肇州县典型农灌机电井设计与分析

郑越馨，李治军，张晓红，高 宇

(1.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

肇州县典型农灌机电井设计与分析

郑越馨1,2，李治军1,2，张晓红1,2，高 宇1,3

(1.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

肇州县以玉米为主要农作物，需水量占肇州县农业灌溉总需水量的85%，所需水源主要通过农灌机电井汲取地下水来获取。为了更好的规划灌区地下水开发利用工程,在肇州县布设农灌机电井。针对肇州县的水文地质条件和农业灌溉要求，在典型农业区二井镇和双发乡设计潜水井和混合开采井，从井的结构、材料、成井工艺和价格预算四方面展开设计。二井镇的农灌机电井井深为17.5 m，双发乡长发站的井深为55.5 m，潜水井是单层取水，混合开采井含水层为三层取水，通过对比分析潜水井和混合开采井的价格，得出混合开采井的价格较为经济，适用性强，便于当地打井队打井。

潜水井；混合开采井；灌溉；水文地质条件；肇州县

1 问题的提出

肇州县地处松嫩平原腹地，是典型的农业大县，二井镇和双发乡为12个乡镇中的典型农业区，玉米作为主要农作物需水量为908.66×104m3，占肇州县农业灌溉总需水量的85%，所需水源主要通过农灌机电井汲取地下水来获取[1-4]。为了更好的规划灌区地下水开发利用工程，亟待对农灌机电井进行优化设计与分析[5]。针对研究区水文地质条件和农业灌溉需求，在二井镇和双发乡分别设计潜水井和混合开采井，从井的结构、材料、成井工艺和价格预算四方面进行设计与分析，并针对研究区内的水文地质条件和主要农作物需水特征，对比分析潜水井和混合开采井的价格和适用性，给出合理的农灌机电井设计方案及使用建议，使设计方案具有典型性，便于当地成井。

2 井型的选择及研究区地层结构

2.1 井型的选择

水井是重要的取水工程，有三种不同类型，分别是潜水井、承压井和混合开采井。农灌机电井是农业灌溉的主要供水设备，主要类型有潜水井和混合开采井，且两种井均为完整井。承压井的水质虽然好，但造价高，潜水井和混合开采井可以满足农业灌溉的需水要求，水质也符合灌溉的标准，因此农灌机电井一般不考虑承压井。

2.2 研究区地层结构

二井镇位于肇州县东北部，全镇面积为276 km2，耕地面积1.733×104hm2[6]。二井镇邹家站的地层岩性依次为表土、亚黏土、粉砂和黏土，含水层类型为哈尔滨组潜水含水层，此含水层为单层取水，厚度为9.3 m，可以取到距地表以下5～13 m的水源，井的类型为潜水完整井。双发乡位于肇州县中部，全乡总面积140 km2，耕地面积为0.687×104hm2，双发乡长发站的地层岩性依次为表土、黄土、粉砂、亚黏土、中砂、黏土、中砂和泥岩，含水层类型为明水组承压含水层[7]，有三层含水层，含水层厚度依次为4 m、15 m和6 m，分别距地表11 m、25 m和46 m，井的类型为混合开采完整井，根据研究区地层结构绘制水文地质剖面图，见图1。

图1 研究区典型水文地质剖面图

3 机电井设计与分析

3.1 潜水井结构设计分析

农灌机电井的结构主要由四部分组成，井口、井身、滤水管和沉砂管。在二井镇邹家站布设一口潜水完整井，根据地层结构将井深设计为17.5 m，该深度可抽水灌溉补给研究区主要农作物。二井镇邹家站潜水井的井口设计为高出地面0.5 m，井口的高度设置主要是防止杂物掉入井内。井身设计为5 m，井身的作用是加固井壁，二井镇的潜水井是单层取水，井身为一整体段，根据井管单节长度和含水层所在深度设计井身长度，以便更好稳固井壁，便于取水。滤水管设计为8 m，滤水管的作用主要是滤水拦砂，安装在进水部位，且长度大致设为含水层厚度的80%，考虑到井管的单节长度为2 m/节，便于安装下管。沉砂管长度设计为4 m，沉砂管主要是清除沉淀于井底的砂粒，长度不宜过长，长度设计根据含水层厚度及地层结构决定。

3.2 潜水井材料设计

潜水井的材料包括井管材料、粘结材料、滤水料、止水料和取水设备。

井管材料：邹家站的潜水完整井选用造价低、制作容易、耐腐蚀性强的钢筋混凝土井管。根据钢筋混凝土井管的技术规格且考虑到经济条件，井管内径设计为250 mm，外径320 mm，壁厚35 mm，井口直径500 mm[8]，钢筋混凝土井管的直径应小于井孔直径，便于安装下管。

井管粘结材料：井管之间选用沥青作为粘结材料，操作简单、价格便宜且不易被氧化。

滤水材料：根据二井镇含水层岩性主要为中砂、细砂类松散含水层，故选用砂砾滤水管，拦砂效果好，还能增加管井的出水量，滤料为砂砾石。滤料体积计算公式[9]：

(1)

式中：V为滤料体积，m3；D为井孔直径，取500 mm；d为滤水管的骨架管外径，取0.32 m；h为围填滤料的设计高度，取8 m；c为钻孔超径系数，一般取1.10～1.15，取经验值1.10。经计算围填滤料的体积为1.02 m3。根据井管的内径250 mm，外径320 mm，滤料厚度设计为90 mm。

止水材料：将含水层中的水与外界阻隔，防止杂质进入含水层内影响水的质量，选用黏土止水，止水效果好、经济且材料来源广泛。

取水设备：二井镇农业需水量为68.72 m3/h[10]，潜水完整井采用IS型离心泵作为取水设备[11]，型号为IS50-25-250，适用于农业灌溉用水，其优点是体积小、重量轻、耗电量低且性能好，该离心泵的流量达到25 m3/h，扬程为20 m，所用电机功率为3 kW，适用于该灌区农灌机电井取水。水泵的安装深度一般在含水层的1/3～2/3处，本设计将水泵安装在距离井口9 m处。

3.3 潜水井成井工艺

潜水井的成井工艺包括钻井方法、井管安装、洗井方法和出水量计算[12]。

钻井方法：根据二井镇邹家站地层岩性，选用回转钻进的方法[13]，回转钻机的型号为SPC-300H型，开孔直径为500 mm，钻速为65 r/min，泥浆泵最大排量达到340 L/min，回转钻机的钻进效率高且适用于松散砂土层。

井管安装：潜水井下管采用钻杆托盘下管法，该方法适用于井管材料是钢筋混凝土的管井，易于保证井管下直。井管之间的联结方式采用焊接，在井管的管口处涂上沥青，并在对接处焊上钢片即可。

洗井：为了彻底清除井管外固结的泥浆，提高出水量。考虑经济原因，选用空压机洗井。

出水量:根据Theis公式[14]计算。

(2)

式中：Q为抽水井的出水量，m3/ h；SW为水位降深，取含水层厚度的2/3处，6 m；K为渗透系数，取经验值0.8 m/d；M为含水层厚度，取8 m；r1、r2为距井中心的距离，取43 m、780 m。经计算，潜水农灌机电井出水量为83.25 m3/h。

3.4 价格预算分析

对肇州县二井镇进行实地调研，获取费用项目参数(钻探费、井管、粘结材料、滤料、止水料、水泵、井房建设和人工等费用)，并对设计的潜水完整井做价格预算[15]。

4 混合开采井设计与分析

在双发乡长发站布设混合开采井，根据双发乡的地层结构及岩性为表土、黏土、粉砂、中砂、泥岩，设计的混合开采井井深为55.5 m，符合混合开采井的设计要求。

4.1 结构设计

混合开采井的井口设计与潜水井相同，均高出地面0.5 m。

井身设计：管井为三层取水，井身被滤水管分割为三段，井身长度分别为12 m、10 m、6 m。井管材料为钢筋混凝土，内径设计为200 mm，外径260 mm，壁厚30 mm，单节井管长度为2 m/节，以0.5 m递增。

滤水管设计：因含水层为多层结构，滤水管分层安装，混合开采井的含水层厚度分别为4 m、15 m、6 m，由于滤水管的长度取决于井管的单节长度，因此滤水管的长度设计为4 m、14 m和6 m。

沉砂管设计：沉砂管长度为4 m[16]。

4.2 材料设计

井管材料、止水料和滤料均与潜水井的材料相同。围填滤料的体积分别为0.63 m3、2.21 m3和0.95 m3。根据井管的内径200 mm，外径260 mm，开孔直径为500 mm，滤料的厚度为120 mm。

取水设备：已知双发乡农业需水量为151.8万m3/a，相当于173.28 m3/h，根据国际标准ISO 2858所规定的性能和尺寸设计，选用型号为150QJ20-52/8的6寸潜水泵，流量为20 m3/h，扬程为52 m，电机功率为5.5 kW，潜水泵安装在距离井口28 m的深度处。

4.3 混合开采井的成井工艺

钻井方法：选用冲击钻进，因其适合各种土层、砂层、卵砾石层，且钻进效率优于其他钻机。其中冲击150型应用较为普遍，开孔直径为500 mm，钻速为1460 r/min，功率为14 kW，混合开采井的井深为55.5 m，该钻机的钻速大且能有效的钻击地层，便于开采农灌机电井。

井管安装：下管方法采用悬吊下管法，适用于抗拉强度高的钢筋混凝土井管，洗井方法采用价格便宜的空压机洗井，洗净效果好。计算混合开采井的出水量，利用Theis公式，混合开采井出水量为117.07 m3/h。

4.4 价格预算分析

对混合开采井进行价格预算分析，经过对比混合开采井和潜水井的结构、材料、成井工艺和价格，得出混合开采井的性价比较高，适合农业灌溉需水量大的研究区使用。

5 结论与建议

在给出了肇州县水文地质资料的基础上，结合肇州县二井镇实地调研工作给出了一套详细的农灌机电井设计方案，井的类型分别为潜水井和混合开采井，经过设计与分析，得到的主要结论和建议有三点：

(1)潜水井和混合开采井在结构设计上有所不同，二井镇的农灌机电井井深为17.5 m，双发乡长发站的井深为55.5 m，潜水井是单层取水，滤水管长度为8 m，本设计的混合开采井含水层为三层，则多层取水，滤水管长度分别为4 m、14 m、6 m。

(2)潜水井和混合开采井在材料上有所不同，在水泵的选择上，潜水井选用离心泵，混合开采井选用潜水泵。潜水泵主要是叶片机械转动抽水，效率高，且价格上离心泵较为便宜。

(3)针对肇州县的主要农作物和需水特征，经过对比分析潜水井和混合开采井的单位价格，得出混合开采井的价格较为经济，适用性强，便于当地打井队打井。

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Design andanalysis of electromechanical wells for typical agricultural irrigation in Zhaozhou County

ZHENG Yuexin1,2,LI Zhijun1,2,ZHANG Xiaohong1,2,GAO Yu1,3

(1.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 2.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 3.SchoolofWaterConservancy&CivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Zhaozhou County, with maize as the main crops, accounted for 85% of the total irrigation water demand in Zhaozhou County. The required water resources are mainly obtained by digging groundwater from the irrigation wells. In order to better plan the groundwater development and utilization projects, County set up agricultural irrigation electromechanical wells. Based on the analysis of the hydrogeological conditions and agricultural irrigation requirements of Zhaozhou County, the design of submersible wells and mixed mining wells in the design of the structure, materials, well technology and price budget of the wells in the two towns and the Shuangfa Township in the typical agricultural areas are designed. The well depth is 17.5m, and the depth of the Shuangfa Township is 55.5m. The submersible wells are single-layer water intake and the mixed aquifer is a three-layer water intake. By comparing and analyzing the submersible wells and mixed mining wells Of the price, the price of mixed mining wells is more economical, applicability, easy to local wells crew drilling wells.

submersible well; mixed mining well; irrigation; hydrogeological condition; Zhaozhou County

“十二五”国家科技支撑计划(2014BAD12B01-03)

郑越馨(1995-)，女，吉林长春人，硕士研究生，研究方向: 寒区地下水评价与开发。 E-mail: hss_zhengyuexin@126.com。

S277.9

：A

：2096-0506(2017)08-0034-04