引黄灌区规模化发展滴灌投资与效益

于 健，史吉刚，李 玮，马 鑫，张瑞喜，王荣莲

(1.内蒙古水利科学研究院，呼和浩特 010051；2. 内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109)

0 引 言

黄河流域大部分地区处于干旱、半干旱区，水资源匮乏，多年平均河川径流量580 亿m3，约占全国总量的2%。农业用水效率低、工农业生态用水矛盾加剧等问题突出，严重制约黄河流域经济社会发展，黄河流域农业灌溉也面临巨大挑战，受引水量减少以及轮灌间隔时间长影响，造成作物生育期持续缺水，特别在需水高峰期缺水更为严重，农民用水得不到保证，农作物减产与品质下降，农民收益低而不稳。黄河灌区种植结构单一化趋势明显，而优势作物以及经济作物种植比例明显偏低。由于种植结构单一，受作物价格不稳定影响，农民增产不增收现象突出；黄灌区化肥用量普遍大，但肥料利用效率普遍较低，氮肥利用率只有30%，每年有大量氮肥进入到地下水或随退水进入到灌区内湖泊，造成水质富营养化，同时过量施用化肥，造成土壤质量与作物品质下降，有效减少施肥量以及农药用量，转变生产方式、降低农资成本，是新时期农业发展至关重要任务。面对上述诸多挑战，引黄灌区必须大力发展滴灌技术，提高水肥利用率，大幅度节约灌溉用水与化肥用量，有效缓解水资源供需矛盾与改善农业生态环境，促进农业种植结构调整，对于我国沿黄地区经济与社会发展，生态安全保护屏障建设都具有重大意义。黄河水滴灌由于水源调蓄以及泥沙过滤等因素，引黄滴灌相对于井水滴灌会增加工程投资。

1 黄灌区滴灌投资增加主要因素

1.1 水源调蓄

滴灌是当今世界最节水和高效的灌水技术之一。但同时滴灌也是保证率(设计保证率不低于85%)要求比较高的灌水技术，我国黄灌区来水间隔时间普遍都比较长，供水保证率普遍较低，尤其近些年受用水量增加影响，供水间隔时间加长与时间不确定问题越加突出，例如内蒙古河套灌区现有7级固定渠道，包括总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗、农以及毛渠，控制着5个大灌域，总控制灌溉面积为57.33 万hm2(860万亩)，统计分析最近15年灌区灌水时间，各轮次灌水间隔时间一般都在10～20 d，最长间隔时间有30 d以上。而滴灌灌水周期仅仅几天，灌水频率高，当渠道来水不能满足滴灌需要时，通常需修建容积较大的蓄水池进行水量调蓄，修建蓄水池产生很大土方开挖量，并要做防渗工程措施，这将引发工程投资增加和大量征用土地的费用。

1.2 泥沙沉淀过滤

黄河水泥沙含量高且细微粒含量比例大，即使在黄河中游地区灌溉季节泥沙含量平均在每方水4.5 kg左右，内蒙古昭君坟水文站4-9月份平均2.5 kg/m3，粒径<0.05 mm 颗粒占全部泥沙总量的70%以上，而且泥沙化学成分中以硅铁铝化合物为主，具有很强的吸附性。由于过滤与沉淀泥沙量大，通常需要经过平流式沉沙、斜板沉沙、沙介质过滤器以及叠片过滤器等多级过滤，在个别含沙量较大情况下，除了采用上述过滤措施外，还需要添加化学吸附剂；目前解决黄河水滴灌中泥沙过滤，大多采用常规水质处理工艺，即首部工程措施与机械过滤设备相结合的模式，工程措施中以平流沉沙池 + 过滤墙 + 蓄水池的形式居多，部分有闲置土地条件地方采用调蓄与沉沙一体池，即解决水源调蓄，也起到部分沉沙作用。但无论采取哪种工程过滤形式，投资都比较大，而且后期泥沙清淤以及运行维护费用也比较高。

1.3 滴头抗堵性

目前大多数滴灌灌水器流量为1～3 L/h，滴头出水流道宽度在0.5～1.1 mm之间。多数研究结果显示：堵塞滴头泥沙一般有两种特性颗粒，一种为较大颗粒泥沙，由于不能很好地随水流动，引起滴头堵塞；另外一部分为细颗粒泥沙，进入到滴灌管中形成絮凝团体沉积在毛管中，对滴头造成堵塞。根据黄河泥沙含量以及粒径特征，大部分泥沙都属于第二种，絮凝作用比较强，所以即使采用过滤与沉淀等系列措施，仍会有一部分细颗粒泥沙进入到毛管中，对滴头造成威胁，尤其流道较长的迷宫式滴头，更容易形成堵塞。为防止进入到滴头泥沙堵塞，通常做法是在滴灌首部增设自动反冲洗设备，不断对毛管进行反冲洗，尽量减少淤积在毛管中泥沙，而通常反冲洗设备成本比较高，进一步增加了首部过滤成本。受灌溉水源中泥沙、盐分及微生物等交互的影响，即使黄河水经过平流沉淀+网式过滤组合处理后，仍会造成灌水器堵塞，主要原因为采用沉淀池，在气温较高的季节，容易产生藻类物质，这类藻类附着在泥沙表面，使泥沙与这些细小颗粒物和微生物形成的絮状结构，产生更高黏结性，加大了泥沙过滤难度以及滴头堵塞风险。所以修建沉沙池蓄存水时间长，会加大滴头堵塞风险，若防止交互因素对堵塞影响，可能会加大水质处理成本。

2 滴灌投资以及降低投资途径

2.1 引黄滴灌工程投资案例

直接利用黄河水滴灌工程投资受供水水源形式影响较大，本文以内蒙河套灌区磴口县宝日浩特、临河区九庄示范区案例进行分析：①磴口县宝日浩特示范区，滴灌水源形式为渠道引水与修建蓄水池结合，滴灌首部靠近输水时间较长渠道，作物大部分时间滴灌可由渠道供给，在每年渠道停水期间，通过滴灌首部蓄水池提供水源。该示范区控制面积为200 hm2，分别建设有两个首部，每个首部控制1 00 hm2。从乌兰布和灌域建设二分干渠引进黄河水，建设二分干渠每年在8月份停水约20 d左右，为了解决停水期间滴灌用水，修建了两个容积6 万m3水量调蓄池，即为滴灌储备两次水量，这种模式充分利用渠道过水时间较长优势，采用了二级泥沙过滤，新建配套取水加压泵房2处、过滤系统2套，采用过滤模式为自主研发泵前浮动式微滤机+自动反冲洗碟片式过滤器。滴灌系统管道按四级设计，即干管、分干管、支管和滴灌带，考虑蓄水池周边地下水位比较高，大部分时间会对蓄水池产生补给，同时避免蓄水池产生永久性占地，蓄水池没有做防渗处理，在该滴灌水源形式条件下，工程总投资约450 万元，平均每公顷投资22 500 元；②临河九庄示范区：该示范区滴灌水源形式为全部由渠道供给，无须建蓄水池；由于滴灌首部紧靠河套灌区总干渠，可直接从总干渠取水，总干渠输水时间长，即使在每年停水期，渠中仍蓄存有大量水，可供停水期滴灌用水，示范面积33.33 hm2，新建泵房以及配套首部系统1套，只采用一级过滤，即在泵前浮动式微滤机1套，过滤后水直接进入到滴管系统，滴灌系统管道按四级设计，即干管、分干管、支管和滴灌带建立一处滴灌首部工程，种植作物为玉米、番茄、青椒、向日葵，该水源形式下滴灌每公顷投资约13 500 元。

2.2 滴灌工程降低投资途径分析

从上面黄河水两种水源形式下滴灌投资可看出，第一种水源形式由于建有蓄水池，虽未进行防渗处理，但土方开挖量以及泵房施工费用仍比较高；同时出于对滴头防堵安全性考虑，除了配备一级旋转式网式过滤器，在泵后配备了碟片式过滤器，建设标准要高一些；第二种水源形式省去了蓄水池，只采用了一级过滤，投资比水源形式一降低了32%。但是上述两种水源形式，都是针对直接利用黄河水作为滴灌水源，同时都需要渠道补水，而且滴灌首部须靠近渠道，此外若按照传统泥沙过滤措施，投资较高。因此，为在黄灌区更广范围内发展滴灌，需要在水源、过滤以及其他配套技术等多方面开辟新途径，才可有效降低滴灌工程投资。

2.2.1 由引黄单一水源转化成多水源、提高滴灌水源保障

黄灌区滴灌若修建蓄水池，并做防渗处理，通常每公顷地至少要增加4 500元投资。而且清理出泥沙无处堆放，造成对环境污染。根据内蒙古河套灌区水资源构成特征，经过多年研究提出了降低滴灌投资重要途径，即为将黄河水一水源转变为多水源--淖尔水、地下水以及大断面渠道蓄水水源，从而省去了滴灌首部大量修建蓄水池，大幅度降低首部占地面积以及工程量。

(1)湖泊水。河套灌区分布有大量天然湖泊，这些湖泊具有较大储蓄容量，并且具有较好隔水层，通过有效补水途径与水量调控，将水引入到湖泊里进行储蓄与泥沙沉淀，在湖泊岸边建立规模较大的滴灌首部，在其周边发展滴灌，对湖泊补水途径主要有灌溉间隙期黄河补水、凌汛期补水以及少量灌区退水。通过滴灌用水-补水使湖泊水得到循环，也改善了水质。

(2)地下水水源。由于黄灌区绝大部分地下水都由黄河水补给转化，而且黄灌区地下水位普遍比较高，将黄河水转化为地下水，省去修建蓄水池与泥沙过滤池，而且可起到降低地下水位，减少大量无效蒸发，选择滴灌发展区域为地下水矿化度低于2 g/L区域，采用空间以及时间上井渠结合模式，这种模式不同于单纯时间上井渠结合，时间上井渠结合为在滴灌区域，既采用井灌又采用黄灌，利用地下水进行滴灌，利用引黄地面灌补给地下水；而空间上与时间上井渠结合为滴灌建立在井灌区域，周边黄灌区为滴灌区地下水补给区域，实现滴灌区地下水采补平衡；对于滴灌区域盐分平衡，利用引黄地面灌进行洗盐。在黄灌区发展地下水滴灌，可降低地下水位，也有利于改善土壤盐碱化。这种空间上井渠结合要保持井灌区与渠灌区之间的水量平衡，需要得到平均渠井结合比(渠井结合比为井渠结合区内渠灌区面积与井灌区面积之比)河套灌区井渠结合比在1.9～2.9，各灌域井渠结合比不同，越靠近灌区下游，渠井结合比越大。

(3)利用大断面渠道储水。选择停水时间较短的大断面渠道(如总干渠或干渠)储存水源，在渠道停水期间，可利用节制闸在渠道中储蓄水量作为滴灌水源。有部分干渠停水时间比较长，储蓄能力不足，可结合在渠道两旁区域修建一定容积蓄水池，解决在渠道停水期间部分滴灌用水。这种利用大断面渠道储水作为滴灌水源，发展滴灌区域大多要靠近水源渠道附近。

2.2.2 采用过滤抗堵新技术模式，降低泥沙处理成本

目前国内外利用高含沙水滴灌抗堵理念主要是“堵”，即将水源中绝大部分泥沙过滤掉，只允许很少一部分泥沙(占泥沙含量不到1%)进入到滴灌系统，这部分进入到滴灌带的泥沙靠冲洗排出。本项目研发提出“浅过滤，重排出、辅助冲洗”新技术模式，在滴灌首部利用自主研发的泵前低压旋转式过滤器，有效去除大颗粒泥沙与杂质，通过筛选适宜滴头，将大部分细颗粒泥沙随滴头出水排入田间，少部分沉积在毛管内泥沙，进行定时冲洗，这一新技术模式，省去了传统滴灌系统首部修建容积较大的沉沙池和复杂的过滤设备，同时改变了传统的加压网式过滤，加压网式过滤容易堵塞过滤器，需要频繁反冲洗，用水量大。克服了毛管尾部反冲洗费用高、管理麻烦等弊端，比国际上通用过滤技术模式节约至少一倍的成本。同时，大量减少清理泥沙费用，避免了因过滤使黄河水中大量营养物质流失。

2.2.3 采用田间综合配套技术，实现节水增效

(1)目前黄灌区化肥投入费用不断增加，出现部分农民增产不增效。采用多次少量的滴灌水肥一体化技术，特别在作物需水关键期，可通过增施氮肥与钾肥以及微量元素，提高作物产量与品质，与传统地面灌溉方式相比，滴灌至少可节省30%化肥用量；

(2)采用滴灌的干播湿出技术，在传统地面灌溉条件下，由于每年春天气候变化较大，难以掌握适宜播种时间，播种早会因为气温较低，出现坏籽现象；播种晚土壤墒情难以保证。采用滴灌可有效解决上述难题，并且可增加土壤地表温度，促进作物早期生长，节省保墒秋浇水；

(3)膜下滴灌复种：内蒙古河套地区面粉质量全国闻名，由于小麦收益低，目前播种面积只占种植比例10%左右。项目组开展了滴灌小麦复种西兰花技术，采用滴灌提前小麦播种期以及收获期，茬后种植西兰花等经济作物。与单一种植小麦相比，节水40%、节肥30%，每公顷增收10 500元以上；

(4)土壤调理技术：采用土壤防风蚀剂以及秸秆生物炭，改善土壤结构，提高土壤保水保肥性，提高低温，促进玉米早期生长。除了上述措施外，还有精准播种、精准施药以及配套农机技术等，通过这些措施，可有效促进作物生长，提高作物产量与品质，增加滴灌效益，降低黄灌区滴灌投资。

3 黄灌区发展滴灌效益分析

3.1 经济效益

通过三年对示范区滴灌监测：与传统地面灌相比，玉米增产10%～36%，向日葵增产20%～43%，青椒增产20%～27%，加工番茄增产50%，西瓜增产19%。按照河套灌区现有种植结构，实施滴灌后平均每公顷至少可增加纯收入2 250元。同时与传统地面灌相比，可显著减低种植成本(化肥、劳动力、电费以及农药消耗)，每公顷降低种植成本为1 830～2 140 元/hm2。滴灌实施水肥一体化后，作物品质明显提高，提高了作物售价，若考虑种植结构调整，增加经济作物种植比例，则经济效益更加显著。

3.2 社会效益

通过对滴灌发展规模以及节水潜力研究分析，在内蒙古河套灌区发展滴灌规模可在10 万hm2左右，减少引黄河水量约为4.2 亿m3。按照万元工业增加值用水量为30 m3计，仅河套灌区滴灌实施后节约的水资源总量，可支撑内蒙古自治区工业增加值1 400 亿元左右。

由于黄河灌区供水保证率低，种植结构单一化趋势明显，大多黄灌区以种植向日葵以及玉米为主，有些地区高达80%，而优势作物以及经济作物种植比例明显偏低。由于种植结构单一，受作物价格不稳定影响，农民增产不增收现象突出，滴灌可明显提高供水保证程度，有效促进黄灌区种植结构调整。

采用传统地面灌方式，很难实现土地大规模的流转。主要原因是公司或大户从农民手中购买土地成本比较高，一般单产在11 250～15 000 kg的土地，租用土地费要在12 000～15 000 元之间，加上种植成本投入约10 500～12 000 元/hm2，导致公司或大户收益低，土地流转积极性不高。实施滴灌后，可以通过调整种植结构，提高产出与投入比，提高公司或大户土地流转积极性, 加快土地流转进程。

3.3 生态效益

黄灌区农田面源污染主要来自过量使用化肥，以内蒙古河套灌区为例，每年化肥用量在62 万t 左右，其中氮肥用量约在50%左右, 但氮肥利用率仅为30%左右, 每年大量氮肥进入到地下水或随退水进入到排水沟, 流向河套灌区下游的乌梁素海湿地或部分海子,造成水质富营养化。根据对示范区玉米、向日葵及青椒、番茄、籽瓜类等作物调查，传统漫灌几种作物平均施肥在1 500～1 80 kg/hm2，所用肥料主要为硫酸铵、尿素、碳酸氢铵及钾肥等，滴灌工程实施后，通过实行水肥药一体化，施肥量可降低30%，发展滴灌大幅度减少了灌溉水量,也即减少了排放水量,同时又有效降低了化肥的施用量, 减少了肥料在土壤中的残留量，减轻对作物及土壤的污染。滴灌还可调节土壤温度和田间小气候，有效抑制作物病虫害的发生和蔓延，大幅度提高水肥药利用率，从源头上降低了对面源污染。引黄灌区普遍存在土壤盐碱化问题，土壤有机质含量普遍较低(低于1%)、pH值比较高钠离子(ESP值)含量大，加上化肥用量不断加大，使黄灌区土壤结构变差，大水漫灌后的土壤容易产生板结，土壤入渗率与透气性明显减低，土壤表层温度下降，作物生长速度减缓，田间水分利用率降低，而且土壤结构变差趋势进一步明显，采用滴灌可降低土壤板结，增加土壤通透性，提高盐分淋洗效率。