高标准农田水利工程低压管道典型设计

胡建平

(夏邑县水利局，河南 夏邑 476400)

0 引言

高标准农田水利工程项目通过资金整合，集中连片开发，发挥项目规模效益，推进高标准农田水利建设示范重点县建设。按照“渠道不乱、用途不变、统筹安排、集中投入、各负其责、各记其功、形成合力”的原则，第一实行区间整合，整合农业综合开发等与高标准农田水利建设内容相近的项目，在高标准农田水利建设项目相邻区域，增强放大效应；第二实行区内整合将与高标准农田水利建设项目建设内容不一致，如林网改造、测土配方施肥、农村公路建设等项目，在高标准农田水利建设项目区域内，形成优势互补、功能互促的效应。

1 工程概况

项目建设内容新打机电井，河塘整治，田间铺设管网等工程，增加灌溉面积，提高灌溉水利用系数，减少水资源浪费。近年来，某县紧紧围绕增强农业综合生产能力和旱涝保守高标准能力目标，突出农田水利、农村饮水安全、小流域治理、河道治理、农综开发、土地整理、优质小麦良种繁育基地建设等重点工程，解决农业灌水技术粗放、种植结构不合理、灌溉利用率低、水资源浪费严重等问题，工程效益逐年提高。

2 低压地埋管道工程典型设计

低压地埋管道工程水源为地下水，通过水泵抽取地下水，干支管流入田间地头，在地头设置出水口，通过出水口连接移动软管浇灌农田。干管支管均采用Φ110 mm PVC-M 管，管道埋深0.80 m，管沟宽0.50 m。低压管灌工程所选典型设计为翟庄村 2 口机井所控制灌溉田，典型田块耕地面积8 hm2。

2.1 工程布置

根据农田低压管道输水灌溉工程技术规范进行系统布置，水源井设置井堡，井堡内安设水泵、空气阀各1个。布置南北走向的Φ110 mm PVC-M干管2条。根据规范，同时考虑地形因素，按照70 m间距，布置东西走向的Φ110 mm PVC-M支管4条。出水口间距50 m，设置阀门。

2.1.1 系统首部设计

水井位于井堡内，首部设备均布置于井堡内。井内采用潜水泵供水，设置一空气阀，用以解决运行过程中排气体及管道放空时进气。

2.1.2 田间控制设计

根据规范并结合田间地块实际间距布置出水口，出水口设置阀门，浇地时采用移动软管接出水口向田间供水。

2.2 节水灌溉制度确定

项目区内种植的作物主要是小麦和玉米，在确定灌溉制度和节水灌溉工程设计时选取作物耗水量大、具有典型代表性的玉米作为代表进行分析计算。

2.2.1 设计灌水定额

根据项目区内土壤种类，土壤干容重为14 kN/m3，田间持水量为25%，取计划湿润层深度H为0.60 m，则设计灌水定额按公式(1)计算：

M=1000γsH(β1-β2)

(1)

式(1)中：m—设计灌水定额(m3/hm2)；γs—土壤干容重(KN/m3)；H—土壤计划湿润层深度(m)；β1，β2—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H=0.60 m，项目区土壤干容重γ=14 kN/m3，田间持水率为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=525 m3/hm2，每亩地需水量为35 m3，考虑水分损失，则每亩地灌水定额需40 m3。

2.2.2 设计灌水周期

设计灌水周期按式(2)计算：

T=mη/Ep

(2)

式(2)中：T—设计灌水周期(d)；m—设计灌水定额(mm)；Ep—主要作物日需水量(mm)，取5 mm；η—灌溉水利用系数，取0.85。计算得T=6.80 d，取T=7 d。

2.2.3 单井控制面积计算

单井控制灌溉面积按式(3)计算：

(3)

式(3)中：A—单井控制面积(亩)；Q0—设计流量(m3/h)；T—灌水周期(天)t—水泵每天工作时间(h)；η—灌溉水利用系数；m—设计净灌溉定额；a—控制性作物种植比例。

结合工程实际情况，设计单井控制面积为4.33 hm2。

2.3 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《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》要求，设计单宽流量取4～6 L/s·m，畦宽2.10 m。同时工作的出水口数为1个。

2.4 管道设计

经济流速表得按1.25 m/s，代入公式计算得管道直径为d=95 mm。结合实际灌溉情况和从经济角度出发，选用d=110 mm，0.40 MPa级别的PVC-M 硬聚氯乙烯管，管壁厚 2.70 mm。

2.5 管网水力计算

2.5.1 水头损失计算

管道水头损失包括沿程水头损失与局部水头损失 2 部分，为简化计算，在计算沿程水头损失时采用加大系数法把局部水头损失估算在内。简化后的水头损失计算见式(4)：

hw=βfLQm/Db

(4)

式(4)中：hw-管道水头损失(m)；β—考虑局部水头损失的加大系数(取1.1)f—管材摩阻系数；L—管道长度(m)；D—管道内径(mm)；Q—设计流量(m3/h)；m、b—流量指数、管径指数。取最远点算水头损失：hw=βfLQm/Db=1.1×0.948×105×290×281.77÷104.64.77=2.56 m。

取最近点B算水头损失hw=βfLQm/Db=1.1×0.948×105×23×281.77÷104.64.77=0.20 m。

2.5.2 管道系统工作水头

按照《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》要求，管道系统设计工作水头应按最大和最小工作水头的平均值取用。最大工作水头为距水源最远的出水口通过设计流量对管网所需的工作水头，最小工作水头为距水源最近的出水口通过设计流量时所需的工作水头计算见式(5)：

H0=(Hmax-Hmin)/2；Hmax=Z2-Z0+△Z2+∑hw2；Hmin=Z1-Z0+△Z1+∑hw1

(5)

式(5)中：H0—管道系统设计工作水头(m)；Hmax—管道系统最大工作水头(m)Hmin—管道系统最小工作水头(m)；Z0—管道系统进口地面参考高程(m)；Z1—距水源最近的出水口地面参考高程(m)；Z2—距水源最远的出水口地面参考高程(m)；△Z1、△Z2—地面参考点分别与最近、最远出水口中心线的高差(取0.20 m)；∑hw1、∑hw2分别为距水源最近、最远出水口工作时管网的水头损失(m)。

依据Z2-Z0取0 m，△Z2取0.20 m，∑hw2取2.56 m。Hmax=0.20+2.56=2.76 m；

Hmin=Z1-Z0+△Z1+∑hw1；依据Z1-Z0取0 m，△Z1取0.20 m，∑hw1取0.20 m。Hmin=0.20+0.20=0.40 m。

通过管网所需的工作水头由下式计算：H0=(Hmax+Hmin)/2=(2.76+0.40)/2 =1.58 m。

2.5.3 水泵进水管水头损失

水泵进水管水头损失按公式计(6)计算：

Hw0=βfLQm/Db

(6)

式(6)中：hw=管道水头损失(m)；β—考虑局部水头损失的加大系数(取1.1)f—管材摩阻系数；L—管道长度(m)；D—管道内径(mm)；Q—设计流量(m3/h)m、b—流量指数、管径指数；依据B取1.10，f取6.25×105，L取21 m，D取70 mm，Q取28 m3/h，m取1.90，b取5.10。

计算得Hw0=1.1×6.25×105×21×281.9÷705.1=3.77 m。

2.5.4 管道系统设计扬程

管道系统设计扬程按公式(7)计算：

Hp=H0+(Z0-Zd)+∑Hw0

(7)

式(7)中：Hp—管网系统设计扬程(m)；(Z0-Zd)—管道系统出口地面参考点与机井动水位之间的高差(m)；∑hw0—水泵进水管水头损失(m)。

将上述有关数据H0取1.58 m，(Z0-Zd)计算高度为39 m，∑hw0取 3.97 m，代入上式得：Hp=1.58+39+3.97=44.55 m。

2.5.5 水泵选型与动力配套

根据以上计算结果及潜水泵规格，项目区配套水泵选定为200QS30-45/3-5.5 型潜水泵，出水量 30 m3/h，扬程范围 45 m，配套电机 5.50 kW，每台潜水泵配套与之相匹配的电气设备。水泵型号根据成井抽水试验结果合理的适当调整，使其更好的满足项目区实际情况。

3 结语

根据典型设计结果，典型地块 8 hm2需机井 2 眼，地埋管道1 020 m，安装三通8个，弯头4个，布置出水口30个，配Φ110软管600 m。工程建成使用后，灌溉效益将大为增长，新增有效灌溉面积0.07万hm2，恢复改善灌溉面积0.62万hm2，新增高标准农田面积0.69万hm2。