石羊河流域井灌区高效节水灌溉系统经济流量与配套设计与优化分析

李 欢，石 磊，魏宗儒，杨昌钰，石培泽

(1.武威市水利水电勘测设计院有限公司，甘肃 武威 733000;2兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021；3.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；4.甘肃新一工程咨询有限公司，甘肃 武威 733000)

1 问题提出

石羊河流域山前洪积-冲积细土平原从上中游到下游有永昌、清源、金羊三大纯井水灌区，已建机电井3618眼，控制灌溉面积3.92万km2。经石羊河流域综合治理安装智能化计量配套机电井3000眼，井深60～100m，单井灌溉面积60～530亩，地下水静水位7～60m，位于细土平原的永昌、清源、金羊三大纯井水灌区及井河混灌区，以制种玉米、大田玉米、小麦，日光温室蔬菜、陆地蔬菜和瓜果等粮经作物为主，是全区土地利用率最高、产出能力最强的高产稳产农业区，主体功能定位为优质粮食主产区、绿色蔬菜生产区、高效园艺示范区。

主要问题有：分配水权难以满足作物适时适量灌溉需求，部分时段部分作物受旱严重；灌溉设施设备不配套，水泵选型不合理，灌溉效能效率低；水资源供需存在矛盾，灌溉高峰时期井出水量严重减少，延期灌溉现象经常出现，难以达到适时适量灌溉。

发展管灌、滴灌等高效水工程是缓解水资源供需矛盾的有效措施和今后重点发展趋势；以现有机电井为中心，配套建设高效能的机电设施和高效率管道输水工程以达到单井效益高、耗能低、灌水成本小的目的，促进有限水资源的可持续利用，推动经济、社会、生态效益的持续增长势在必行。

2 现状分析

2.1 研究方法

在井水灌区选择了需要实施高效节水农田面积最大的永昌镇、具有连片规模效益的清源镇发展村、位于沙漠边沿洪水河上中游的吴家井镇吴家井村、生态移民的九墩滩生态建设指挥部的富康8组、土地流转规模滴灌的新西新东村内155眼机井的单井灌溉面积，水泵额定流量与扬程，配套电机功率，地下水静、动水位及水泵安装高(深)度、出水量等进行了文案资料收集，并通过统计分析和灌溉高峰期和非高峰期重点实地调查测试方法进行验证。调查井数、调查面积占井灌区内总井数、总配水面积的4.3%、7.8%，分类情况见表1。

表1 井灌区灌溉面积调查统计分析表

2.2 基础条件

(1)井水灌区主要属石羊河流域山前洪积-冲积细土平原，地形南高北低，地势平坦，土质沙性，土壤类型主要为沙土、沙壤土、沙壤粘土。土壤较肥沃，以地下水作为灌溉水源，水利条件较好，是凉州区现代农业基地。

(2)祁连山区是地表水及地下水的主要产水区，山前断陷盆地的南部是地表水入渗补给地下水的主要区域，盆地中部是地下水的径流区和开采、灌溉回归区，盆地北部是地下水的溢出排泄区。

(3)区内有良好的适于地下水储存的地层条件，是地下水富集带，广泛分布着潜水——承压水。砂砾、砂层为含水层，由2～3层组成，隔水的不透水层是粘土、亚粘土。含水层厚度100～150m，单位涌水量3～10L/(s·m)，单井出水量非灌溉高峰期及丰水期秋冬春80～160m3/h以上，灌溉高峰期及枯水期80～150m3/h以下，自上游到下游逐渐减小。

2.3 存在问题

(1)调查表明，灌区内单井控制灌溉面积68～530亩，其中面积大于等于500亩的占调查面积的2.28%、小于100亩占0.53%、200～400亩占70%以上、大于500亩的机井只有2眼，占调查机井的1.29%。水泵额定流量80、100、125、140、160m3/h，其中额定流量160m3/h的占调查井的73%，额定流量80、140m3/h不到15%，额定流量125m3/h的占12%。实际最大灌溉系统计算流量均小于现有灌溉配套水泵流量，见表1。

(2)据调查，在现状井灌区3个区域内，下游区域配有80、100m3/h额定流量的水泵，以80m3/h为主；中游区域配有80、100、125m3/h额定流量水泵，以125m3/h为主；上游区域配有125、140、160m3/h额定流量水泵，以160m3/h为主。灌溉非高峰期及刚启动最大单井出水量可达水泵额定流量；灌溉高峰的夏季机井出水量减小14%～23%以上；73%～85%的机井配泵流量高于区域内稳定出水量，提水效率严重下降，配泵流量与区域稳定流量不相适。

(3)地下水静水位10～60m，配套水泵扬程30～112m，下泵深度高达27～108m，配套电机高达37～63kW，机电扬程不配套，耗能较高。

3 机电提水设施与管道配套设计优化

3.1 经济流量设计分析

(1)水泵设计流量应小于等于所在区域地下水单井稳定出水量的下限值。灌区内机井稳定出水量自上游的150～140m3/h减少到中游的140～100m3/h、下游的100～80m3/h，将现状5种类型的水泵流量优化调整为140、100、80m3/h，可满足现状灌溉范围内畦灌和管灌、滴灌结合的灌溉需求。在高效滴灌条件下，水泵设计流量还可减少；为便于统一管理维修运用，还可缩小灌水周期，提高适时适量灌溉保证性，有条件时还可扩大灌溉面积，流量分析见表2。

表2 不同区域不同灌溉方式下的水泵设计流量分析 单位：m3/h

(2)水泵设计流量应满足所控灌溉面积所需最大灌溉系统流量。石羊河流域井灌区在现行渠(畦)灌条件下，面积530400亩系统流量小于139m3/h，面积400～300亩系统流量小于105m3/h，面积300亩系统流量小于78m3/h；在管灌、滴灌条件下，最大系统流量分别小于130、80m3/h，设计水泵流量140m3/h和80m3/h；在渠畦灌、滴灌条件下，灌溉面积均可达530亩以上，设计水泵流量100m3/h；在管畦灌条件下，灌溉面积可达400亩以上，见表3。

表3 不同灌溉方式不同灌溉面积系统流量分析计算表 单位：m3/h

(3)不同区域内以稳定出水量的下限值作为配泵流量的上限值在现状条件下即可满足最大灌溉面积的系统流量，又能确保灌水周期内机井出水量稳定并达适时适量灌溉。根据不同区域灌溉方式、机井稳定出水量、可控灌溉面积等因素分析计算，上中游水泵流量可由现状的160、125、100m3/h调整为140、100、80m3/h，可达现状额定流量水泵的同等灌溉效应。

3.2 水泵扬程及配套电机优化分析

3.2.1同扬程配套电机功率

在优化和满足灌溉需求的水泵流量140、100、80m3/h和现状水泵160、140(或125)、125(或100)m3/h相比，在地下水位埋深10～30m范围内，维持现有水泵扬程的情况下，并满足现状灌溉需求，配套电机功率可由现状的25～37kW降为22～30kW；水泵运行1h可节电7～10kW·h，见表4。

表4 水泵流量配套电机的设计优化与节能分析表

3.2.2同功率设计水泵扬程

(1)现状水泵配套情况。现状配套160m3/h流量水泵占机井总数的74%以上，125m3/h流量水泵占机井总数的10%以上，均大于所在区域单井稳定出水量。在不同地下水位埋深条件下，水泵配套功率25～63kW，扬程45～112m，应剩余扬程3～43m，而在现状渠灌条件下，下泵深度过大而实际剩余扬程3～16m；流量不稳定，只能满足渠灌、部分管灌需求。

(2)同功率配套水泵电机。以单井稳定出水量选型140m3/h、100m3/h流量水泵，与现状160m3/h、125m3/h流量水泵相对应的同功率配套电机(25～63kW)，既不增加能耗，又可增加提水高度15～30m，剩余扬程18～39m，可满足渠-畦灌、管-畦灌、部分滴灌需求；在地下水位埋深10～20m、40～60m范围内机井同时还可满足滴灌所需扬程。

3.2.3设计优化配套水泵选型

在同功率(25～63kW)配套水泵电机的基础上，将剩余扬程小于30m的水泵扬程、配套电机提高一个等级，见表4；现状140、80m3/h流量水泵出水量稳定，可通过调整不合理的下泵深度或提高配套功率等级，使区域内所有机井配套设施能满足滴灌工程所需扬程，满足渠-畦灌、管-畦灌和滴灌等不同灌溉的所需扬程。

3.3 不同水泵流量与灌溉面积、管道管径分析

(1)在畦灌、滴灌条件下，1603m/h、140m3/h流量水泵均可达现状最大灌溉面积530亩，上游区域1603m/h水泵流量设计优化调整为140m3/h，其配套的输水主管管(外)径可由225mm降为200mm，可节约投入20.87%，见表6。

表5 不同地下水位埋深条件下水泵配套评价与优化调整设计

表6 不同区域水泵流量与灌溉面积、管径设计分析统计表

(2)中下游区域在实施渠(管)畦灌条件下，125m3/h流量水泵控制灌溉面积可达500亩；实施滴灌条件下100m3/h流量水泵也可达现状最大灌溉面积530亩。将区域内125m3/h流量水泵设计调整为100m3/h，虽然输水主管管径不能减小，而同功率水泵提水高度增加6m以上，和现状单井控制面积相稳合。

(3)下游区域100m3/h流量水泵控制灌溉面积可达400亩，80m3/h流量水泵控制灌溉面积可达300亩。在灌溉面积小于300亩区域内流量100m3/h的水泵，设计调整为80m3/h，管灌、滴灌输水主管径(外)可由Φ200mm降为Φ160mm，可节约投入35.022%；在实施滴灌条件下控制灌溉面积可达530亩以上。

4 结论

(1)综合考虑不区域的最大单井控制面积、作物种植比例、灌水周期、机泵日工作时间、机井稳定出水量、灌溉方式及灌水定额等因素，并考虑同一区域水泵的安装、维修、运营、管理等便利条件，将现状160、140、125、100、80m3/h五种类型的流量水泵按上游、中游、下游3区域分别优化调整为140、100、80m3/h三种流量类型水泵，在地下水位12～60m时，配套电机功率37～55kW比现状0～8kW，剩余扬程30m以上，使机井在整个灌溉期内水量稳定，能满足畦灌、管灌、滴灌等不同灌溉方式下的灌溉需求，同时能达到所控灌溉面积的适时适量灌溉目标，既可提高能灌效，又便于分区域集中维修和统一管理运用。

(2)设计优选的140、100m3/h流量水泵，在水位埋深12～60m范围内，与160、125m3/h流量水泵同扬程配套电机，在满足现状灌溉需求的情况下，水泵运行1小时可节电7～10kW·h；同功率设计扬程，提水高度可增加15m以上，不仅满足渠(畦)灌所需水头，而且可满足管(畦)灌、部分区域滴灌所需水头；输配水管道外径可由Φ225mm、Φ200mm分别降为Φ200mm、Φ160mm，成本减少20%～35%。特别是适应高速发展的滴灌化发展趋势、现代化农业建设、美丽新农村建设要求。