鄂尔多斯黄河南岸灌区大首部滴灌设计及应用
2018-09-10郑和祥李和平刘海全郝海荣苗平白巴特尔
郑和祥 李和平 刘海全 郝海荣 苗平 白巴特尔
摘要：大首部滴灌技术的应用是提高灌区灌溉水利用效率、缓解水资源供需矛盾的重要措施之一，以鄂尔多斯市黄河南岸灌区大首部滴灌技术设计为例进行分析，依据大首部工作原理、结构组成、工程布置原则、工程设计要求等对朝凯村控制面积72.0hm2的大首部滴灌系统和昌汉白村控制面积270.0hm2的大首部滴灌系统进行设计，对其关健技术参数进行分析，经监测实际运行状况良好;得出滴灌大首部各部分的技术参数应依据大首部设计的原则并结合具体工程实际确定;滴灌大首部的关键环节是沉沙和过滤系统，其中沉沙系统由进水闸、沉沙池、吸水槽等组成;过滤系统采用沙石和疊片式两级过滤;滴灌大首部系统集沉沙与过滤系统为一体，具有成本低、效率高、高度集成的优点，一个大首部可替代灌区多个传统小首部，灌溉效益、社会效益和生态效益显著。
关键词：大首部;滴灌;沉沙池;引黄灌区
中图分类号：S275.6 文献标志码：A
鄂尔多斯市黄河南岸灌区属资源型缺水区，水资源供需矛盾突出，引黄灌溉对当地农业生产极为重要，目前农业灌溉为该地区最大的用水户。社会经济的发展、气候的变化等使得水资源供需矛盾不断加剧，同时该地区灌溉水利用效率不高;鉴于黄河水具有高含沙量、高浊度的特点，目前仍以地面灌溉为主。
近年来，随着水资源的日益紧缺，黄河水滴灌已成为研究的热点。滴灌技术因其高效、精准被认为是目前最为节水的高效灌溉技术之一，在引黄灌区发展滴灌有望成为缓解水资源紧缺问题的有效途径[1-2]。
实现引黄滴灌是一个世界性难题，其中对黄河水进行泥沙过滤最为关键，大量学者从沉淀池优化设计、过滤器选型与组合配置以及运行调控等多途径来控制泥沙，取得了一些较有意义的成果。李虎[3]开展了引黄灌区滴灌水源沉沙池设计，依据黄河水泥沙特性及滴灌对水质的要求，对沉沙池进行了计算;郝林等[4]开展了黄河水喷滴灌系统中泥沙处理工程的设计选型研究，设计选择了以黄河水为水源、满足喷滴灌水质要求的泥沙处理工程型式，为引黄灌区采用黄河水喷滴灌提供了黄河水泥沙处理的工程设计选型经验;何建村[5]开展了河水滴灌重力沉沙过滤池的设计、施工及运行管理研究;陈秀松[6]开展了新疆木金县三畦村节水灌溉设计，进行了自压滴灌、加压滴灌、重力式沉沙池、减压措施、管网布置、管材选择等多项研究。
随着科技的发展和生产实践经验的积累，采用大首部进行沉沙、过滤、加压、施肥等综合技术成为滴灌发展的一个重要方向，大首部技术具有以下优势：沉沙与过滤系统为一体，具有高度集成的优点;大首部的设计定位于水力冲沙，建成后无需人力排沙，运行管理强度低、成本低;大首部池滤网板过滤器处于常压工作状态，被阻挡的泥沙颗粒仅附着于其表面，过滤效率高[7-9];工作状态时，其表面会产生侧向水冲力，可将附着的泥沙颗粒冲掉，实现自清洗;一个大首部可替代灌区多个传统小首部，有效节约工程占地。传统的小首部一般由一个沙石过滤器、一个网式或叠片过滤器、一个施肥施药装置组成，控制面积多在500亩（15亩=1hm2）以下，以地下水灌区应用为主;大首部结构较为复杂，除了包括引水渠、沉沙池、泵站外，一般还有多组过滤系统、多组施肥施药装置及计量控制系统等，其控制面积在500亩以上，面积较大的达几万亩，以地表水灌区应用为主。
鄂尔多斯市黄河南岸灌区通过实施一期水权转换完成了节水工程水量指标转换，提出了全面推进引黄灌区现代农业建设新的目标、任务及要求，在南岸引黄灌区内全面建设以节水为中心的高效节水技术装备和配套工程，采用先进的大首部滴灌高效节水技术，建设和改造集约化、标准化的高效节水农业区。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
以黄河南岸灌区杭锦旗滴灌工程为研究对象，研究区位于鄂尔多斯市杭锦旗朝凯村和昌汉白村。杭锦旗位于鄂尔多斯高原西北部，东西长197km，南北宽166km，总土地面积18914.5km2：东与达拉特旗、东胜区相邻，西南与乌审旗、杭锦旗接壤，北部与巴彦淖尔市隔黄河相望。
研究区属于中温带大陆性气候区，常年干旱少雨，冬季漫长而寒冷，夏季温和而短促。春秋气温变化剧烈，春季风沙天气多，气候干燥，蒸发量大，日照充足。年平均气温为5.6℃，年平均日照时数为3129.5h，全年无霜期约为140d，多年土壤最大冻结深度为1.5m。多年平均降水量为281.2mm， 6-8月降水量占全年降水量的68%，降水量年际变率大，多数时间处于干旱状态。年平均蒸发能力为2630.0mm，是年平均降水量的9.4倍。多年平均风速4.1m/s，冬春两季为大风季节，且携沙量大，最大风速24.3m/s，风力强，沙尘天气多，每年沙暴日数在21～55d之间。土壤为灌淤潮土和风沙土。
1.2 研究区工程情况
研究区位于鄂尔多斯市黄河南岸灌区，属杭锦旗黄河南岸灌区昌汉白灌域。朝凯村项目区灌溉面积72.0hm2，昌汉白村项目区灌溉面积270.0hm2，两个项目区各建滴灌大首部一套;朝凯村和昌汉白村项目区田间管网直接与各地块现状滴灌首部泵站工程连接，现状首部泵站、沉沙池和引水渠等工程均由水权转换工程项目建设，每个项目区建设内容包括引水渠、沉沙池、取水泵站、滴灌首部、滴灌带、水量计等。项目区主要种植作物为玉米，利用黄河水进行滴灌，灌水渠系分为总干渠、引水渠2级渠道，项目区渠道已全部衬砌。
1.3 滴灌大首部
大首部主要由引水渠、沉沙池、泵站、过滤器、施肥器、计量设备、控制系统等七部分组成，大首部滴灌系统布局见图1。
大首部工作原理：首先是沉淀与过滤，灌溉水从引渠进入沉沙池，经过初步沉淀后大颗粒泥沙沉淀于池底，表层清水通过侧向溢流堰经过滤网过滤后进入清水池;然后是冲洗和排沙，当集污槽和沉淀池达到设计淤积厚度时，打开冲沙闸门，沉淀和过滤的泥沙被水流冲至池外;最后是加压提水与过滤，水泵提水接施肥器、过滤器后通过计量设备和控制系统由输水管道向田间供水。
大首部工程布置原则：根据区域的地形、土壤、水文地质条件及滴灌技术要求，因地制宜进行总体布置和安排，首先满足现代农业建设的总体要求和战略布局，满足灌区高效节水和全面提升灌溉水平的要求，工程总体布置要做到符合规范，高效运行，节水、节能、节地、增产、增收，提高灌溉水的利用率及生产率。工程的具体布置原则：取水泵站建设有利于运行管理、有利于用水调度与监测，以实现低能耗、高效率、安全供水;沉沙池尽量布置在荒地或集体的耕地上，避免产生占地矛盾;引水渠工程改造布置应尽量利用旧渠道，以减少占地及工程投资，新渠道布置应尽量顺直，做到布局合理、配水及时、高效输水、管理方便;大田滴灌區布置应满足滴灌适宜的地形、土壤、水文地质等条件。
大首部工程设计要求：工程布局应与项目区现状结合，尽量少破坏耕地、林地;力求管道总长最短，尽量减少穿越建筑物;根据项目区土壤、作物、气候等条件，尽量立足当前，兼顾长远，优化系统布置;综合考虑项目区内林、路、输电线路、水源等的位置关系，考虑多目标综合利用，充分发挥已有水利工程的作用。降低系统投资和运行费用，使系统运行管理方便，工作稳定可靠;输配水管道沿地势较高位置布置，支管垂直于作物种植行布置，毛管平行于作物种植行布置，管道纵坡力求平顺;满足各支管用水要求，管理维护方便;按照设备技术推荐值，结合项目区实际情况进行设计。
2 系统设计与效益分析
2.1 水源泥沙分析
现阶段，国内滴灌系统水源的泥沙处理方式多为沉沙池和组合过滤器结合，不同情况的水源应选择不同的组合方式。一般对于泥沙含量较大的水源，首先采用沉沙池对水流中泥沙进行预沉淀，确保进入滴灌系统首部的水流含沙量符合标准。因此，应对沉沙池设计参数进行慎重选择，滴灌工程沉沙池参数受泥沙含量与颗粒组成两个关键因素影响。
鄂尔多斯市黄河南岸灌区取水口水流取样分析表明，泥沙含量较大，多年平均含沙量4.3kg/m3，浊度4300mg/L;多年平均引水含沙量9.7kg/m3，浊度9720mg/L;其中7-11月的平均含沙量20.56kg/m3。根据实测数据可知，所引河水中泥沙颗粒小于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%。根据微灌规范，从多泥沙水源取水时，应设置沉沙池和过滤器，除泥沙粒径标准一般按灌水器出水孔径的1/10设计，即要求过滤器能将大于1/10的流道直径的泥沙、杂质拦截。采用的灌水器最小出水孔径为1mm，应沉降粒径0.1mm以上的泥沙，沉沙池和过滤器应按处理粒径0.1mm以上泥沙设计，才能满足滴灌设备用水要求。
2.2 引水渠设计
引水渠是连接灌区中已有渠道向沉沙池输水的渠道，朝凯村、昌汉白村两个项目区均利用灌域中已有灌溉渠道通过新建引水渠进行引水，对应的渠系建筑物满足渠系输水、分水、连接及交通等要求。每个项目区设引水渠1条，渠道断面形式、设计流量基本保持与原渠道一致，每条引水渠配套进水闸1套。
在引水渠各要素设计时，其渠道断面、渠道流量、渠道纵坡、水位、糙率、边坡系数、渠堤超高及堤顶宽度等的确定要综合考虑原渠道的供水能力、灌区各灌溉单元的需水量、作物种植结构、灌溉制度等因素。朝凯村、昌汉白村两个项目区的渠道断面均为梯形断面，渠道纵坡坡比为1/2500;渠道水位以满足现状运行水位为原则;衬砌渠道为全断面预制混凝土板护砌，糙率为0.016;断面内、外边坡坡比均为1：1;渠堤超高为0.2m，堤顶宽为1.0m。实际运行状况表明朝凯村、昌汉白村两个项目区引水渠设计能够满足取水要求。
2.3 沉沙池设计
沉沙池系统由进水闸、沉沙池、吸水槽等组成。朝凯村、昌汉白村两个项目区进水闸为垂直斗渠布置，沉沙池平行农渠布置，末端设吸水槽、溢水口，余水从溢水口回流农渠。
沉沙池设计原则：其基本要求是满足滴灌设备对灌溉水质的要求。沉沙池设计在遵循安全、可靠、实用、节省投资的前提下，坚持的设计原则是沉沙池规模首先要满足灌溉水量及滴灌设备对水质标准的要求;沉沙池应尽量利用已有工程，应与供水渠及现有工程相衔接;沉沙池规模在满足滴灌水质要求前提下，要尽量小，以减少投资;沉沙池结构应满足抗冻防渗要求[10-11]。
项目区考虑水源泥沙特性，沉沙处理方案为将渠水引入沉沙池中进行沉淀，使水质达到滴灌的浊度指标，并用组合过滤器对水流泥沙进一步处理。沉沙池主要处理粒径0.10mm以上的泥沙，并使浑水的浊度不大于1000mg/L，项目区沉沙池的断面结构为矩形断面混凝土结构。
沉沙池工作宽度按下式计算[12]：式中：Bp为沉沙池工作宽度，m;Qp为通过沉沙池的工作流量，m3/s;Hp为沉沙池工作水深，m;V为沉沙池平均流速，m/s。
沉沙池工作流量按滴灌设备工作流量计算，沉沙池工作水深取沉沙池深度的70%;沉沙池平均流速可根据沉淀的泥沙粒径选用，平均流速取0.005m/s[12]。
沉沙池工作长度按下式计算[12]：式中：Lp为沉沙池工作长度，m;ξ为安全系数，取1.2[12];ω为泥沙沉降速度，取ω=0.1669mm/s[10]。
沉沙池出口含沙量按下式计算：式中：S为沉沙池出口含沙量，kg/m3;S0为沉沙池进口含沙量，kg/m3;e为常数，取2.71828[12];α为与泥沙粒径有关的系数，取0.4[10];z为泥沙悬浮指数;L为沉沙池总长度，m;h为沉沙池平均水深，m。
滴灌沉沙池水力计算结果见表1。
2.4 水泵选择
考虑项目区地处引黄灌区，气候较恶劣，水源为黄河水，泥沙含量大，引水前池水深较浅，项目区周边类似工程不同泵型运行状况等因素，为保证水泵经久耐用，选择单级双吸离心泵。此外，在水泵进水口安装止回阀，起到防止水倒流的作用，解决每次停机再启动需要灌水的难题，并且底阀可以防止突然停机水倒流造成电机反转，发生危险情况。
根据朝凯村、昌汉白村两个项目区灌溉制度和工作制度的要求，选定设计流量为200m3/h，水泵进水管管径为200mm、出水管管径为370mm，管长均为10m。由于水位变幅较小，水泵运行工况较稳定，因此水泵的需要扬程为总干管入口工作压力水头、动水位、水头损失、过滤施肥设备水头损失、滴灌带正常工作压力水头之和。根据两个项目区工程计算，朝凯村项目区配水泵2台，昌汉白村項目区配水泵5台，均为单级双吸泵（型号为KQSN200-M13/188）。两个项目区近3a实际运行状况表明，水泵选择较为合理，能够满足灌水要求。
2.5 过滤和施肥方案设计
滴灌大首部系统还包括过滤器、施肥罐等。一般将施肥罐安装在过滤器前，防止肥液中未溶化的细粒进入滴灌带堵塞滴头，保证滴灌带正常运行和延长寿命。
过滤系统应根据水源水质情况进行选择，本项目所用黄河水含沙量大，根据微灌技术对水质的要求[13]，该系统采用两级过滤，根据系统实际运行的流量，确定过滤器的工作技术参数。第一级过滤器采用沙石过滤器，可以过滤大部分泥沙;第二级采用叠片式过滤器，对水质进一步进行净化，确保滴灌带的长期安全运行。为了方便管理，叠片过滤器选用全自动反冲洗叠片过滤系统，以实现自动反冲洗功能。两个项目区过滤设备相同，对应设计流量条件下的过滤设备型号见表2，其中：朝凯村项目区配设沙石过滤器4套、叠片过滤器2套，昌汉白村项目区配设沙石过滤器10套、叠片过滤器5套。
施肥设备是滴灌系统的重要组成部分，项目区采用压差施肥罐，按照规程计算得出两个项目区滴灌设计流量为200m3/h的系统施肥罐容积为200L[10]，其中朝凯村项目区配施肥罐2套，昌汉白村项目区配施肥罐5套。
2.6 田间管网设计
一般的滴灌系统控制面积较小，田间管道多为干管、支管和滴灌带三级系统;而大首部滴灌系统控制面积较大，管道一般按四级设计，即干管、分干管、支管和滴灌带。滴灌带垂直分布在支管的两侧，平行作物种植方向布置;支管分布在分干管的两侧，支管长度以控制滴管带的灌溉需水量确定;分干管根据地块实际长度按“丰”字形分布在主干管两侧。
大首部滴灌系统中干管和分干管为低压输水管道，一般采用压力为0.63MPa的PVC管道，支管选择Φ90PE软带;毛管选择内镶式滴灌带，外径为16mm，灌水器流量为3.0L/h。滴头间距根据地形特点，朝凯村、昌汉白村两个项目区的支管、滴灌带均采取顺逆坡布置，支管长度按逆坡40m、顺坡60m布置;毛管双侧长度不超过100m，毛管一般按逆坡40m、顺坡60m布置。
2.7 效益分析
2.7.1 灌溉效益
朝凯村和昌汉白村两个项目区面积共计342.0hm2，项目区由原来的畦灌全部改造为滴灌，采用滴灌方式可有效提高项目区作物产量。根据项目区监测和调研数据，项目实施后玉米滴灌项目区节水2720m3/hm2，整个项目区每年可节水93.02万m3;项目区玉米平均增产1950kg/hm2，项目区年可增产玉米66.69万kg，按市场价格1.8元/kg计算，可增加产值120.04万元，按照水利分摊系数0.4计算，项目区灌溉新增产值48.02万元。
2.7.2 省工效益
滴灌项目实施后，与原来畦灌相比，提高了农业机械化水平和集约化程度，节省了用工，每公顷年均可省工1.2个工日，每个工日按当地劳务价150元计算，整个项目区面积共计342.0hm2，年省工效益为6.16万元，省工效益显著。
2.7.3 社会效益
大首部滴灌技术的应用，首先是增加了农民收入，根据项目区监测和调研数据，玉米滴灌可节省化肥、农药和人工开支，项目区受益农民人口756人，人均年增收635.2元，项目的实施有效提高了项目区农民收入水平和生活水平。其次是该项目的实施在水资源管理、资金管理、工程建设、技术推广、效益监测、发展思路与模式等方面形成了相对规范的成套体系，为以后节水技术的推广积累了经验;再次是可以合理开发利用水资源，提高灌溉水的利用率，缓解水资源短缺的矛盾，保证和提高农民的收入，改善农民的生活条件。
2.7.4 生态效益
大首部滴灌技术的应用解决了灌溉不及时和灌溉保证率低的问题，能够按照不同季节、不同气候条件和农作物不同生长期的实际需要科学用水，达到了既节水又增产增收的目的，在调节土壤温湿度、有效抑制农作物病虫害的发生、降低农药用量、减少环境污染、改善生态环境等方面效益显著。
3 结语
（1）滴灌大首部一般由引水渠、沉沙池、泵站、过滤器、施肥器、计量设备、控制系统等七部分组成，各部分的技术参数应依据大首部设计原则并结合具体工程实际确定。
（2）滴灌大首部的关键部分是沉沙和过滤系统;沉沙系统一般由进水闸、沉沙池、吸水槽等组成;过滤系统一般采用两级过滤，第一级过滤器采用沙石过滤器，可以过滤大部分泥沙，第二级采用叠片式过滤器。
（3）滴灌大首部系统集沉沙与过滤系统为一体，具有成本低、效率高、集成度高的优点，一个大首部可替代灌区多个传统小首部，灌溉效益、社会效益和生态效益显著。
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