岳阳县小型农田水利项目管灌工程的设计与研究
2021-04-12周利娅彭杰帅邓仁贵
周利娅,彭杰帅,袁 信,邓仁贵
(湖南南方水利水电勘测设计院有限公司,湖南 长沙 410007)
引 言
中国水资源量占世界的6%,但是支撑世界人口的21%。我国水资源的供水总量为5 500 亿m3,80%是地上水,20%是地下水。用水结构:生活用水11%,工业用水量21%,农业用水68%,农业用水总量占比大。为响应习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针,加大节水力度,减少单位面积灌溉用水量,提高灌溉水利用系数,以国家政策为导向,推广低压管道灌溉等高效节水工程,加强高标准农田建设。近年来,各地各有关部门认真贯彻党中央、国务院决策部署,大力推进高标准农田建设,取得了明显成效。
灌溉技术目前在国内呈现出专业化和多元化的趋势,并且相关的技术也随着应用推广更加成熟。低压输水管道技术的逐渐成熟使得节水灌溉的范围不断扩大,并且解决耕地与水源的长距离问题,减少输水损失,提高了水资源利用率。构建一个完善的节水自动灌溉系统,实现定量灌溉、定时灌溉、按需灌溉是农业发展的趋势。本文以岳阳县2017 年度小型农田水利项目为例,开展管灌工程的设计与研究。
1 工程概况
1.1 项目区基本情况
岳阳县2017 年度小型农田水利项目共涉及岳阳县长湖乡湖头村和自强村、杨林乡沙陂村、荣家湾镇北湖村以及筻口镇潼溪村5 个村5 个片区。其中,长湖乡湖头村片采用机埠取水,取水口高程为41.5 m,控制灌溉面积约200 亩,项目区地势平坦,高程在45.24~46.52 m 之间,区内全部种植优质稻;自强村片采用机埠取水,取水口高程为41.75 m,控制灌溉面积约200亩,项目区地势平坦,高程在45.65~48.33 m 之间,区内全部种植优质稻;沙陂村片采用范溪山塘作水源,干管进水口高程为60.00 m,控制灌溉面积约400 亩,项目区西高东底,可利用天然坡度优势,高程在45.0~60.0 m 之间,区内全部种植优质稻;荣家湾镇北湖村片采用机埠取水,取水口高程为27.50 m,控制灌溉面积约300 亩,项目区地势平坦,高程在26.12~28.10 m 之间,区内全部种植优质稻;筻口镇潼溪村片采用机埠取水,取水口高程为38.20 m,控制灌溉面积约900 亩,项目区地势平坦,高程在36.25~38.25 m 之间,区内全部种植优质稻。高效节水灌溉采用管灌方式,土壤类型为粘壤土。
1.2 工程总体布置
本项目建设坚持相对集中连片,形成规模和“建成一片,见效一片”,以工程配套和管护机制改革为手段,以整体推进为原则,合理安排工程建设内容。项目在布局上充分利用地势高低实现自流灌溉,地势较为平坦区则使用机埠取水。本次设计低压管道灌溉项目区位于长湖乡湖头村和自强村、杨林乡沙陂村、荣家湾镇北湖村以及筻口镇潼溪村共5 个村5 个片区,总灌溉面积约为2 000 亩。以水库为水源或机埠取水,采用自流方式,从水库低涵埋管或机埠引水至项目区供水。其中,长湖乡湖头村片设1 根干管,2 根分干管,16 根支管;自强村片设1 根干管,2 根分干管,22 根支管;杨林乡沙陂村片设2 根主干管(主干管01、主干管02),26根支管(主干管01 下设11 根支管、主干管02 下设15根支管);荣家湾镇北湖村片设1 根主干管,1 根分干管,12 根支管;筻口镇潼溪村片设2 根干管,16 根支管。干管或分干管上每隔100 m 设置支管,支管布置在干管/分干管两侧或单侧,每条支管上布置若干个取水口,取水口间距40 mm。竖管及放水口竖管采用PVCU 塑料管,高出地面30 cm。项目区按标准田块30 m 宽(包括田埂)布置,每2 个田块设1 个出水口,出水口间距60 m,单侧灌水。出水口采用分体式给水栓,给水栓下设消力井,以防止出水口出水水流对田块的冲刷。
2 低压管道输水灌溉工程设计
2.1 灌溉制度
灌区全部种植水稻,一年两熟,参考邻近地区常规地面灌溉节水技术的有关资料,结合当地自然条件和灌溉设施状况及供水保障条件,灌区灌水定额取65 m3/s。灌水延续时间与作物种类、灌区面积大小及农业生产劳动计划等因素有关,根据灌区实际情况,取灌水延续时间7 d,系统每天工作时间24 h。
2.2 轮灌制度的确定
根据管网布置形式和水稻田管灌运行管理经验,同时考虑管理方便和可能出现的集中供水,考虑到各片区大部分以主干向各支渠供水,采用的灌溉制度为干支管续灌。分片计算每个轮灌组灌水持续时间7 d,每天灌水时间24 h。
2.3 设计灌水流量的计算
1)灌溉系统设计流量
Q0=mA(/ηTt)
式中 Q——设计灌水流量(m3/h);
η——灌溉水利用系数(0.90);
A——灌溉面积(亩);
T——设计灌水周期(7d);
m——作物的灌溉定额(m3/亩),取m=65m3/亩;
t——天灌溉时间(24h)。
经计算得:
Q0=65×200/(0.9×7×24)=85.98 m3/h(长湖乡湖头村片、长湖乡自强村片);
Q0=65×400/(0.9×7×24)=171.96 m3/h(杨林乡沙陂村片);
Q0=65×300/(0.9×7×24)=128.97 m3/h(荣家湾镇北湖村片);
Q0=65×900/(0.9×7×24)=386.90 m3/h(筻口镇潼溪村片);
2)管网各级管道的设计流量
Q=nQ0/N
式中 Q——某级管道的设计灌水流量(m3/h);
n——该管道控制范围内同时开启的出水口个数;
N——全系统同时开启的出水口个数。
5 个片区最多有26 条支管,各条支管最大长度为1 050 m,各支渠控制的出水口个数为1~18 个。经计算得,支管流量为1.53~45.52 m3/h,支管最大流量为:45.52 m3/h。
2.4 管材与管径的选择
根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203-2006)中管径选用方法,各段管道直径按经济流速计算公式为:
D=18.8×(Q/V)1/2
式中 D——管道直径(mm);
Q——管道流量(m3/h);
V——流速(m/s),PVC-U 塑料管取1.1 m/s。
设计管材选用管灌设备常配套的PVC-U 管、PVC管、PE 管做管材材质方案比较,使管材进一步优化。PVC-U 管优点:PVC-U 管材料的比重只有铸铁的1/10,运输、安装简易,成本低;抗化学性优越;安装简易,成本低廉;耐用,阻力小,流速高。PVC 管优点:PVC 管应用了生料,减少了油耗;PVC 管制造对能量消耗很低,能回收转化利用。PE 管优点:PE 管具有很好的柔韧性,适宜制作成软管,并且PE 管具有可熔接性及可回收利用,使其铺设时更加安全可靠和方便经济。综上所述,经三种管材的优缺点比较,考虑造价的经济性,结合目前市场PVC-U 管和PVC 管价格基本持平;综合确定本次设计管材材质均采用PVC-U。
管道实际采用的管径经计算管径和标准管径对比后,根据压力校核结果和施工方便与否确定。经计算,支管选用直径为200/110/90/50 mm 的PVC-U 塑料管,干管和分干管选用直径为250/200 mm 的PVC-U 管。计算成果见表1。
表1 管网干管的设计流量计算成果表
2.5 孔口计算
孔口出流公式:
q=μA(2gH)0.5
式中 q——孔口出流量(m3/h);
μ——流量系数,取0.7;
A——孔口断面面积;
H——孔口工作水头。
孔口由支管经竖管引向田面,给水栓高出田面0.3 m,管道埋深0.6 m,竖管采用Φ50 mmPVC-U 塑料管。出口工作水头0.2 m,选用给水栓直径为50 mm。
2.6 取水管道设计
设计从山塘放水低涵埋管取水或机埠取水,取水管采用闸阀进行控制,各设置1 座闸阀井对取水闸阀及管道进行保护。
根据取水头部运行要求,设置的控制设施有:DN250/200 闸阀;量测设施有:DN250/200 智能水表、0~1.0 MPa 压力表;安全保护设施有:DN250/200 放空阀、排气阀。另外在给水栓处设消力井,以防止出水口出水水流对田块的冲刷。
2.7 管路损失水力计算
沿程水力损失由计算公式:
hf=0.948×105L Q1.774/d4.774
式中 d——管道直径(mm);
Q——管道流量(m3/h);
L——管道长度(m);
hf——沿程水头损失(m)。
逐段确定沿程水头损失,局部水力损失按沿程水头损失的10%计算,末端所需压力为出水口工作水头及水头损失和竖管高度之和。末端出水口工作水头为1.5 m。
由于计算表格较长,仅列出湖头村片数据,计算结果见表2。
表2 管路损失水力计算成果表
根据管网计算结果,长湖乡湖头村片支管16 末端所处的位置相对较远,为最不利供水节点,该支管末端地面高程为45.24 m,末端总水头损失11.068 m,末端出水口工作水头为1.5 m,45.24+11.068+1.5=57.808 m,取水管高程41.5 m 不满足要求,需加压。
长湖乡自强村片支管22 末端所处的位置相对较远,为最不利供水节点,该支管末端地面高程为47.05 m,末端总水头损失0.765 m,末端出水口工作水头为1.5 m,47.05+0.765+1.5=49.315 m,取水管高程41.75 m不满足要求,需加压。
杨林乡沙陂村片支管26 末端所处的位置相对较远,为最不利供水节点,该支管末端地面高程为47.50 m,末端总水头损失8.481 m,末端出水口工作水头为1.5 m,47.50+8.481+1.5=57.481 m,取水管高程60.00 m满足要求。
荣家湾镇北湖村支管12 末端所处的位置相对较远,为最不利供水节点,该支管末端地面高程为28.10 m,末端总水头损失9.721 m,末端出水口工作水头为1.5 m,28.10+9.721+1.5=39.321 m,取水管高程27.50 m不满足要求,需加压。
筻口镇潼溪村支管A-6 末端所处的位置相对较远,为最不利供水节点,该支管末端地面高程为37.90 m,末端总水头损失10.768 m,末端出水口工作水头为1.5 m,37.90+10.768+1.5=50.168 m,取水管高程38.20 m 不满足要求,需加压。
3 项目效益
本项目实施后,项目区灌溉水利用系数将由原来的0.49 提高到0.70 左右,每年将节约用水约222.28万m3。新增节水能力可用来恢复和改善项目区内灌溉面积,确保农田旱涝保收,增大粮食稳产增产系数。项目实施后,农民实际负担的水费降低,间接增加农民收入;利于管理机构按用水量征收水费,建立良好的灌水秩序,减少水事纠纷等。同时,项目的实施有利于水土保持和节约用水,改善自然环境和水环境,改善农村人畜饮水状况,改良土壤,促进中低产农田改造,促进节能减排,具有广泛的生态环境效益。