農業科技示范園項目工程建設中供電、灌溉及排水系統的設計探索

韓偉宏+蘇東濤+高洋+金輝

摘 要：隨著經濟發展和科技水平的提高，農業環境也在發生更大的變化，一些地區開始摸索更具科技水平的農業園區，通過農業科技園區提高農業產量，提升農產品的品質，但是在農業科技園區建設的時候會遇到一系列的問題，特別是供電、灌溉、排水系統的建設。該文對農業科技示范園區的建設進行了分析，旨在為相關從業人員提供參考。

關鍵詞：農業科技示范園；供電系統；灌溉系統；排水系統；設計分析

中圖分類號 F323.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）13-0118-05

Design of Power Supply，Irrigation and Drainage System in Construction of Agricultural Science Demonstration Garden Project

Han Weihong et al.

（Institute of Agricultural Resources and Economics，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030006，China）

Abstract：With the development of economy and the improvement of science and technology，the agricultural environment is also undergoing greater changes，some areas began to explore more scientific and technological level of the agricultural park，through agricultural science and technology park to improve agricultural production and improve the quality of agricultural products，but in the construction of agricultural science and technology park will encounter a series of problems，especially the construction of power supply，irrigation and drainage systems. This paper analyzes the construction of the park and aims to improve the construction opinions for the relevant practitioners.

Key words：Agricultural science and technology demonstration garden；Power supply system；Irrigation system；Drainage system；Design analysis

當前，現代農業產業的發展速度日益加快，建設農業科技園區能夠有效推動農業產業的快速發展。在區域農業產業發展的基礎上，集合現代農業建設的實踐經驗，進一步滿足產業的實際需求，從而可以提高產業經濟與歷史文化的融合度，形成具有特色優勢的產業。對于園區建設過程中存在的問題，有必要對其進行總結分析，為此本文對園區的供電、灌溉、排水系統的相關設計方法進行了簡要的總結。

1 建設區域概況

1.1 地理位置概況 園區地處山西五大盆地之首的大同盆地腹地，雄踞大同市與朔州市共同圍合的核心區域，距離大同市區10km，距離朔州市區30km，距離懷仁縣城12km。北倚大同承接京津，西出右玉、偏關通達陜蒙，南越雁門關、寧武關直下忻太，東接渾源、廣靈輻射河北。區位優勢明顯，吸收接納能力強，帶動輻射范圍廣。園區東緣以大運高速為界，高速公路毛皂出口路經園區，西距208國道6.4km，北距109國道18km，懷毛公路橫穿整個園區，縣鄉公路四通八達，對內對外交通都十分便利。特別是緊靠山西南北交通大動脈和最重要的經濟走廊—大運高速，對于園區的發展及對外聯系和宣傳有著十分重要的意義。大同盆地，塞上高原，地勢平坦，地域遼闊，土地資源豐富，具有宜農、宜林、宜牧的多種類型的土地資源和生物資源優勢，集中連片和規模開發擁有得天獨厚的條件。園區地下水豐富，開發利用空間大。園區現狀主要種植玉米、小雜糧，或撂荒，經營粗放，生態環境良好，在當今以“生態、綠色”為主題的時代，綠色生態資源成為農業發展的優勢所在，藍天白云下所生產的農產品安全、衛生，市場競爭力強。規劃區光照充足，雨熱同期，晝夜溫差大，農產品品質優良、口味純正。打造品牌具有先決條件。

1.2 園區建設總體思路 以科學發展觀和全面建設小康社會總體戰略目標為指導，抓住轉型跨越發展機遇，以建設現代農業、發展農村經濟和增加農民收入為宗旨，立足晉北高寒區農業資源特點和主導產業發展需求，有效提升本地區各項主導產業的現代化和產業化水平，突出農業高新技術的導入及其與先進適用技術的組裝集成配套，強化農業科技新成果的轉化應用和科技產業化；通過“引進創新—試驗示范—輻射帶動”的梯度技術擴散及產業拓展模式，促進晉北以至周邊省區更大范圍同類區域的農業科技整體水平的提高和特色高效農業的發展。作為從傳統農業向現代農業轉變中的一種農業發展模式，科技園首先是一個區域性農業現代化、產業化和標準化的示范樣板區和生產區，為促進本區域農業結構調整、提高農產品的國內外市場競爭力，以及推動區域農業的規模化、標準化、產業化經營提供支撐和示范。其次，科技園應為農業科技推廣模式和體系創新的基地，實現農業科技推廣從單純技術推廣向提高農民科技素質與能力方向發展，并且通過農業科技成果產業化，推動本地農業科技推廣體制的改革和創新；再次，科技園應成為多功能農業和新型農業產業開發基地，不僅示范現代農業高效生產功能，還可以示范其生態服務及傳統農業文化繼承等功能，具有開拓新的農業產業領域，兼具開發農業觀光旅游等功能。

2 供電系統

2.1 供電設計任務 園區供電規劃的任務是園區變電、供電系統的規劃設計，切實保證園區的生產和生活用電需要。園區內無大型設備、高壓設備、高頻設備及整流裝置，所有變電皆為三級負荷。通過供電系統總計算負荷的分析，確定供電系統的總體結構、供電級數、相應的變壓器臺數和線路布置。基本要求如下：（1）安全。在電能的供應、分配和使用中，不應發生人身事故和設備事故。（2）可靠。應滿足電能用戶對供電可靠性的要求。（3）優質。應滿足電能用戶對電壓和頻率等質量的要求。（4）經濟。供電系統的投資要少，運行費用要低，并盡可能地節約電能和減少有色金屬的消耗量。

2.2 供電系統結構設計 按照國家標準GB50052-95《供配電系統設計規范》，供電系統應簡單可靠，同一電壓供電系統的變配電級數不宜多于兩級；高壓配電系統宜采用放射式，根據變壓器的容量、分布及地理環境等情況，亦可采用樹干式或環式；據負荷的容量和分布，配變電所盡量靠近負荷中心。

2.2.1 供電范圍 整個園區主要的用電單位包括：管理服務中心、農產品加工區、現代物流中心、現代化養殖區等，均屬于三級負荷。

2.2.2 供電來源 500kV高壓輸電線路東西向橫穿園區中部，距懷毛公路約100m。在輸電線路附近設置總降壓變電所，為整個園區供電。

2.2.3 總降壓變電所位置選擇 按照變配電所位置選擇的一般原則，結合園區供電實際進行確定。如果總降壓變電所設置于懷毛公路北側，則配電線路會在公路上穿越2次（高壓輸電線路→總降壓變電所，總降壓變電所→公路南側園區），形成重復線路。因此，總降壓變電所應設置于懷毛公路南側，臨近園區南北向主干道，再沿主干道架設園區主供電線路（樹干式），這樣就可以保證管理服務區、農產品加工、物流區、養殖區等主要耗電單位均處于主供電線路500m范圍之內。

2.2.4 電壓選擇和變電級數 電網電壓等級要符合國家標準電壓等級，選擇電網電壓是根據網內線路輸送容量的大小和輸送距離來決定的。園區東西寬約2km，南北長約3km，很多耗電單位距總降壓變電所超過1km（380V輸電線路一般不超過600m），輸送距離較長，必須考慮線路壓降和功率損耗問題。因此，選用10kV為主輸電線路電壓，整個園區供電系統采用二級變電，總降壓變電所500kV/10kV為一級變電，各用電單位10kV/380V（220V）為二級變電。

3 計算負荷

3.1 負荷計算的方法 本設計采用需要系數法確定。為了簡便設計運算過程，參考與園區相近用電情況，根據長期觀測所得出的需要系數表，用來估算類似項目的有功計算負荷。

3.2 負荷計算結果匯總 詳見表1。

3.3 功率因數和無功補償

3.3.1 最大負荷時的功率因數 計算公式如下：cosθ=P30/S30=5065.9/7652.3=0.66。

3.3.2 無功功率補償容量 該廠的最大負荷功率因數是0.66，而供電部門一般要求最大負荷時功率因數不應低于0.90。考慮到主變壓器的無功損耗大于有功損耗，暫取0.92來計算10kV側的無功功率補償容量。

3.3.3 無功補償后計算負荷的確定 補償后變電所低壓側的視在功率：

[S30=P302+（Q30-Qc）2 =5065.92+（5735.4-3608.4）2=5494.3kVa ]

變壓器的功率損耗：

△PT≈0.015×5494.3=82.4（kW）

△QT≈0.06×5494.3=329.6（kVar）

變壓器高壓側的計算負荷：

P30（1）=5065.9+92.1=5148.3（kW）

Q30（1）=（5735.4-3608.4）+329.6=2456.7（kVar）

[S30（1）=P30（1）2+Q30（1）2 =5148.32+2456.72=5704.5KVa ]

最大負荷時的功率因數：cosθ=P30（1）/S30（1）=5148.3/5704.5=0.90

3.3.4 無功功率的人工補償裝置 采用并聯電容器來補償供電系統的無功功率。

3.4 變壓器選用 由于農業用電負荷具有季節性強、波動較大的特點，其變電所主變壓器的臺數一般宜選擇兩臺為好，兩臺可以相同容量，但考慮到園區的用電負荷峰谷差較大，則兩臺主變壓器宜選擇一大一小。其中大容量主變壓器容量SNT為總的計算負荷S30的70%左右，小容量主變壓器的選擇，應以能滿足低谷時最小負荷，且不低于總的計算負荷S30的50%為宜。因此，總降壓變電所選擇一臺SCZ9-4000/500型變壓器和一臺SCZ9-3000/500型變壓器。

3.5 線路結構 線路結構包括放射式接線和樹干式接線。園區用電為三級負荷，供電范圍較大，因此采用樹干式系統，架空線路，線路長度3600m。架空線路具有投資省、施工維護方便、易于發現和排除故障、受地形影響小等優點。部分特殊地點，出于環境美觀要求，可以采用電纜線路。

3.6 投資估算 園區供電工程總投資為209萬元，供電設施投資估算詳見表2。

4.2 灌溉系統建設原則

4.2.1 力求經濟合理 上下級管道盡可能垂直布置，管道宜短直；盡量少占耕地；充分利用灌區內原有的水利工程設施，以降低工程造價；灌溉方式合理、先進、節水、簡單、適用。

4.2.2 保證工程安全 管線應盡量避開險工險段和深挖、高填，以求管道穩定、施工方便、輸水及灌溉安全。

4.2.3 灌排統一規劃 一般應做到灌有管道，排有溝渠，灌排分開，自成體系。盡量保持原有排水系統，不打亂自然排水流向，保證排水通暢。

4.2.4 便于管理與工程維護 管道布置應兼顧土地利用規劃，每個區都有獨立的配水口或單獨使用一條管道，以便于用水管理與工程維護。

4.2.5 工程節水措施要與管理節水措施相結合 遵循節水性、節能性、經濟性、可靠性和實用性，新水源開發應首先考慮水源的二次利用，以項目區水資源的可持續利用和農業生產的可持續發展為方向。

4.3 灌溉管道工程設計方法 綜合考慮前期的鹽堿地改良和后期的節水灌溉，灌溉系統輸水管道等級分3個層次，即：干管、支管和毛管。

4.3.1 干、支管規劃布置 （1）合理確定管道線路：干、支管的的布置形式主要取決于地形條件，由于園區地形平坦開闊，管線的選擇要盡可能滿足最大的自流灌溉面積。（2）解決好灌區排水：對于易澇、易堿的地塊，首先應考慮和滿足排水要求，由于園內耕地不同程度地存在鹽堿化，必須統一規劃布置排水系統，實行灌，排分開，各成體系。

4.3.2 毛管的布置 毛管的主要任務是向各用水單位分配水量，較之干、支管數量多、分布廣，且又要深入田間。因此，農管的布置則要結合實際，因地制宜，合理布置。農管的規劃是在干支管規劃布置的基礎上進行的。

4.3.3 地面下的上出水管道布置 為滿足灌溉與土地改良的需要，園區內土地從南到北每隔100m左右設置一條東西方向的出水管道，沿著管道每隔50m左右設置一個出水口。放樣前需指定專人與設計工程師研討施工實施方案，進行技術交底。

4.3.4 輸配水工程設計 （1）管網設計流量計算：管網設計流量計算是水力計算的依據，由灌溉設計流量決定。灌溉規模確定之后，根據水源條件、作物灌溉制度和灌溉工作制度計算灌溉設計流量，本項目區灌溉設計流量為40m3/h。（2）管網水力計算：管網水力計算是在管網布置和各級管道流量已經確定的前提和滿足約束條件下，計算各級管道的經濟管徑，確定首端工作壓力，再根據機井動水位、進出水泵管道水頭損失等，計算水泵設計揚程。

4.4 灌水方式設計 根據種植作物的不同分別采取波涌灌溉、噴灌、滴灌、小管出流灌等相應的灌水方式，并配置相應的灌水器。

4.5 現有水源及水平衡分析 園區水源主要來自地下水，灌溉主要為井灌。它不僅具有水源比較穩定、灌溉保證率高、輸水線路短、便于與節水灌溉方法相結合等特點，還能起到控制地下水位，防治園區鹽堿化的作用。（1）灌溉定額：根據當地氣候、園區土壤及主要作物需水量等綜合計算，園區灌溉定額為750m3/hm2。（2）灌溉周期：經計算，園區灌水周期平均為20d。（3）單井控制灌溉面積：在地下水利用量與補給量基本平衡的前提下，確定出單井出水量出水量50m3/h。根據《機井技術規范》計算得單井控制面積為26.4hm2，園區灌溉總面積606.816hm2，園區灌溉共需要23眼井。綜合考慮灌溉、人畜飲水、加工業用水、生活廢水利用，共需要出水量為50m3/h的水井24眼。園區內已有16眼井（共計出水量752m3/h），設計需要新打8眼井（每眼井出水量50m3/h），以滿足園區內灌溉的水資源需求。

4.6 投資估算 整個園區灌溉工程（包括新打深井和灌溉管網配套工程）總投資為698萬元。

5 排水系統

園區排水系統主要包括農田（種植區及林果區）排水網絡系統、設施蔬菜區雨水排放、養殖區雨水及生產生活污水排放、管理服務區雨水及生活污水排放等，園區總排水規劃重點對農田排水網絡系統進行整體規劃，其他各區排水規劃在各區基礎設施規劃中進行。

5.1 農田排水的重要性 澇漬鹽堿災害是我國不少地區農業生產發展的主要障礙，提高防御澇漬鹽堿災害的能力對于加速發展農業生產有著重要的現實意義和戰略意義。農田排水是農田水利的重要組成部分，農業的發展需要灌溉，同時也離不開排水。長期的實踐證明，農田排水在防御澇潰災害和土壤鹽堿化，維持農田生態系統水分平衡，改善田間耕作管理，增加農作物產量，促進國民經濟發展等方面起著積極的作用。園區所在區域是典型的重鹽堿化區，其對當地農業造成的影響和危害極大，建設科學完善的農田排水系統，對于提高耕地質量，減少洪澇災害和由此引起的次生鹽堿化的發生，特別是對于鹽堿地的科學治理有著重要的、不可替代的作用。

5.2 排水系統設計依據與原則 （1）規劃依據：《農田排水工程技術規范》和《灌溉與排水工程技術管理規程》。（2）原則和要求：根據農業可持續發展、環境保護和洪、旱、澇、漬、鹽堿綜合治理的要求，實行長遠與當前相結合，工程措施與生物措施相結合，從骨干到田間統一規劃。規劃中要堅持因地制宜、統籌兼顧、保護環境、合理用地、蓄排兼施、灌排結合、路排結合、節約水資源、排水再利用等原則。

5.3 系統分級與排水方式 根據GB/T50288—1999《灌溉與排水工程設計規范》的規定，排水系統通常可分為干、支、斗、農4級，視治理區面積的大小亦可增減級數。園區排水系統分為干、支、斗、農、毛5級，5級排水全部使用明渠（溝）排水。

5.4 布置形式和線路選擇 （1）總體布置：排水明渠應結合灌溉渠系和田間道路進行布置，因園區總體地形是東北高、西北地，并結合園區外圍排水系統實際條件，采用由東北向西南的單向排水形式。采用路、溝相鄰的布置形式。路、溝之間布置林帶。（2）線路選擇：各級排水明溝應根據治理區的地形條件，按照高水高排、低水低排、就近排泄、力爭自流的原則選擇線路。①各級排水溝渠原則上應沿低洼積水線布設，并盡量利用天然河溝，支溝與干溝，干溝與天然河流之間成銳角相連接，支、斗、農、毛溝相互垂直連接。②各級排水明溝的線路應選在有利溝坡穩定的土質地帶，若必須通過不穩定土質地帶時，應采用溝坡防塌措施。③當地形坡度大于0.5%時，末級固定溝宜大體上沿地形等高線布設。

5.5 排水標準 園區農田排水標準可分為排澇、治漬和防治鹽堿化3類，均應根據當地或臨近類似地區排水試驗資料或實踐經驗，按照園區的作物種類、土壤特性、水文地質和氣象條件等因素，進行技術經濟論證后進行詳細設計。（1）排澇標準：設計暴雨重現期為5～10年。設計暴雨的歷時和排出時間為1～3d暴雨1～3d排除。排澇模數根據近期內當地或鄰近地區的實測資料確定。（2）治漬標準：應綜合農作物生長和農業機械作業的要求確定，達到在漬害敏感期間可采用3～4d內將地下水埋深降至0.4～0.6m。（3）防治鹽堿化標準：以地下水臨界深為工程設計標準，當采用小于臨界深度設計時，應通過水鹽平衡論證確定。防治鹽堿化的排水時間可采用8～15d內將地下水位降到臨界深度，預防鹽堿化應保證農作物各生育期的根層土壤含鹽量不超過其耐鹽能力。沖洗改良鹽堿土，應滿足設計土層深度內達到脫鹽要求。防治鹽堿化排水模數和沖洗改良時的排水模數可利用專門公式計算確定。

5.6 排水系統工程設計 應滿足輸水能力、水位控制、上下級溝道和建筑物的水位銜接、邊坡穩定、不發生沖淤以及工程量少、便于人力施工或機械作業等基本要求。因園區面積較大，排水系統對于整個園區防治鹽堿地作用極其重要，園區配套建設標準要求高，因此需要進行專門的詳細設計。

5.7 投資估算 排水系統工程包括各級排水渠的挖方、整型、穩定處理及與道路交叉的橋涵，工程估算投資172萬元，詳見表4。

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（責編：張宏民）