肇州縣典型農灌機電井設計與分析

鄭越馨，李治軍，張曉紅，高 宇

(1.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.東北農業大學 水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

肇州縣典型農灌機電井設計與分析

鄭越馨1,2，李治軍1,2，張曉紅1,2，高 宇1,3

(1.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.東北農業大學 水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

肇州縣以玉米為主要農作物，需水量占肇州縣農業灌溉總需水量的85%，所需水源主要通過農灌機電井汲取地下水來獲取。為了更好的規劃灌區地下水開發利用工程,在肇州縣布設農灌機電井。針對肇州縣的水文地質條件和農業灌溉要求，在典型農業區二井鎮和雙發鄉設計潛水井和混合開采井，從井的結構、材料、成井工藝和價格預算四方面展開設計。二井鎮的農灌機電井井深為17.5 m，雙發鄉長發站的井深為55.5 m，潛水井是單層取水，混合開采井含水層為三層取水，通過對比分析潛水井和混合開采井的價格，得出混合開采井的價格較為經濟，適用性強，便于當地打井隊打井。

潛水井；混合開采井；灌溉；水文地質條件；肇州縣

1 問題的提出

肇州縣地處松嫩平原腹地，是典型的農業大縣，二井鎮和雙發鄉為12個鄉鎮中的典型農業區，玉米作為主要農作物需水量為908.66×104m3，占肇州縣農業灌溉總需水量的85%，所需水源主要通過農灌機電井汲取地下水來獲取[1-4]。為了更好的規劃灌區地下水開發利用工程，亟待對農灌機電井進行優化設計與分析[5]。針對研究區水文地質條件和農業灌溉需求，在二井鎮和雙發鄉分別設計潛水井和混合開采井，從井的結構、材料、成井工藝和價格預算四方面進行設計與分析，并針對研究區內的水文地質條件和主要農作物需水特征，對比分析潛水井和混合開采井的價格和適用性，給出合理的農灌機電井設計方案及使用建議，使設計方案具有典型性，便于當地成井。

2 井型的選擇及研究區地層結構

2.1 井型的選擇

水井是重要的取水工程，有三種不同類型，分別是潛水井、承壓井和混合開采井。農灌機電井是農業灌溉的主要供水設備，主要類型有潛水井和混合開采井，且兩種井均為完整井。承壓井的水質雖然好，但造價高，潛水井和混合開采井可以滿足農業灌溉的需水要求，水質也符合灌溉的標準，因此農灌機電井一般不考慮承壓井。

2.2 研究區地層結構

二井鎮位于肇州縣東北部，全鎮面積為276 km2，耕地面積1.733×104hm2[6]。二井鎮鄒家站的地層巖性依次為表土、亞黏土、粉砂和黏土，含水層類型為哈爾濱組潛水含水層，此含水層為單層取水，厚度為9.3 m，可以取到距地表以下5～13 m的水源，井的類型為潛水完整井。雙發鄉位于肇州縣中部，全鄉總面積140 km2，耕地面積為0.687×104hm2，雙發鄉長發站的地層巖性依次為表土、黃土、粉砂、亞黏土、中砂、黏土、中砂和泥巖，含水層類型為明水組承壓含水層[7]，有三層含水層，含水層厚度依次為4 m、15 m和6 m，分別距地表11 m、25 m和46 m，井的類型為混合開采完整井，根據研究區地層結構繪制水文地質剖面圖，見圖1。

圖1 研究區典型水文地質剖面圖

3 機電井設計與分析

3.1 潛水井結構設計分析

農灌機電井的結構主要由四部分組成，井口、井身、濾水管和沉砂管。在二井鎮鄒家站布設一口潛水完整井，根據地層結構將井深設計為17.5 m，該深度可抽水灌溉補給研究區主要農作物。二井鎮鄒家站潛水井的井口設計為高出地面0.5 m，井口的高度設置主要是防止雜物掉入井內。井身設計為5 m，井身的作用是加固井壁，二井鎮的潛水井是單層取水，井身為一整體段，根據井管單節長度和含水層所在深度設計井身長度，以便更好穩固井壁，便于取水。濾水管設計為8 m，濾水管的作用主要是濾水攔砂，安裝在進水部位，且長度大致設為含水層厚度的80%，考慮到井管的單節長度為2 m/節，便于安裝下管。沉砂管長度設計為4 m，沉砂管主要是清除沉淀于井底的砂粒，長度不宜過長，長度設計根據含水層厚度及地層結構決定。

3.2 潛水井材料設計

潛水井的材料包括井管材料、粘結材料、濾水料、止水料和取水設備。

井管材料：鄒家站的潛水完整井選用造價低、制作容易、耐腐蝕性強的鋼筋混凝土井管。根據鋼筋混凝土井管的技術規格且考慮到經濟條件，井管內徑設計為250 mm，外徑320 mm，壁厚35 mm，井口直徑500 mm[8]，鋼筋混凝土井管的直徑應小于井孔直徑，便于安裝下管。

井管粘結材料：井管之間選用瀝青作為粘結材料，操作簡單、價格便宜且不易被氧化。

濾水材料：根據二井鎮含水層巖性主要為中砂、細砂類松散含水層，故選用砂礫濾水管，攔砂效果好，還能增加管井的出水量，濾料為砂礫石。濾料體積計算公式[9]：

(1)

式中：V為濾料體積，m3；D為井孔直徑，取500 mm；d為濾水管的骨架管外徑，取0.32 m；h為圍填濾料的設計高度，取8 m；c為鉆孔超徑系數，一般取1.10～1.15，取經驗值1.10。經計算圍填濾料的體積為1.02 m3。根據井管的內徑250 mm，外徑320 mm，濾料厚度設計為90 mm。

止水材料：將含水層中的水與外界阻隔，防止雜質進入含水層內影響水的質量，選用黏土止水，止水效果好、經濟且材料來源廣泛。

取水設備：二井鎮農業需水量為68.72 m3/h[10]，潛水完整井采用IS型離心泵作為取水設備[11]，型號為IS50-25-250，適用于農業灌溉用水，其優點是體積小、重量輕、耗電量低且性能好，該離心泵的流量達到25 m3/h，揚程為20 m，所用電機功率為3 kW，適用于該灌區農灌機電井取水。水泵的安裝深度一般在含水層的1/3～2/3處，本設計將水泵安裝在距離井口9 m處。

3.3 潛水井成井工藝

潛水井的成井工藝包括鉆井方法、井管安裝、洗井方法和出水量計算[12]。

鉆井方法：根據二井鎮鄒家站地層巖性，選用回轉鉆進的方法[13]，回轉鉆機的型號為SPC-300H型，開孔直徑為500 mm，鉆速為65 r/min，泥漿泵最大排量達到340 L/min，回轉鉆機的鉆進效率高且適用于松散砂土層。

井管安裝：潛水井下管采用鉆桿托盤下管法，該方法適用于井管材料是鋼筋混凝土的管井，易于保證井管下直。井管之間的聯結方式采用焊接，在井管的管口處涂上瀝青，并在對接處焊上鋼片即可。

洗井：為了徹底清除井管外固結的泥漿，提高出水量。考慮經濟原因，選用空壓機洗井。

出水量:根據Theis公式[14]計算。

(2)

式中：Q為抽水井的出水量，m3/ h；SW為水位降深，取含水層厚度的2/3處，6 m；K為滲透系數，取經驗值0.8 m/d；M為含水層厚度，取8 m；r1、r2為距井中心的距離，取43 m、780 m。經計算，潛水農灌機電井出水量為83.25 m3/h。

3.4 價格預算分析

對肇州縣二井鎮進行實地調研，獲取費用項目參數(鉆探費、井管、粘結材料、濾料、止水料、水泵、井房建設和人工等費用)，并對設計的潛水完整井做價格預算[15]。

4 混合開采井設計與分析

在雙發鄉長發站布設混合開采井，根據雙發鄉的地層結構及巖性為表土、黏土、粉砂、中砂、泥巖，設計的混合開采井井深為55.5 m，符合混合開采井的設計要求。

4.1 結構設計

混合開采井的井口設計與潛水井相同，均高出地面0.5 m。

井身設計：管井為三層取水，井身被濾水管分割為三段，井身長度分別為12 m、10 m、6 m。井管材料為鋼筋混凝土，內徑設計為200 mm，外徑260 mm，壁厚30 mm，單節井管長度為2 m/節，以0.5 m遞增。

濾水管設計：因含水層為多層結構，濾水管分層安裝，混合開采井的含水層厚度分別為4 m、15 m、6 m，由于濾水管的長度取決于井管的單節長度，因此濾水管的長度設計為4 m、14 m和6 m。

沉砂管設計：沉砂管長度為4 m[16]。

4.2 材料設計

井管材料、止水料和濾料均與潛水井的材料相同。圍填濾料的體積分別為0.63 m3、2.21 m3和0.95 m3。根據井管的內徑200 mm，外徑260 mm，開孔直徑為500 mm，濾料的厚度為120 mm。

取水設備：已知雙發鄉農業需水量為151.8萬m3/a，相當于173.28 m3/h，根據國際標準ISO 2858所規定的性能和尺寸設計，選用型號為150QJ20-52/8的6寸潛水泵，流量為20 m3/h，揚程為52 m，電機功率為5.5 kW，潛水泵安裝在距離井口28 m的深度處。

4.3 混合開采井的成井工藝

鉆井方法：選用沖擊鉆進，因其適合各種土層、砂層、卵礫石層，且鉆進效率優于其他鉆機。其中沖擊150型應用較為普遍，開孔直徑為500 mm，鉆速為1460 r/min，功率為14 kW，混合開采井的井深為55.5 m，該鉆機的鉆速大且能有效的鉆擊地層，便于開采農灌機電井。

井管安裝：下管方法采用懸吊下管法，適用于抗拉強度高的鋼筋混凝土井管，洗井方法采用價格便宜的空壓機洗井，洗凈效果好。計算混合開采井的出水量，利用Theis公式，混合開采井出水量為117.07 m3/h。

4.4 價格預算分析

對混合開采井進行價格預算分析，經過對比混合開采井和潛水井的結構、材料、成井工藝和價格，得出混合開采井的性價比較高，適合農業灌溉需水量大的研究區使用。

5 結論與建議

在給出了肇州縣水文地質資料的基礎上，結合肇州縣二井鎮實地調研工作給出了一套詳細的農灌機電井設計方案，井的類型分別為潛水井和混合開采井，經過設計與分析，得到的主要結論和建議有三點：

(1)潛水井和混合開采井在結構設計上有所不同，二井鎮的農灌機電井井深為17.5 m，雙發鄉長發站的井深為55.5 m，潛水井是單層取水，濾水管長度為8 m，本設計的混合開采井含水層為三層，則多層取水，濾水管長度分別為4 m、14 m、6 m。

(2)潛水井和混合開采井在材料上有所不同，在水泵的選擇上，潛水井選用離心泵，混合開采井選用潛水泵。潛水泵主要是葉片機械轉動抽水，效率高，且價格上離心泵較為便宜。

(3)針對肇州縣的主要農作物和需水特征，經過對比分析潛水井和混合開采井的單位價格，得出混合開采井的價格較為經濟，適用性強，便于當地打井隊打井。

[1] 郭安軍,屠梅曾,趙旭.約束條件下地下水可持續開采策略研究[J].系統工程,2003,21(1):120-123.

[2] 苗欣，王同旭.農業灌溉開采后地下水位降深與恢復預測[J].黑龍江水利，2017,3(3):40-43.

[3] 黃修橋，高勝國，馮俊杰，等.影響灌區地下水開發利用的關鍵技術問題及解決對策[J]灌溉排水學報，2017,27(3):1-4.

[4] 楊曉茹.渭河流域大中型灌區水資源開發利用存在的問題及對策[J].陜西水利,2002(4):37-41.

[5] 陳永林.農田灌溉機電井的現狀及建議對策[J].江西建材，2016(9):110.

[6] 董淑華.肇州縣節水增糧行動項目水資源論證報告書[R].哈爾濱：黑龍江水文局，2012.

[7] 齊鵬.黑龍江肇州旱灌區強開放邊界含水層地下水動態監測與分析[D]. 哈爾濱：黑龍江大學，2015.

[8] 戴長雷，付強，杜新強，等.地下水開發與利用[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2015.

[9] 王衛紅，林森.鄄城縣灌溉機電井設計探討[J].山東水利，2014(9):33-34.

[10] 羅舒凱.黑龍江省節水增糧示范區地下水資源承載力研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學，2015.

[11] 張志光. 小型農用機井的井泵選型[J].排灌機械，2004,22(3):32-36.

[12] 王相勤，王培道.鋼筋混凝土井管的成井工藝[J].山西水利科技，1991，24(2):89-91.

[13] 吳吉春，薛禹群.地下水動力學[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2009.

[14] 曹曉燕.單井修井成本定額研究[J]. 科技創新導報，2010，(21):111.

[15] 中華人民共和國水利部. 機井技術規范：SL 256-2000 [S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[16] 溫季，宰松梅，郭樹龍.輕型井結構與井泵優化配置研究[J]灌溉排水學報，2007,26(6):19-21.

Design andanalysis of electromechanical wells for typical agricultural irrigation in Zhaozhou County

ZHENG Yuexin1,2,LI Zhijun1,2,ZHANG Xiaohong1,2,GAO Yu1,3

(1.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 2.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 3.SchoolofWaterConservancy&CivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Zhaozhou County, with maize as the main crops, accounted for 85% of the total irrigation water demand in Zhaozhou County. The required water resources are mainly obtained by digging groundwater from the irrigation wells. In order to better plan the groundwater development and utilization projects, County set up agricultural irrigation electromechanical wells. Based on the analysis of the hydrogeological conditions and agricultural irrigation requirements of Zhaozhou County, the design of submersible wells and mixed mining wells in the design of the structure, materials, well technology and price budget of the wells in the two towns and the Shuangfa Township in the typical agricultural areas are designed. The well depth is 17.5m, and the depth of the Shuangfa Township is 55.5m. The submersible wells are single-layer water intake and the mixed aquifer is a three-layer water intake. By comparing and analyzing the submersible wells and mixed mining wells Of the price, the price of mixed mining wells is more economical, applicability, easy to local wells crew drilling wells.

submersible well; mixed mining well; irrigation; hydrogeological condition; Zhaozhou County

“十二五”國家科技支撐計劃(2014BAD12B01-03)

鄭越馨(1995-)，女，吉林長春人，碩士研究生，研究方向: 寒區地下水評價與開發。 E-mail: hss_zhengyuexin@126.com。

S277.9

：A

：2096-0506(2017)08-0034-04