截流井技術應用與設計
——以府谷縣工程為例

何 靖

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2. 陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

府谷縣地處黃土高原，黃土層厚度較大，地下水位埋藏較深，農業生產中利用地下水灌溉成本較高，且隨著時間的推移，面臨地下水位下降等不利因素的限制，不能滿足農業生產過程中對水分的需求。其境內有多條雨季水量豐沛、旱季基本斷流的小河流，如何將雨季豐沛的水量低成本、有效地存蓄用于旱季灌溉，是解決該區域灌溉需水、滿足農業生產需求的有效途徑。截流井[1]是一種水平集水的水工建筑物，且成本低、能有效存蓄水資源、滿足該區域實際情況的水利設施。鄧方霞[2]詳細闡述了滲渠取水的計算過程并提出了相關建議；張玉堂等[3]等對西藏白朗縣截流井的應用進行了詳盡闡述；王育男[4]、郝衛平等[5]、馬書升等[6]專家學者研究了我國不同地區截流井技術的應用情況與取得的良好效益。截流井的設計、應用關系到該地區農業生產灌溉水源的保證率。

2 項目區概況

工程項目區位于府谷縣北部，工程受益范圍涉及麻鎮、哈鎮、古城鎮共3個鄉鎮和1個墻頭農業園區，涉及36個自然村?？偸芤嫒丝?.062萬人。其中渠道灌溉面積9879畝，低壓管道灌溉面積3247畝。項目區沿黃土石山區是地形地貌的一個顯著特征，地勢西北高，東南低，海拔高度在780～1426 m之間。年平均降雨量435 mm。項目區農作物主要是玉米、谷類為主。

3 截流井灌溉工程設計

第一個設計區選在古城前坪村，規劃灌溉面積800畝，截流井控制灌溉面積大約為400畝，主要灌溉玉米等糧食作物。

3.1 截流井出水流量

截流井主要有抽蓄水的豎井和垂直于河道的橫向滲渠兩部分，而整個截流井水量的大小取決于當地河流來水情況，其次取決于橫向滲渠。即在不考慮河流狀況下，截流井的水源情況決定于滲渠。本次截流井橫井采用規格為1000×100×1000的素水泥管，其上的進水孔取φ30的圓形孔，呈梅花狀布置，孔眼內大外小，以防堵塞?？籽蹆艟酁?～2.5 d(d為孔眼直徑)，本次設計其凈間距為60 mm?？籽鄄贾迷诠軓降?/3以上的管周壁上，下部不設置孔眼，以防下部泥沙流入管內，造成關內淤塞，影響集水管的集水效果。

進水孔眼的流速應小于0.03 m/s，一般采用0.01 m/s?？籽鄣目偯娣e計算公式為：

F=Q/A

(1)

式(1)中：F為孔眼總面積，m2；Q為設計水量，m3/s；V為孔眼允許流速，m/s。

3.1.1 水力計算公式：

(1)流量公式

Q=AV

(2)

式(2)中：Q為設計水量，m3/s；A為管內水流有效斷面積，m2；V為管內水流速，m/s。

(2)管內水流速公式

(3)

式(3)中：i為水力坡度，i=h/L(即管段的起點和終點的高差與該段長度比)；R為水力半徑，m；R=A/ρ(ρ=濕周);C為徑流系數。

(3)徑流系數公式

(4)

式(4)中：n為粗糙系數，人工鋼筋混凝土管粗糙系數采用0.014；

(5)

為方便計算，公式(5)可簡化為：

(6)

(7)

經過計算得到，孔眼總面積占管面總面積的10%，符合孔眼式滲管的設計要求。

由于項目區河流地下地質情況的勘測，本次確定截流井滲渠取水流量采用阿拉薇娜為努美諾夫公式。其出水流量的確定計算公式如下：

Q=αLKqr

(8)

(9)

(10)

式(8)～(10)中：Q為滲渠總產水量，m3/d；α為淤塞系數，項目區取α=0.6；L為滲渠長度，m；K為滲透系數，m/d；K取值0.088 cm/s，即76 m/d；qr為河流方面的引來流量，m3/m/d；Hy為滲渠頂到河面的高差，m；取值3 m；H0為滲渠出口頂部距離豎井積水位的高差，m；取值2 m；A為河流來水的來水面積，m2；d為滲渠直徑，m；滲渠直徑取值0.8 m；T為含水層的厚度，m；項目區含水層厚度取值50 m。

帶入相應數值對Q進行計算，得到Q值5674 m3/d。

3.1.2 確定控制面積

該設計區水源為截流井，截流井出水流量128 m3/h，水源供水流量不穩定。

截流井最大控制面積按下式計算：

(11)

式(11)中：A為灌溉面積，hm2；Qs為截流井供水能力，m3/h，取128 m3/h；Ia為設計耗水強度，mm/d，取4.5 mm/d；td為水泵日供水小時數，h/d，取20 h/d；η為渠系灌溉水利用系數，取0.75。

由于截流井所在河流來水流量不穩定，枯水期無法滿足規劃灌溉面積的灌水需求。故此修建的截流井需可灌溉面積遠大于規劃灌溉面積，存儲多余水量以便于枯水期時滿足規劃灌溉面積的需水量。前坪村的規劃灌溉面積為400畝<截流井可灌溉面積640畝，因此滿足要求。

3.2 引流灌水定額及灌水周期

3.2.1 引流灌水定額

設計灌水定額按下式計算：

m=1000γsh(β1-β2)/η

(12)

式(12)中：m為設計灌水定額(mm)；γs為計劃濕潤層土壤干容重取1.38 g/cm3；hs為計劃濕潤層深度，取0.6 m；β1、β2為土壤適宜含水量上、下限(重量百分比)；η為渠道灌溉水有效利用系數。

m=1000×1.38×0.6×(0.9-0.65)×27.5%/0.75=75.9 mm=50.63 m3/畝。

3.2.2 設計灌水周期

設計灌水周期按下式計算：

T=1.5mη/E

(13)

式(13)中：T為設計灌水周期，d；m為灌溉定額，m3/畝；45 m3/畝；E為設計耗水強度，mm/d；4.5 mm/d。

T=1.5×45×0.75/4.5=11.25 d=11 d。

設計灌水周期定為11 d。

3.2.3 灌溉需水量的計算

前坪村規劃灌溉面積400畝，灌水定額為45 m3/畝，作物耗水強度為4.5 mm/d；截流井水源供給渠系灌水，渠系灌溉水利用系數為0.75；每天灌溉抽水20 h。該村每天灌溉蓄水流量計算如下：

Q需=8.64qA灌

(14)

(15)

式(14)、(15)中：Q需為規劃的灌溉面積每天灌溉需水量，m3/d；q為單位規劃灌溉面積每秒灌溉需水量，m3/s/萬畝；A灌為規劃灌溉面積，畝；此處取值400畝；α為作物種植比例，此處取值為1；m為作物灌水定額，m3/畝；本次設計取值45 m3/畝；η為渠系灌溉水利用系數；T設為設計灌水周期，d；此處取值11 d。

帶入相應數值可得到規劃灌溉面積每天灌溉需水量為2560 m3<截流井每日供水能力5674 m3，滿足項目區水資源現狀及灌溉需求。

3.3 管網水力計算

3.3.1 設計區灌溉系統設計流量

設計區灌溉系統設計流量按下式計算：

Q=0.667mA/(ηTt)

(16)

式(16)中：Q為灌溉系統設計流量(m3/h)；A為系統灌溉總面積(畝)；t為日工作時數(d)，取20 h。

灌溉系統設計流量為：

Q=0.667×45×400/(0.75×11×20)=72.8 m3/h。

系統設計流量取值72.8 m3/h，井泵流量為80 m3/h，可滿足灌溉系統要求。

3.3.2 田間管網水頭損失計算

由Q=πD2V/4得：

(17)

式(17)中v取1.2 m/s,可得D=146 mm，取DN160 mm。

地埋固定管道采用φ160PVC為U管，管道承壓力為0.6 MPa。水泵出水管到上水管采用Φ80鋼管。PVC為U管道水頭損失按下式計算：

(18)

式(18)中：hf為沿程水頭損失(m)；f為摩阻系數，PVC為U管取0.948×105；Q為管道流量(m3/h)；d為管道內徑(mm)，160 mm；m為流量指數，取1.77；b為管徑指數，取4.77；L為管道長度(m)，500 m。

則計算出PVC為U管沿程水頭損失hf為2.90 m，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計，管路損失揚程h損，為水井以后上水管路逐段沿程和局部損失之和。

h損=hf+hj

(19)

則：h損=hf+hj=2.90+0.29=3.19 m。

3.3.3 灌水系統進口設計工作水頭計算

最不利處出水池高程為1154.4m，管網入口即截流井處高程為1155.6m，則管網進水口水頭：

Hin=∑hf+∑hj-ΔZ+Hg

(20)

式(20)中：Hin為渠道入口設計工作水頭，m；hf為計算渠道沿程水頭損失之和，m；hj為計算渠道局部水頭損失，m；ΔZ為設計控制點與渠道入口地面高程之差，m；Hg為設計控制點出水口工作水頭，取2 m。

則灌水系統進口設計工作水頭為6.06+0.606-1.2+2=7.466 m。

3.4 截流井工程設計

3.4.1 截流井設計

(1)截流井的管道水力計算。根據工程設計計算截流井水泵管道的水頭損失，按下列公式計算：

(21)

式(21)中：h泵管為截流井水泵管道的水頭損失，m；k為水頭損失擴大系數，取1.10；f為摩阻系數，取6.25×105；Q為流量，L/h，為80 m3/h；d為管道內徑，mm，為80 mm；L為管長，m，為10 m；m為流量指數，取1.9；b為管徑指數，取5.1。

則截流井水泵管道的水頭損失為5.59 m。

(2)截流井設計揚程計算。設計區截流井動水位為20.0 m，灌水小區系統進口設計工作水頭7.466 m，截流井需求設計揚程為20+7.466+5.59+3.19=36.211 m。

3.4.2 井泵設計

(1)機泵選擇。根據揚程和流量確定泵的型號，選擇井用潛水電泵200QJ80為44/4，具體參數如表1所示。

表1 水泵選型參數

(2)參考項目區地表水的水文地質資料，確定設計井深為8 m，下為巖層。

(3)井孔直徑確定。動水位為20 m。井型選定為管井，井徑(內徑)選定為Φ3000 mm。

(4)井管結構尺寸確定。井管選用采用φ3600 mm水泥管，管壁厚300 mm，單管長2000 mm，接口為柔性企口。濾水材料采用同型號鑄鐵管。濾水管長度參照含水層厚度和位置確定濾水管長度和位置，濾水管位置必須和含水層保持一致，過濾器采用填礫纏絲過濾器。

(5)橫井結構尺寸的確定。橫井選用φ1000的鋼筋混凝土短管，管壁厚100 mm，單管長度1000 mm。濾水材料采用砂石料，填充3層，自上而下其濾料尺寸為：第1層厚度400 mm，沙石料粒徑為0.5為1.0 mm；第2層厚度為450 mm，粒徑為15為20 mm；第3層厚度為500 mm，粒徑為50為100 mm，該層與橫井鋼筋混凝土短管相接觸；第1層與第2層濾料之間鋪設滌綸短纖針刺土工布，以防止第一層濾料滲漏。橫井短管為φ800 mm，其開挖溝坡比為1∶3，溝底寬度確定為1.6 m，溝高4 m，溝頂寬度為4.3 m。

(6)井房設計。新建截流井房1間，磚混結構，鋁合金窗，屋面采用現澆砼板，采用陜西省標準設計《建筑用料及做法》02J01屋面Ⅲ3的做法，防水層為SBS改性瀝青防水卷材；外墻水泥壓光，刷彩色涂料，內墻水泥壓光，紙筋灰罩面。

(7)輸變電工程設計。安裝20kVA變壓器1臺，S9為20/10為0.4；架設10 kV線路0.2 km。

(8)護井工程(井臺)設計。井臺設計為圓錐臺型磚砌體結構，高度為2 m，蓋板為C20鋼筋砼預制，厚度10 cm。內安裝閘閥一個。

(9)配套設施。泵型：QJ型；配電柜：GGD1型；啟動器：JJ1B型；泵管均采用鋼制，規格：DN80 mm。

4 結語

本文針對榆林府谷縣部分區域灌溉問題，開展截流井技術設計，以期滿足當地農業生產對水資源的需求，并對水資源時間分布不均進行調節，為后續的相關灌溉技術提供借鑒與參考。