沁水县李庄村小型农田管灌改造规划设计

2015-04-25孙超杨立魁高昌珍

山西农业大学学报（自然科学版） 2015年5期

孙超，杨立魁，高昌珍

（山西农业大学工学院，山西太谷030801）

低压管灌工程是以管道的方式将水运输到田间再由给水栓进入沟、畦从而进行灌溉的工程。其拥有出口流量大，不易堵塞等特点，并能克服土地不平所带来的影响［1］。关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的研究。近年来，山西大力发展庄园经济，对经济型灌溉方式逐渐普及，但是山西多丘陵地带，对这种地形的相关研究文献较少。本文通过对晋城市胡底乡李庄村的管灌工程，较为详细的介绍了水源泵站工程、田间工程及配电设备安装工程的设计规划方案，为类似工程提供参考。

1 项目区水文地质概况

该项目区位于晋城市沁水县，属大陆性季风区，6－9月因受太平洋副热带高压控制，形成多雨季节。年平均气温10.6℃，年最高气温39℃，年最低气温－18.6℃，年降雨量689.6mm，年平均蒸发量1 890mm，无霜期195d，最大冻土层60cm，年平均日照2 430h。渗水层深度15m，灌区范围内土地集中，大多属黄绵土，土地肥沃，适宜花卉苗木等作物种植。

2 项目区土地利用及灌溉设施现状

项目区东北高、西南低，总面积33.3hm2，其南北向的长边长800m，短边长700m，东西向宽度为450m。项目区从西到东依次是湿地坑塘区—滩涂地—坡耕地。滩涂地中部从南向北有一条10kV的高压输电线，滩涂地和坡耕地之间有一条从南到北的水泥硬化路。项目区内有两个近似矩形敞口开挖土质水塘，两水塘相连，水塘1为46m×21m×1.5m（南北长×东西宽×深），水塘2为120m×20m×1.5m（南北长×东西宽×深），水源为固县河河床渗水。遇天旱和枯水季节，固县河河水流量锐减，水塘蓄水量减少明显，水量无法充分保证，经实地勘察，项目区位于固县河胡底乡李庄村段左岸河滩地，地下水储量丰富，而且埋深较浅，非常适宜打大口井解决灌溉水源问题。根据当地同类成井分析，井深15m左右，出水量均在50m3·h－1以上，供水保证程度较好，可满足项目区农业灌溉用水需求。

3 灌区综合设计

3.1 建设内容

1）水源及泵站（包括Φ3m，H15m大口井1个、50m2·h－1抽水机2台、泵房1个等）

2）变电站（包括10KV50KVA变压器1个、高压柜1个、塔架1个、输电线路及附件等）

3）田间工程（包括灌排管道工程8200m、平田整地33.3hm2）

3.2 灌溉制度的拟定

项目拟发展灌溉面积33.3hm2，其中花卉苗木13.3hm2，大田作物20hm2。根据种植作物在整个发育期需水规律、需水量，结合当地水源情况，大气降雨规律以及当地自然条件来拟定整个灌区种植作物的灌溉制度。

3.2.1 设计灌水定额［4］

式中：m—设计灌水定额／mm；γ—土壤的干容重／kg·cm－3，取0.001 2；H—计划湿润层深度／cm，H 取45；β1，β2—适宜土壤含水量上下限（重量百分比），为30%和22%；η—灌溉水利用系数，取0.8；

代入公式得：m＝54mm。

3.2.2 设计灌水周期［4］

式中：m—设计灌水定额／mm；Ea—作物平均耗水强度／mm·d－1；取3.5，代入公式得：T＝54／3.5＝15.4d。灌水周期根据当地花卉苗木和大田作物生长需要及水源状况采用15d。

3.2.3 灌溉用水量计算

灌溉水利用系数：管道灌溉取0.75～0.85，项目区取0.8。

项目区灌溉用水量如表1。

表1 灌溉用水量表Table 1 Irrigation water scale

由表1可见，一次灌溉用水量2.25万m3，灌溉15d，每天灌溉16h，所以灌溉流量等于93.75 m3·h－1。原水塘流量为50m3·h－1，现新打大口井井深15m，井径3m。

大口井流量公式［5］：

k—渗透系数，按含水层中最细颗粒的渗透性能考虑，k值取为25m3·d－1；s0—出水量为Q时的水位下降值，设计值为s0＝3m；H—含水层的厚度，据水文地质资料，考虑各布井点的差异，平均取值为H＝15m；r0—大口井的半径；T—井底至含水层底板的距离，此处取8.61m。

求得大口井出水量50m3·h－1，所以可灌溉总流量为100m3·h－1符合设计要求。

3.3 提水工程设计

3.3.1 基本数据

已测的水源（大口井）至渠道的管道长度为50m，大口井静水位为6m，最高提水高度17m，所以净扬程等于6＋17＝23m。

3.3.2 管材选择

根据需要，可选用PE管。

3.3.3 上水管道管径选定

管径采用经验公式［6］而确定：

式中：Q—水泵铭牌流量／m3·s－1；V—管内经济流速，钢管取1.5m·s－1。则Q＝50m3·h－1＝0.011m3·s－1，D＝0.097m。根据目前市场供货情况，选用PE110为上水管道。

3.3.4 水泵选型配套

其中沿程水头损失用下式计算［6］：

式中：hf—沿程水头损失／m；f—管材摩阻系数，取 6.25×105；L—管长／m；Q—提水流量／m3·h－1；D—管道内径／mm；m—流量指数，取1.9；b—管径指数，取5.1。

则hf＝16.4，已知总扬程为：23＋1.1×16.4＝41.04m，提水流量为50m3·h－1，查水泵性能表，选配3BA－6A型离心泵，额定扬程为41.5m，相应配套动力1kW电机。

3.4 输水工程设计

3.4.1 管道材料的选择：

田间灌溉干、支管均埋于地下，选用耐久性好，运行可靠的PE管。

3.4.2 输水管管径计算：

管网设计流量［6］：灌溉系统设计流量取Q＝100m3·h－1。

式中：d—管径／mm；Q—设计流量／m3·h－1；V—流速／m·s－1，硬塑料管一般为1.0～1.2m·s－1；

根据上式可知，Q＝100m3·h－1，V 取1.0m·s－1。计算得：d＝200mm。主管道采用φ200mm PE管，干管和支管采用φ110mm PE管。

3.5 排水沟设计

土质排水沟宜采用梯形或复式断面，本工程采用梯形断面，底宽 0.6m，边坡比 1∶1，沟深0.8m［7］。因原河滩地道路两旁设有排水沟，可以直接利用道路一侧排水沟，填平另一侧排水沟。水田与旱田之间应布置排水沟截渗。坡耕地延山边铺设一条排水沟。

3.6 项目布局方案规划

3.6.1 引水枢纽的位置

把原北面土坑底部打一口大口井，井径3m，深15m，作为水源一。在南面水塘旁做一个直径2 m，深3.5m的圆形引水池，引水池与旁边水塘相通，引水池的水作为水源二，南北两水塘中间建一座泵房，两台泵同时抽水向田间灌水。

3.6.2 输水管道布置

西面河滩地地面较为平整，原道路两旁分别有排水沟，可延原排水沟铺设管道，东面坡耕地田埂众多，必须按照地形布置。泵房布置在大口井和引水池中间便于管理，泵房内安装两台水泵，分别从大口井和水塘引水池中抽水，水泵输水管通过三通与一条主管相连，主管东西布置，采用PE200管，管长20m，与一条干管垂直连接。干管南北布置。干管采用PE100管，长560m。干管上每隔60m布置一条支管，支管与干管垂直连接，大部分为单向布置，共铺设10条支管，支管采用PE110，总长4 547m。支管上每隔50m设置一个出水口，出水口配置PE给水栓附带快速接头。为了保护管道，在高点安装进排气阀门。