引黃灌區黃河水滴灌關鍵技術研究與示范

史吉剛,李 瑋,張瑞喜,馬 鑫,于 健,屈忠義,陸圣女

(1.內蒙古自治區水利科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010052；2.內蒙古農業大學，內蒙古 呼和浩特 010018；3.呼和浩特市科兆豐水業勘測設計有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

內蒙古引黃灌區是我國重要的糧食生產基地，同時也是自治區重要的能源化工基地。引黃灌區中呼和浩特、包頭、鄂爾多斯三市經濟總量約占自治區50%，財政收入約占60%[1]。然而，引黃灌區水資源總量僅占全區的8.65%，用水總量約占全區的50%左右[2]。隨著內蒙古自治區經濟與社會快速發展，引黃地區水資源供需矛盾將進一步加劇。必須大力發展引黃灌區高效節水技術，提高水分利用效率，實現農業高效節水，使有限的水資源通過優化配置，滿足工業與其他行業用水增長需求，保障自治區經濟與社會可持續發展。

滴灌是目前最有效的節水技術之一，水的利用率可達95%[3]。可按照作物需水要求，將水和養分混合均勻后緩慢地滴入作物根區，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積累，增加作物產量與品質。相比地面灌溉，滴灌可顯著降低土壤無效蒸發、降低化肥施用量、減輕面源污染。然而引黃灌區發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)滴灌用水量調蓄。(3)滴灌配套技術適應性問題。針對上述問題，以內蒙古河套河區為研究背景，項目系統研究了滴灌泥沙過濾、滴頭抗堵新產品及滴灌水源調蓄等關鍵技術，提出了泥沙過濾與滴頭技術新模式、滴灌水源調蓄措施以及適宜配套技術。

1 泥沙過濾與滴頭抗堵新技術模式

黃河水泥沙含量高且細微粒含量比例大。河套灌區總干渠作物生育期內多年平均含沙量為4.5 kg/m3，進入到總干渠的泥沙顆粒粒徑小于0.005 mm約占到50%。按照現有滴灌水質標準(≤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到這樣的水質標準，通常都要采用工程與機械相結合的四級過濾模式。工程過濾要修建體積較大的沉淀池，灌區占地問題難以解決，同時，清理泥沙費用也高。黃河水中大量養分在泥沙沉淀與過濾過程中被去除，造成養分流失。

過濾與滴頭抗堵新技術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網式過濾器，過濾大顆粒泥沙與雜質。通過篩選出的適宜灌水器，將大部分細顆粒泥沙隨滴頭出水排入到田間。沉積在毛管內的泥沙在灌水結束后，通過毛管尾端的輔助沖洗支管進行定時沖洗，沖洗水量占灌溉水量的1.0%～1.7%。

該新技術模式無需在首部修建容積較大的沉沙池，改變了傳統的泵后過濾器易堵塞、反沖洗用水量大、壓損較高的缺點。使黃河水中大量營養物質輸送至田間，避免了因過濾而使黃河水中大量營養物質流失。比傳統四級過濾模式運行管理維護費用低，占地面積較少，可大幅節約成本。

2 泥沙過濾新產品

泵前低壓旋轉網式過濾器(見圖1)由雙浮筒做浮體，將低壓旋轉網的濾筒及濾筒旋轉驅動裝置和反沖洗結構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，過濾泥沙顆粒可達300目，能有效處理水體中細小的懸浮物；同時可適應不同的水位要求，保證過濾水均為表層低懸浮濃度的水；微過濾機敝開設計，濾網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，濾網再生效果好。

圖1 泵前低壓滲透微濾機

3 滴灌水量調蓄

由于受灌區輪灌制度的影響，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。為了對灌區各級渠道供水保證程度做出準確評價，本研究統計分析了河套灌區近15 a支渠以上級別渠道行水、停水時間等資料。在作物關鍵生育期內總干渠停水時間為12 d，干渠、分干渠及支渠停水時間不同灌溉區域之間差別較大，分別為10～43 d、27～61 d與30～61 d。越往灌區下游，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，本項目提出兩種水量調蓄方案：(1)選擇級別較高渠道作為滴灌水源，在渠道運行期間，可直接從渠道中取水。在渠道停水期間，利用區段之間節制閘控制，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域，適當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上、中游烏蘭布和灌溉區域與解放閘灌溉區域干渠，上述渠道均為國管渠道、多有防滲措施、渠道水利用系數比較高，水量損失小，渠道斷面尺寸較大，能夠在停水期內儲存滴灌用水，在渠道兩岸農田可發展直接引黃滴灌。通過對河套灌區各級渠道調研及遙感分析，第二種方案基本是在烏蘭布和灌溉區域內沈烏干渠與東風渠兩側，有部分閑置荒地，可滿足建設調蓄水池條件。

4 配套技術

由于引黃滴灌投資比井灌區滴灌高，因此，要充分利用配套技術，才可實現滴灌節水與高效目標。這些配套技術需要進行一定研究與完善，以適應當地條件。其中有“干種濕出”以及水肥一體化技術。

引黃灌區大部分地區都要秋澆或春匯，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。在傳統漫灌條件下，取消秋澆或春匯，作物出苗率難以保證。實施“干種濕出”技術可有效解決這一難題。“干種濕出” 技術即在沒有秋澆(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行滴水。采用這項技術為作物早期生長提供適宜墑情條件，有效保證作物出苗率，同時可節省大量保墑秋澆水。但取消秋澆后，土壤春季容易結塊，難以耙磨平整，影響春天播種及地膜、毛管鋪設。通過研究對“干種濕出”技術做了改進，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馬力機械進行翻耕后晾曬一天，再旋耕一遍，用旋耕機破碎土壤，可解決沒有秋澆情況下春季土壤結塊問題。同時，針對河套灌區土壤質地，提出“干種濕出”技術具體規程。

項目研究了河套灌區不同礦化度(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-20 kPa作為控制灌水下限，當礦化度低于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，滴灌灌水次數控制在11～13次。向日葵張力計控制-30 kPa作為灌水下限，當礦化度低于1.5 g/L，灌溉定額為240 mm；當礦化度在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

從2013年以來，分別采用渠道直接取水與修建調蓄水池方案在河套灌區上游磴口沙金套海、中游臨河九莊建設了兩處引黃滴灌示范區。兩個示范區全部采用抗堵性能較好的內鑲貼片式滴頭。

臨河九莊滴灌示范區位于河套灌區總干渠二閘與三閘之間，示范區面積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(泵前低壓旋轉網式過濾器)后直接進入滴灌管路系統。示范區種植作物有玉米、向日葵以及番茄，全年灌水10～12次。經對滴灌系統滴頭出水均勻度測試，灌水10次左右，滴灌系統均勻度仍可達到80%左右。沙金套海示范區地處烏蘭布和沙漠邊緣，示范區緊鄰沈烏干渠建設二分干，該渠道每年停水時間約在20 d左右，且渠道兩側具備修建調蓄水池土地條件，示范區修建兩處容積為6萬m3調蓄水池，每個調蓄水池控制面積為100 hm2。采用兩種過濾模式，第一種模式為泵前低壓旋轉網式過濾器+碟片式過濾器；第二種為采用傳統四級過濾模式：沉淀池+泵前安裝漂浮網式過濾器+泵后安裝砂石過濾器+碟片式過濾器。經過3 a運行檢驗發現，第二種過濾模式缺少泵前低壓旋轉網式過濾器，造成泵后過濾器反沖洗次數頻繁、浪費水量大以及能耗高，而且砂石過濾器每年需要換砂清洗，維護費用高。第一種模式充分顯示其優越性，建設費用低、過濾效率高、管理維護方便，大量節省反沖洗水量，而且也保證了滴灌系統灌水均勻性。與第二種過濾模式相比，該模式建設與運行成本分別降低48.3%與28.5%。該示范區大部分為棄置荒地，土壤肥力低，沙化比較嚴重。由于有效解決了滴頭堵塞問題，保證較大面積范圍內滴灌系統均勻出水。示范區建成后第二年玉米與向日葵產量分別達到11 250 kg/hm2、3000 kg/hm2。

6 結 論

本文以河套灌區為研究對象，針對采用黃河水作為滴灌水源所面臨的泥沙過濾、水量調蓄以及高效利用等突出問題，通過研究分析獲得如下結論：

(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模式。在滴灌首部泵前安裝低壓旋轉網式過濾器，過濾大顆粒泥沙與雜質。通過篩選出的適宜灌水器，將大部分細顆粒泥沙隨滴頭出水排入到田間。沉積在毛管內泥沙通過毛管尾端的輔助沖洗支管進行定時沖洗。該新技術模式改變了傳統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。避免了因過濾而使黃河水中大量營養物質流失。運行管理維護費用低，占地面積較少，可大幅節約成本。

(2)泵前低壓旋轉網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，可適應不同的水位要求，反清洗效率高，濾網再生效果好。

(3)河套灌區滴灌水量調蓄方案：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上、中游烏蘭布和灌溉區域與解放閘灌溉區域的干渠。第二種方案基本是在烏蘭布和灌溉區域內沈烏干渠與東風渠兩側有部分閑置荒地，可滿足建設調蓄水池條件。

(4)“干種濕出”技術可有效解決春天作物保苗，同時可節省大量保墑秋澆水。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。配合農機措施，可解決沒有秋澆情況下，春季土壤結塊問題。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%。

上述技術與產品分別在河套灌區上游磴口沙金套海、中游臨河九莊示范區進行了示范應用，充分顯示其優越性，保證了較大面積滴灌系統灌水均勻性，取得了較好的示范效應，可為黃河水滴灌提供可借鑒的成功經驗。