小型农田水利工程设计研究

2014-06-26杨立魁侯新明何文龙林永涛高昌珍

水科学与工程技术 2014年2期

杨立魁，侯新明，刘渊，何文龙，林永涛，高昌珍

（1.山西农业大学工学院，山西太谷 030801；2.山西省水利机械厂，太原 030001；3.华北水利水电大学水利学院，郑州 450045；4.华北水利水电大学资源与环境学院，郑州 450045；5.河南五建集团，郑州 450007）

近年来，我国把粮食安全和解决三农问题放在国民经济和社会发展的重要位置，水利基础设施建设已列入改善农业基础设施的首位。农田水利建设对于增加粮食产量、促进经济发展有着重要意义。对于农田水利工程设计，汪顺生等［2］对丘陵灌区的灌溉工程设计做了技术总结，康璇等［3］对灌溉工程中的输水工程、灌溉制度、排水沟设计做了充分研究，但因采用的均为非自动灌溉系统，没有涉及自动灌溉的电力系统布置设计。本文结合社旗县小型农田水利建设项目，对项目中的水井、水泵、管道工程、电力系统布置做了分析研究，为类似工程设计提供了参考。

1 水文地质概况

项目所在地位于南阳市社旗县，社旗县地处北亚热带，多年平均径流深257mm，有较丰富的地表水和地下水，水质良好，适用于农田灌溉。水资源总量3.28亿m3，水资源可利用量1.67亿m3，从形式上可分为地表水和地下水两大类。地表水资源在社旗县境内主要指河流、鸭河灌区和小型水库，地表水资源可利用量0.80亿m3。社旗县地下水资源可开采量0.87万m3。社旗县地下水可分为3种类型：

1.1 浅井区

地下水埋深20～60m，含水层约3～4层，含水层厚度6～8m，岩性以半粗砂为主，部分有粗砂和砾石。

1.2 中井区

地下水埋深60～130m，含水层约3～4层，含水层厚度5～8m，岩性以中粗砂为主。

1.3 深井区

地下水埋深130m以上，含水层3～5层，含水层厚度5～8m，岩性以中细砂为主。

2 机井工程设计

2.1 机井设计

机井采用管井，其结构包括井口、井壁管和沉淀管。机井口由井台、井堡、井盖构成，滤料顶部至井口段，采用黏土球封闭2m。管井井口井台为C20混凝土，高0.45m，埋深0.2m。井管采用钢筋混凝土焊接管，管内径300mm，管壁厚50mm，滤水段长27m，在透水层填充滤料，非透水层填充黏土球。过滤器采用钢筋混凝土透水管，外部包缠尼龙纱并用4根竹片捆扎增加其整体性，然后填砾，项目区含水层多为中粗砂，滤料营选用磨圆度较好的硅质砂、砾石充填。沉淀管长4m，采用钢筋混凝土实体管，管径300mm，管壁厚50mm。井底设井底盘。通过对当地水文地质条件、含水层性质、厚度及项目区现状机井运行资料等因素进行分析，结合物探参数，确定设计单井出水量为35～45m3/h，根据井灌区水文地质及现有成井资料和物探成果，该区成井深度一般80m，动水位47～50m。稳定抽水降深为3～4m。

2.2 单井控制面积

单井控制面积依式（1）～式（3）［6］计算：

式中 F0为单井控制面积（hm2）；Q为单井出水量，取32m3/h；T2为每次轮灌周期，设计为8d；η为灌溉水利用系数，取0.8；η1为干扰抽水的水量削减系数，取0.2；t3为灌溉期每天开机时间，取16h；m2为每次综合平均灌水定额，取 540m3/hm2；L0为井距（m）；F4为规划区内灌溉面积（hm2）；N为规划区需要打井数（眼）。

计算求得单井控制面积为F0=4.85hm2，灌区面积为1866.67hm2，共需打385眼机井，井距为220.05m。

3 灌溉制度

3.1 灌水定额

根据项目区内土壤种类，土壤干容重14.3kN/m3，田间持水量25%，取计划湿润层深度0.6m，则设计灌水定额［1］按式（4）计算：

式中 m为设计灌水定额（m3/hm2）；γs为土壤干容重（kN/m3）；H 为土壤计划湿润层深度（m）；β1，β2为适宜土壤含水量占土壤含水率的上下限。

根据有关资料，取大田作物低压管计划湿润层深度 0.6m，项目区土壤干容重14.3kN/m3，田间持水率25%（占干土重的百分数），适宜土壤含水率上、下限分别取田间持水量的90%和65%，即β1=22.5%，β2=16.25%，计算得 m=536m3/hm2，考虑水分损失，则灌水定额为540m3/hm2。

3.2 灌水周期

灌水周期按SL/T153—95《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》［5］公式进行计算：

式中 T为设计灌水周期（d）；m为设计灌水定额（mm）；Ea为主要作物日需水量（5.5mm/d）；η 为灌溉水利用系数，取0.85。

计算得T=8.3，取T=8d。

3.3 同时工作出水口数

同时工作的出水口数取决于设计流量、土壤质地，入畦单宽流量和畦宽，按照SL/T153—95《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》［5］要求，设计单宽流量取 4～6L/（s·m），畦宽 2.0m。其公式：

式中 N为同时工作出水口数；Q为设计流量（m3/h）；q 为入畦宽流量 4～6L/（s·m）；B 为畦宽（m）。

将有关参数代入：求得N为1.11个；根据实际情况，同时工作的出水口数为1个。

4 水泵设计及选型

4.1 管道水头损失计算

按SL/T153—95《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》［5］公式进行计算：

式中 hf为沿程水头损失（m）；f为管材摩阻系数，与摩组损失有关，取 0.915×105；L 为管长，取 50m；Q 为管道流量，根据规划单台水泵出水量取Q=32m3/h；d为管道内径（mm）；m为流量指数，与摩阻损失有关，取1.77；b为管径指数，与摩阻损失有关，取4.77。

井内输水管为钢管，内径65mm，长度取50m，求得其沿程水头损失4.75m；井外采用内径80mm塑料软管输水，长度取200m，求得其沿程水头损失7.06m。

本次规划为水泵出水后直接接移动软管。对于地面移动软管，由于软管壁薄，质软并具有一定的弹性，输水性能与一般硬管不同。过水断面随充水压力而变化，其沿程阻力系数和沿程水头损失不仅取决于雷诺数、流量及管径，而且明显受工作压力影响，此外还与软管辅设地面的平整程度及软管的顺直状况有关。在工程设计中，地面软管沿程水头损失通常采用塑料硬管计算公式计算后乘以一个系数，该系数根据地埋管道布置的顺直程度及铺设地面的平整程度取1.1～1.5，考虑灌溉管理措施，该系数取值1.5。根据公式（7）代入数据计算，200m地面移动软管管道沿程水头损失为10.59m。经计算，管道沿程水头损失为10.59+4.75=15.34m。水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道局部水头损失，按沿程水头损失的10%计算，为1.53m。

4.2 水泵扬程计算

水泵的设计扬程按式（8）［5］计算：

式中 H0为典型地面与水泵出水口高差，考虑地形因素，取2m；Zd为机井动水位埋深，为50m；Hf为水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道沿程水头损失；Hj为水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道局部水头损失。

经计算，水泵设计扬程为68.87m。

根据以上计算的水泵扬程和单井设计流量选取水泵。水泵的出水量根据一眼井控制灌溉面积和灌溉定额计算出需要流量，所选泵流量略小于或等于井预测的单井出水量。经计算比较，项目区80m深机井选用200QJ-32-78/6的潜水泵，配套电机功率为11kW。设计参数如表1。

表1 设计参数

5 管道工程

5.1 管网布置

根据SL/T153—95《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》进行系统布置，干管采用准110mmPE管，支管采用准93mmPE管，毛管为准16mmPE管。灌区进行RTK地形测量后，用CAD软件将地形点按地形轮廓进行连线，并根据高程点绘制等高线图，然后进行管路图的布置，在设计中尽量避开田地中的经济作物，按线路最短的原则，沿地埂与土路进行布置，干管布置沿地形坡度走向，支管平行于等高线布设。

5.2 设计灌水均匀度的确定

灌水均匀度高，灌水质量好，水利用率高，但投资和运行费高，应根据作物、经济价值、水源、地形、和气候等综合确定。

一般建议：Cv＝0.90～0.98或qv=10%～30%。均匀度与流量偏差的关系如表2。

综合考虑取灌溉均匀度Cv=95%，灌水器流量偏差为20%。此数值决定毛管的最大铺设长度。

表2 均匀度与流量偏差的关系

5.3 滴灌毛管设计

采用MRD160/0.9-40滴灌管，毛管管径16mm，滴头间距0.4m，设计工作水头8m，毛管布设间距2.3m，设计流量2L/h，制造偏差0.04。

滴灌管的最大铺设长度107m，为达到更理想的滴灌效果，设计最长的滴灌管长度控制在80m以内。同时可以确定每个小区内支管的水利损失需要控制在2m以内。滴管带铺设极限长度如表3。

表3 滴管带铺设极限长度

5.4 安全防护

为使管网安全运行，保证水泵开机时能够迅速排除管内空气，避免空气积聚产生水锤现象，在管道中应设置进排气阀。在每个地块地势较低处设置一泄水阀，在管道检修阶段能将存水放出，进入冬季后应将管道内存水放出，防止管道冻裂。根据塑料管性能和当地温差情况，一般每100m管道设置一个伸缩节，特别是夏季施工更应该引起注意，伸缩节也可以用橡胶止水接头代替。为了保护管道，保证管道连接可靠，在管网首末端、转弯、变坡、分水三通、闸阀等处设置镇墩。

6 电力及配套设备

项目区内有高压线网，现仅考虑地面电缆设计根据机电井配套需要，结合井位和变压器位置确定配套电缆线长度200～300m，依据负荷确定线径。设计考虑为农村各种用电负荷的发展留有余地，查地埋电缆允许载流量，选用单股三根聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆。

地埋电缆布置根据变压器和负荷的分布综合考虑，须适应农业现代化的需要，结合水、田、林、路、村庄等自然条件，通盘考虑，合理布局。

线路路径尽量选择在地边、路边和渠边，要避开易受雨水冲刷的地方，避开集中堆肥和沤肥的场所。

地埋电力线路的最大供电半径，一般不宜超过1km。地埋电缆采用挖沟直埋，沟底宽300mm，口宽700mm，沟深1000mm，穿越道路和沟渠地段要适当加深且先行套用PVC60管保护。沟底应平直结实，无沉塌缺陷，无尖硬杂物外砌砖护体。出现高差时应挖成平缓斜坡，铠装电缆弯曲半径应不小于电缆直径的20倍，敷设温度应不低于0℃。地埋电缆与其他结构物的距离不小于表4的规定。