农田基础设施项目田间工程设计

2021-08-06肖召伟

河南水利与南水北调 2021年5期

关键词：出水量机井滤料

肖召伟

(虞城县水利局，河南虞诚 476300)

1 工程概况

根据农田基础设施田间工程建设设计的各项原则，项目区选在虞城县沙集乡的柳杭村、陈堂村、任楼村、任桥村、老集村、大刘楼村、杏岗寺村、马楼村、唐庄村等9个行政村。耕地面积共1 666.67 hm2。

井群布置结合项目区实际情况：按照《机井技术规范》条文解释2.4.6条“依照上式计算井距和井数为平均值，应视当地地形、土质等情况，适当增减”的规定进行设计。

2 设计灌水定额

结合当地实际情况，根据河南省地方标准《农业用水定额》，虞城县属于豫东平原区，灌溉保证率为75%时，小麦灌水定额为2.33～3.00 m3/hm2，玉米灌水定额为2.00～2.33 m3/hm2。确定项目区作物综合设计灌水定额为2.67 m3/hm2。

3 单井控制面积

3.1 机井出水量的确定

机井出水量计算采用承压含水层完整井计算公式，出水量计算公式如下：

(1)

式中：Q—管井出水量，m3/h；K—含水层的渗透系数m/h，据相关地质资料，查《机井技术手册》表4-6，K=0.09 m/h；M—含水层的厚度，取34 m；S—抽水降落深度，据相关抽水试验取S=12 m；R—管井的影响半径，查《机井技术手册》表4-30，R取150 m；r—管井的内半径，r为0.25 m。

经计算，单井出水量Q为36.08 m3/h，水量能够满足要求。该地区设计单井出水量为20 m3/h，静水位约9～10 m，当地现状井动水位16～18 m，考虑项目建成后井群相互影响，规划时动水位取20 m，确定沙集乡高标区机井深度为45 m。

3.2 每次轮灌期天数

根据灌水临界期作物最大日需水量值，按下式计算理论灌水周期。因为，实际灌水中可能会出现停水、配水设备故障等原因，故设计灌水周期应大于理论灌溉周期。

T理=(m设/W)η

(2)

式中：T理—理论灌水周期(d)；m设—设计灌水定额；W—作物最大日耗水量(5.70 mm/d)；η—灌溉水利用系数(取0.85)。

计算得：T理=5.96(d)。依据当地生产状况该项目区主要是旱作物及出现故障的概率大小，T理确定为7 d。

单井控制面积依下式计算：

(3)

式中：F0—单井控制面积(hm2)；Q—单井出水量，20 m2/h；T2—每次轮灌周期，设计为7 d；η—灌溉水利用系数，0.85；η1—干扰抽水的水量削减系数，取0.15；t3—灌溉期每天开机时间，取21 h；m2—综合平均灌水定额，(取2.67 m3/hm2，指项目区内种植的各种作物需要灌溉的综合参数)。

通过计算，单井控制面积F0=3.54(hm2)。结合当地实际情况，确定项目区单井控制面积为3.53 hm2。

4 机井布置

虞城县沙集乡农田基础设施项目区井群布置，结合实际情况按照《机井技术规范》依照上式计算井距和井数为平均值，具体规划应视当地地形、土质等情况。结合项目区地下水的调查、地形情况、权属界线和调查各村具体情况，虞城县沙集乡农田基础设施项目区规划新建45 m深机井114眼。

5 井的数量的确定

按下式计算：

N=F/F0=18 910/50≈378.2(眼)

(4)

式中:F—灌溉总面积，项目区面积1 260.67 hm2；F0—单井控制面积；考虑项目区田块组成情况，取378眼井。井群布置按照《机井技术规范》条文解释2.4.6条“依照上式计算井距和井数为平均值，应视当地地形、土质等情况，适当增减”的规定，结合项目区实际情况，综合考虑项目区道路、沟渠、地块分布、土地权属以及井优先沿路布置的原则。

综合考虑虞城县沙集乡农田基础设施项目区原有机井、沟渠、地块分布、土地权属以及井优先沿路布置的原则，实际规划新建机井196眼。

5 井型结构

5.1 井深、井径、管径设计

机井设计深度45 m，井管内径500 mm、壁厚70 mm。井深0～3 m之间选取钢筋混凝土实管，井深3～42 m之间选取无砂混凝土滤水管，42～45 m选用沉淀管。根据水利部《机井技术规范》设计过滤器外径和井孔直径。

过滤器外径应满足下式要求：

Dg≥Qg/(πLgnvg)

(5)

式中：Dg—过滤器外径，算至滤料表面m；Qg—管井地设计出水量，20 m3/h；Lg—过滤器有效长度，可按过滤器长度(20 m)的85%计算，n—过滤器表面进水有效空隙率(按50%考虑)；vg—允许入管流速，m/s。

井孔直径可用下式校核：

Dk≥Qg/(πLgnvj)

(6)

式中：Dk—含水层井孔直径，m；Q—管井的设计取水量，20 m3/h；Lg—过滤器长度，20 m；vj—允许井壁进水流速，m/s。根据吉哈尔特公式：

(7)

查表3.3.4，选取K=15 m/d，得vj=(15/24/3 600)1/2/15，vg=0.01 m/s。(15/24/3 600)1/2/15=9×10-4m/s，由Qg=20 m3/h，Lg=20 m，代入上面公式可得：Dg≥Qg/(πLgnvg)=20/(3.14×20×85%×0.50×0.01×3 600)=0.02(m)；Dk≥Qg/(πLgnvj)=20/(3.14×20×1×10-3×3 600)=0.09(m)。

经计算，设计井径、过滤器直径(井开口直径)，均符合《机井技术规范》要求。

5.2 滤料应符合规定

滤料应符合下列规定：①滤料粒径D50按下式确定：D50=(8～10)d50。式中：D50、d50—滤料、含水层砂样过筛累计重量分别为50%时的颗粒直径，mm。②滤料砂粒径1～3 mm。③滤料选用滤料砂填充，填充厚度150 mm。

6 水泵设计扬程与泵型选择

6.1 水泵设计扬程

6.1.1 水泵扬程水力计算

管道管网的水力计算实际就是计算管网中的沿程水头损失和局部水头损失，由水头损失计算进行水泵选择配套，管道选材采用涂塑软管。

水泵扬程计算是水泵选择的重要依据，其计算公式为：

(8)

式中：hf—沿程水头损失，m；f—管材摩阻系数，取为0.95×105；L—管道长度；Q—流量，20 m3/h；d—管内径；m—流量指数；b—管径指数。

其中f、m、b取值见表1。

表1 f、m、b值表

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，此外还与软管铺设地面的平整程度及软管的顺直状况有关。

6.1.2 局部水头损失

管道局部水头损失的计算公式为：

(9)

因个别参数取值不易确定，通常局部水头损失按沿程水头损失的15%考虑，即：

hj=hf×15%=4.98×15%=0.75(m)

(10)

式(9)、式(10)中字母含义同上。

6.1.3 扬程计算及泵型选择

设计杨程计算方法为：

H=∑hf+∑hj+Δh+h0

(11)

式中：H—设计杨程，m；∑hf—管道沿程水头损失之和，4.98 m；∑hj—管道局部水头损失之和，0.75 m；Δh—典型地面与水泵出水口高差，考虑地形因素，取0.50 m；h0—动水位，(根据当地现状井动水位16～18 m,考虑项目建成后井群相互影响，规划时动水位取20 m)；计算得H=4.98+0.75+0.50+20=26.23(m)。

6.2 泵型的选择

根据上面计算结果和地下水状况，最后确定井深45 m配套水泵的设计流量为20 m3/h，设计扬程选取40 m，故选泵为200QJ20-33-3kW和200QJ20-40/3-4kW。

7 机井配套及井房

7.1 机井配套

配套SMC玻璃钢井房184座、灌溉控制系统184套、不锈钢水泵200QJ20-33-3kW(包括配套电缆40 m、涂塑软管200 m、钢丝绳35 m等配件)110套、不锈钢水泵200QJ20-40/3-4 kW(包括配套电缆40 m、钢丝绳35 m等配件)74套。敷设φ110地埋管道17 760 m、出水口666套。无电老井配套户外配电箱及基座131套。