摘要:農(nóng)田水利工程作為土地整理工程之一,設(shè)計(jì)工作的好壞對(duì)整個(gè)工程有重要的作用,因此科學(xué)合理的設(shè)計(jì)非常重要。以河北省保定市順平縣西柏山村基本農(nóng)田土地整理項(xiàng)目為例,介紹了低山區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法以及相關(guān)水力計(jì)算,重點(diǎn)對(duì)灌溉水源選擇、水源工程和輸配水工程進(jìn)行分析和研究。通過(guò)分析計(jì)算得出井深200 m,輸水鑄鐵干支管徑分別為125 mm、100 mm,排水溝渠分為斗溝和農(nóng)溝,符合該項(xiàng)目的蓄水、排水要求,可以使土地整理質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。
關(guān)鍵詞:土地整理;低壓管道;排水系統(tǒng);低山區(qū)
中圖分類(lèi)號(hào):F301.24;S27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2011)16-3395-03
Design of Irrigation and Drainage Engineering during Land Consolidation in
Hilly Region
KANG Xuan,CHEN Qian,WANG Xiu-ru,WANG Xi,WU Xiao-bo,ZHANG Jing-wen
(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University/Key Laboratory of Soil and Water Conservation & Desertification Combating, Ministry of Education, Beijing100083, China)
Abstract: As part of land consolidation project, scientific and rational design of irrigation and drainage engineering played an important role in the whole project. Taking the land consolidation project in Xibai town of Shunping county in Hebei province as example, the plan and design method and correlated hydraulic calculation in land consolidation were introduced detailedly, among which the choice of irrigation water, water source project, transmission and distribution works were emphatically analyzed. The results showed that when well depth was 200 m, diameter of trunk and branch cast iron aqueduct pipe was 125 and 100 mm respectively, drainage ditches was divided into bucket ditch and agricultural ditch, it met the requirements for the water storage and drainage in this project, thus could improve the quality of land consolidation.
Key words: land consolidation; low-pressure pipeline; drainage system; hilly region
近年來(lái),隨著人口增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,各行各業(yè)對(duì)土地的需求不斷增加,對(duì)耕地產(chǎn)生了巨大壓力,人地矛盾日趨尖銳。為了提高耕地質(zhì)量,合理、高效利用土地,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、生態(tài)和環(huán)境,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,通過(guò)對(duì)土地的整理、灌排設(shè)施的配套和農(nóng)田防護(hù)林的建設(shè),增加耕地面積,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度,建成高效、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)區(qū),為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化、規(guī)模化經(jīng)營(yíng)創(chuàng)造有利條件。
土地整理是人類(lèi)利用自然和改造自然的措施,是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段解決土地利用問(wèn)題的必然選擇。土地整理的基本內(nèi)涵是在一定區(qū)域內(nèi),按照土地利用規(guī)劃或城市規(guī)劃確定的目標(biāo)和用途,采取行政、經(jīng)濟(jì)、法律和工程手段,對(duì)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)整改造、綜合整治,促進(jìn)土地的合理利用,提高土地利用效率,改善生產(chǎn)、生活條件和生態(tài)環(huán)境的活動(dòng)[1]。
農(nóng)田水利工程是土地整理項(xiàng)目規(guī)劃的重要組成部分,是指在對(duì)洪、澇、旱、漬、鹽、堿等進(jìn)行綜合治理和水資源合理利用的原則下,對(duì)灌排渠系統(tǒng)及其建筑物等進(jìn)行的建設(shè)。主要包括排灌工程、噴微灌工程、豎井(機(jī)電井)工程、排灌電氣工程等[2]。而設(shè)計(jì)工作的好壞對(duì)整個(gè)工程有重要的作用,因此科學(xué)合理的設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)低山區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利工程灌溉水源選擇、水源工程和輸配水工程進(jìn)行分析和研究,為進(jìn)一步提高土地整理質(zhì)量提供參考。
1項(xiàng)目背景
項(xiàng)目區(qū)位于河北省保定市順平縣北部的臺(tái)魚(yú)鄉(xiāng)西柏山村,太行山北段東麓山前平原,總的地勢(shì)由西南向東北微傾斜,地貌類(lèi)型為低山丘陵。項(xiàng)目區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°08′26.18″-115°09′17.76″,北緯38°57′38.76″-38°58′03.33″,共分為三個(gè)片區(qū),片區(qū)一面積2.68 hm2,片區(qū)二面積21.41 hm2,片區(qū)三面積6.34 hm2。屬暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū),大陸性季風(fēng)氣候特征明顯,四季分明。年降雨量分配不均,易造成春旱秋澇,形成大面積的低產(chǎn)農(nóng)田,致使土地利用率和產(chǎn)出率低下,限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,全縣地下水比較豐富,均以潛水形式存在。全部地下水資源總量為10 001.32萬(wàn)m3。項(xiàng)目區(qū)土壤種類(lèi)主要為褐土土類(lèi)和潮土土類(lèi),項(xiàng)目區(qū)土地以種植業(yè)為主,主要栽培作物種類(lèi)很多,主要有小麥、玉米、大麥、稻、高粱、山藥、芝麻等。
2農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)
2.1灌溉水源的選擇
項(xiàng)目區(qū)內(nèi)灌溉水源選擇地下水,并根據(jù)當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員勘測(cè),確定新打機(jī)井位置,位于項(xiàng)目區(qū)片區(qū)二北部約280 m,新打兩口井相距140 m。
2.2水源工程設(shè)計(jì)
2.2.1單井控制面積計(jì)算根據(jù)《機(jī)井技術(shù)規(guī)范》(SL256—2000)[3]中2.4.5單井控制面積公式計(jì)算:F0=Q×T×t×η×(1.0-η1)/m,式中,F0——單井控制灌溉面積,hm2;Q——單井出水量,m3/h,根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T(mén)提供資料為50 m3/h;T——每次輪灌期的天數(shù),取10 d;t——灌溉期每天開(kāi)機(jī)時(shí)間,16 h;η——灌溉水利用系數(shù),取0.9;η1——干擾抽水的水量消減系數(shù),0.1;m——綜合凈灌水定額,m3/hm2,根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T(mén)提供資料取450 m3/hm2。則200 m機(jī)井的F0=50×10×16×0.9×(1.0-0.1)/450=14.4 hm2。
2.2.2井深與井徑設(shè)計(jì)根據(jù)《供水管井技術(shù)規(guī)范》(GB50296—99)[4]規(guī)定,管井深度設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)擬開(kāi)采含水層(組、段)的埋深、厚度、水質(zhì)、富水性及其出水能力等因素綜合確定。據(jù)提供的資料,第三含水組底界埋深240~280 m,含水層厚度為100~130 m,砂層厚40~80 m,單位涌水量10~15 m3/(m·h),礦化度<1 g/L,此含水組水質(zhì)好,水量大,是目前機(jī)井主要的開(kāi)采層段。為保證項(xiàng)目區(qū)地下水的可持續(xù)利用,以及機(jī)井長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效運(yùn)作,參考試驗(yàn)井資料,確定成井深度為200 m。經(jīng)計(jì)算,200 m機(jī)井選用的潛水泵適宜的最小井管內(nèi)徑為200 mm。根據(jù)《機(jī)井技術(shù)規(guī)范》(SL256—2000),安裝泵段井管內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)出水量及測(cè)量動(dòng)水位儀器的需要確定,并且比選用的抽水設(shè)備標(biāo)定的最小值大50 mm。因此,確定200 m機(jī)井安裝泵段井管內(nèi)徑為250 mm。
2.3輸配水工程設(shè)計(jì)
在項(xiàng)目區(qū)三個(gè)片區(qū)分別在高點(diǎn)修建蓄水池,從新打機(jī)井鋪設(shè)上水管路,引水至最高點(diǎn)蓄水池,通過(guò)高差自流到各級(jí)支管。片區(qū)一修建一座50 m3蓄水池,片區(qū)二修建兩座100 m3蓄水池,片區(qū)三修建一座50 m3蓄水池。片區(qū)一及片區(qū)三采用提水管作為灌溉輸水管,片區(qū)二分別為蓄水池新布設(shè)兩條輸水管。蓄水池采用圓形敞開(kāi)式設(shè)計(jì),漿砌石結(jié)構(gòu),50 m3蓄水池直徑6.0 m,池深2.0 m,池壁厚0.5 m,3 cm厚抹面防滲,基礎(chǔ)深0.5 m;100 m3蓄水池直徑7.0m,池深3.0 m,池壁厚0.5 m,3 cm厚抹面防滲,基礎(chǔ)深0.5 m。
2.3.1管道灌溉設(shè)計(jì)
1)灌溉制度。①設(shè)計(jì)灌水定額。根據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T153—95)[5]公式2.2.5計(jì)算:m=1 000γ±hβ(β1-β2),式中,m——設(shè)計(jì)灌水定額,mm;h——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,m,一般大田作物取0.3~0.4m;γ±——計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤容重,t/m3;β1——土壤適宜含水量(重量百分比)上限,取田間持水量的60%~75%;β2——土壤適宜含水量(重量百分比)下限,取田間持水量的45%~60%;這里僅以需水量較大的大田作物小麥為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。項(xiàng)目區(qū)為潮土,計(jì)劃濕潤(rùn)層深度h取0.4 m;根據(jù)《管道輸水工程技術(shù)》[6],田間持水量β為22%~30%,取26%;β1取75%,β2取45%;γ±為1.4 t/m3。m=1 000×0.4×26%×(75%-45%)×1.4=43.7 mm。②設(shè)計(jì)灌水周期。T理=m/Ed,式中:T理——理論灌水周期,d;m——設(shè)計(jì)灌水定額,mm;Ed——作物最大日平均耗水量,mm/d;根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的自然條件,設(shè)計(jì)作物最大日平均耗水量為4.2 mm/d,則:T理=43.7/4.2=10.40 d,考慮到作物生長(zhǎng)期項(xiàng)目區(qū)的降水情況,將設(shè)計(jì)灌水周期定為10 d,即T理=10 d。
2)灌溉設(shè)計(jì)流量。根據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T153—95)公式3.1.1計(jì)算:Q設(shè)=0.667×m×A×15/(T×t×η),式中,Q設(shè)——灌溉設(shè)計(jì)流量,m3/h;m——設(shè)計(jì)灌水定額,mm;A——灌溉總面積,取18.23 hm2;T——設(shè)計(jì)灌水周期,取10 d;t——每天灌溉時(shí)間,取20 h;η——灌溉水利用系數(shù),取0.9;各參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。Q設(shè)=0.667×43.7×18.23×15/(20×10×0.9)=44.28 m3/h
3)灌溉工作制度。設(shè)計(jì)支管上給水栓的數(shù)量根據(jù)梯田田面來(lái)確定,每有一田面就設(shè)置一出水口,便于灌溉,由于原地面坡度不同,梯田田面寬各異,因此支管上的出水口不是等距的,根據(jù)各支管長(zhǎng)度及地面坡度計(jì)算的結(jié)果,大約需要給水栓200個(gè)。分別以50 m3蓄水池1和100 m3蓄水池3為例。
式中,N——輪灌組數(shù);Q設(shè)——灌溉設(shè)計(jì)流量,m3/h;qi——第i個(gè)出水口設(shè)計(jì)流量,取8 m3/h;n——系統(tǒng)出水口的個(gè)數(shù)。
蓄水池1灌區(qū)內(nèi)有給水栓30個(gè),蓄水池3灌區(qū)內(nèi)有給水栓50個(gè)。經(jīng)計(jì)算,蓄水池1灌區(qū):輪灌組數(shù)N為6,每個(gè)輪灌組同時(shí)開(kāi)啟給水栓數(shù)為int(n/N)=5個(gè);蓄水池3灌區(qū):輪灌組數(shù)N為10,每個(gè)輪灌組同時(shí)開(kāi)啟給水栓數(shù)為int(n/N)=5個(gè)。
2.3.2管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算一般按如下步驟進(jìn)行。
1)確定管道水力計(jì)算的控制點(diǎn)。管道水力計(jì)算的控制點(diǎn)是指管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所需最大揚(yáng)程的出流點(diǎn),即最不利灌水點(diǎn),一般應(yīng)選取離管道首端較遠(yuǎn)且地面高程較高的地點(diǎn)。
2)確定管道水力計(jì)算的線路。對(duì)于不同的輪灌組,水力計(jì)算的線路長(zhǎng)度和走向不同,應(yīng)確定各輪灌組的水力計(jì)算線路。通過(guò)計(jì)算比較,加以確定。經(jīng)分析,蓄水池1灌區(qū)管道水力計(jì)算線路最長(zhǎng)為500 m;蓄水池3灌區(qū)管道水力計(jì)算線路最長(zhǎng)為800 m。
3)管段流量計(jì)算。根據(jù)灌區(qū)面積灌水定額計(jì)算出干管設(shè)計(jì)流量,再根據(jù)輪灌分組,確定出支管流量,此灌溉區(qū)干管流量為44.28 m3/h,各支管入口管段流量均為22.14 m3/h。
4)管徑的確定。管徑確定的方法有計(jì)算簡(jiǎn)便的經(jīng)濟(jì)流速法和界限流量法,還有借助于計(jì)算機(jī)的多種管道優(yōu)化計(jì)算方法。設(shè)計(jì)根據(jù)《土地整理工程設(shè)計(jì)》經(jīng)濟(jì)流速法計(jì)算。
υ為管道內(nèi)水的經(jīng)濟(jì)流速,鑄鐵管經(jīng)濟(jì)流速為0.8~1.5 m/s。設(shè)計(jì)干管內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速υ干=1.2 m/s,支管內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速υ支=1.2 m/s。
經(jīng)計(jì)算,干管管徑d干=114.27 mm,支管管徑d支=80.80 mm。結(jié)合市場(chǎng)情況,確定鑄鐵管經(jīng)濟(jì)管徑(公稱(chēng)外徑)為125 mm、100 mm。
5)各管段水頭損失。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。管道沿程水頭損失根據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T153—95)公式3.3.1計(jì)算:hf=fQmL/db,式中,hf——管道沿程水頭損失,m;f——摩阻系數(shù);Q——流量,m3/h;m——流量指數(shù);d——管道內(nèi)徑,mm;b——管徑指數(shù);L——管長(zhǎng),m;鑄鐵管的各種參數(shù):f=6.25×105,m=1.9,b=5.1。選擇管線較長(zhǎng)、位置較高的給水栓作為最不利情況,按最大流量進(jìn)行水利計(jì)算,蓄水池1灌區(qū)干管長(zhǎng)425 m,計(jì)算管道內(nèi)徑為130 mm,支管管長(zhǎng)75 m,計(jì)算管道內(nèi)徑為105 mm,計(jì)算結(jié)果為:hf1=6.25×105×44.281.9×425/1305.1+6.25×105×22.141.9×75/1055.1=6.73 m;蓄水池3灌區(qū)干管長(zhǎng)514 m,計(jì)算管道內(nèi)徑為130 mm,支管管長(zhǎng)286 m,計(jì)算管道內(nèi)徑為105 mm,計(jì)算結(jié)果為:hf2=6.25×105×44.281.9×514/1305.1+6.25×105×22.141.9×286/1055.1=10.30 m。為簡(jiǎn)化計(jì)算,取局部水頭損失為沿程水頭損失的10%~15%。由于地塊起伏較大,故計(jì)算中取系數(shù)為15%,即:
對(duì)于蓄水池1灌區(qū):總水頭損失為hf1總=6.73×1.15=7.74 m,而蓄水池和最不利點(diǎn)的高差為20 m,高差自流可以滿(mǎn)足灌溉需求。
對(duì)于蓄水池3灌區(qū):總水頭損失為hf2總=10.30×1.15=11.85 m,而蓄水池和最不利點(diǎn)的高差為45 m,高差自流同樣可以滿(mǎn)足灌溉需求。
6)水泵選型。機(jī)井到最高點(diǎn)蓄水池引水管線長(zhǎng)度為1 860 m,計(jì)算管道內(nèi)徑為130 mm,其水頭損失hf=fQmL/db=6.25×105×44.281.9×1 860/1305.1=25.83 m,其高差測(cè)量為115 m,則水泵揚(yáng)程應(yīng)該大于136.97 m。查水泵手冊(cè),水泵選擇潛水泵,型號(hào)為:200QJ63-144/12,流量63 m3/h,揚(yáng)程144 m,配套功率45 kW。
2.3.3排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1)排水溝設(shè)計(jì)流量計(jì)算。項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃采用明溝排水方式。根據(jù)灌溉排水的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,項(xiàng)目區(qū)的排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇暴雨,一日暴雨2 d排完。根據(jù)順平縣氣象資料,十年一遇一日暴雨量為130 mm。
設(shè)計(jì)流量根據(jù)《土地整理工程設(shè)計(jì)》相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算:Q=α×F×R/(86.4×T),式中,Q——設(shè)計(jì)排水流量,m3/s;α——徑流系數(shù),根據(jù)順平縣水文資料,取0.15;F——某一級(jí)排水溝的控制排水面積,hm2;R——某一設(shè)計(jì)頻率下項(xiàng)目區(qū)一日最大暴雨量,取130 mm;T——設(shè)計(jì)排澇歷時(shí),根據(jù)小麥耐淹水深及土壤特點(diǎn),規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為一日暴雨2 d排出,故此處取2 d。
計(jì)算得出斗、農(nóng)溝控制面積和設(shè)計(jì)流量如表2所示。
3結(jié)論
經(jīng)以上分析計(jì)算,項(xiàng)目區(qū)共規(guī)劃井深200 m的機(jī)井2眼,井管采用鑄鐵管,井管直徑250 mm,配套揚(yáng)程144 m的潛水泵2臺(tái);機(jī)井房為3 m ×3 m。鋪設(shè)地上低壓鑄鐵干管5 967 m,管徑125 mm;鑄鐵支管2 988 m,管徑100 mm;為了保證支管垂直田面布設(shè)時(shí)牢固穩(wěn)定,根據(jù)實(shí)際情況大約每隔10 m在梯田田面上布設(shè)一個(gè)鎮(zhèn)墩,共需280個(gè),排水溝共分為斗溝和農(nóng)溝兩級(jí),其符合項(xiàng)目的蓄水、排水要求。
土地整理能最大限度恢復(fù)土地的使用,研究結(jié)合具體土地整理項(xiàng)目,討論了在低山區(qū)土地整理規(guī)劃中農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)的基本方法及相關(guān)水力計(jì)算。分析認(rèn)為,項(xiàng)目中的農(nóng)田水利建設(shè)關(guān)系到未來(lái)土地的利用方式和生產(chǎn)率,合理規(guī)劃農(nóng)田水利布局,使土地利用過(guò)程中做到旱能灌、澇能排,提高水資源的利用率,改善區(qū)域用水狀況和農(nóng)業(yè)水環(huán)境,優(yōu)化區(qū)域灌溉系統(tǒng),使土地整理工作造福于民,為進(jìn)一步提高土地整理質(zhì)量提供借鑒。
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