均蒸發能力為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，且攜沙量大，最大風速24.3m/s，風力強，沙塵天氣多，每年沙暴日數在21～55d之間。土壤為灌淤潮土和風沙土。

1.2 研究區工程情況

研究區位于鄂爾多斯市黃河南岸灌區，屬杭錦旗黃河南岸灌區昌漢白灌域。朝凱村項目區灌溉面積72.0hm²，昌漢白村項目區灌溉面積270.0hm²，兩個項目區各建滴灌大首部一套;朝凱村和昌漢白村項目區田間管網直接與各地塊現狀滴灌首部泵站工程連接，現狀首部泵站、沉沙池和引水渠等工程均由水權轉換工程項目建設，每個項目區建設內容包括引水渠、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、控制系統等七部分組成，大首部滴灌系統布局見圖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過濾網過濾后進入清水池;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由輸水管道向田間供水。

大首部工程布置原則：根據區域的地形、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，首先滿足現代農業建設的總體要求和戰略布局，滿足灌區高效節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范，高效運行，節水、節能、節地、增產、增收，提高灌溉水的利用率及生產率。工程的具體布置原則：取水泵站建設有利于運行管理、有利于用水調度與監測，以實現低能耗、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現狀結合，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;根據項目區土壤、作物、氣候等條件，盡量立足當前，兼顧長遠，優化系統布置;綜合考慮項目區內林、路、輸電線路、水源等的位置關系，考慮多目標綜合利用，充分發揮已有水利工程的作用。降低系統投資和運行費用，使系統運行管理方便，工作穩定可靠;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，結合項目區實際情況進行設計。

2 系統設計與效益分析

2.1 水源泥沙分析

現階段，國內滴灌系統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，確保進入滴灌系統首部的水流含沙量符合標準。因此，應對沉沙池設計參數進行慎重選擇，滴灌工程沉沙池參數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。根據實測數據可知，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%。根據微灌規范，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、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、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進水閘為垂直斗渠布置，沉沙池平行農渠布置，末端設吸水槽、溢水口，余水從溢水口回流農渠。

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、節省投資的前提下，堅持的設計原則是沉沙池規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，應與供水渠及現有工程相銜接;沉沙池規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，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，取2.71828[12];α為與泥沙粒徑有關的系數，取0.4[10];z為泥沙懸浮指數;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

考慮項目區地處引黃灌區，氣候較惡劣，水源為黃河水，泥沙含量大，引水前池水深較淺，項目區周邊類似工程不同泵型運行狀況等因素，為保證水泵經久耐用，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，發生危險情況。

根據朝凱村、昌漢白村兩個項目區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。根據兩個項目區工程計算，朝凱村項目區配水泵2臺，昌漢白村項目區配水泵5臺，均為單級雙吸泵（型號為KQSN200-M13/188）。兩個項目區近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。

過濾系統應根據水源水質情況進行選擇，本項目所用黃河水含沙量大，根據微灌技術對水質的要求[13]，該系統采用兩級過濾，根據系統實際運行的流量，確定過濾器的工作技術參數。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，以實現自動反沖洗功能。兩個項目區過濾設備相同，對應設計流量條件下的過濾設備型號見表2，其中：朝凱村項目區配設沙石過濾器4套、疊片過濾器2套，昌漢白村項目區配設沙石過濾器10套、疊片過濾器5套。

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

2.6 田間管網設計

一般的滴灌系統控制面積較小，田間管道多為干管、支管和滴灌帶三級系統;而大首部滴灌系統控制面積較大，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;毛管選擇內鑲式滴灌帶，外徑為16mm，灌水器流量為3.0L/h。滴頭間距根據地形特點，朝凱村、昌漢白村兩個項目區的支管、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面積共計342.0hm²，項目區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作物產量。根據項目區監測和調研數據，項目實施后玉米滴灌項目區節水2720m³/hm²，整個項目區每年可節水93.02萬m³;項目區玉米平均增產1950kg/hm²，項目區年可增產玉米66.69萬kg，按市場價格1.8元/kg計算，可增加產值120.04萬元，按照水利分攤系數0.4計算，項目區灌溉新增產值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，提高了農業機械化水平和集約化程度，節省了用工，每公頃年均可省工1.2個工日，每個工日按當地勞務價150元計算，整個項目區面積共計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，首先是增加了農民收入，根據項目區監測和調研數據，玉米滴灌可節省化肥、農藥和人工開支，項目區受益農民人口756人，人均年增收635.2元，項目的實施有效提高了項目區農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、效益監測、發展思路與模式等方面形成了相對規范的成套體系，為以后節水技術的推廣積累了經驗;再次是可以合理開發利用水資源，提高灌溉水的利用率，緩解水資源短缺的矛盾，保證和提高農民的收入，改善農民的生活條件。

2.7.4 生態效益

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、不同氣候條件和農作物不同生長期的實際需要科學用水，達到了既節水又增產增收的目的，在調節土壤溫濕度、有效抑制農作物病蟲害的發生、降低農藥用量、減少環境污染、改善生態環境等方面效益顯著。

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、控制系統等七部分組成，各部分的技術參數應依據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;沉沙系統一般由進水閘、沉沙池、吸水槽等組成;過濾系統一般采用兩級過濾，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）滴灌大首部系統集沉沙與過濾系統為一體，具有成本低、效率高、集成度高的優點，一個大首部可替代灌區多個傳統小首部，灌溉效益、社會效益和生態效益顯著。

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