德州市陵城區2020年高標準農田建設項目小型水源工程設計分析

高衛國

（山東省德州市陵城區農業農村局，山東 德州 253500）

1 工程概況及設施現狀概況

1.1 工程概況

2020年陵城區高標準農田建設項目區2片，位于于集鄉1.9878萬畝和邊臨鎮2.0122萬畝。項目總投資為5200萬元。其中申請省以上財政資金4000萬元，地方配套1200萬元。規劃于集鄉建設高標準管道輸水灌溉面積1.9878萬畝，新建泵站77處；規劃邊臨鎮建設高標準管道輸水灌溉面積2.0122萬畝新建固定式小型提水泵站72處。

1.2 工程區設施現狀

陵城區屬德州市引黃灌區下游，全區灌溉以引黃水源為主，引水方式是節制閘蓄水、提水進入輸水溝網后再二級提水進行灌溉。陵城區現有耕地面積117萬畝，有效灌溉面積84.09萬畝，中型灌區灌溉水利用系數約0.55，小型灌區灌溉水利用系數不足0.5。至2017年底，全區共建節水灌溉面積59.61萬畝，占有效灌溉面積的70.8%，其中，高效節水灌溉面積47.13萬畝，灌溉水利用系數0.86；灌溉供水量23269.62萬 m3，實際灌溉需水量 24845.77萬 m3，缺水1576.14萬m3。陵城區現有坑塘616座，機井11353眼，中型灌溉排水泵站1處，小型灌溉泵站共有18座，現有末級灌溉渠道1561 km，配套建筑物1092個。

根據灌區現狀，此次建設的重點是小型水源工程建設，從實際出發,充分考慮本地自然、氣候條件和社會經濟發展水平,結合灌溉水源條件,因地制官發展管道輸水灌湘工程,提高灌水效率和水的利用率。

2 工程形式選擇

2.1 水源形式選擇

項目區為典型的平原引黃灌區，區內引黃灌排溝渠縱橫交錯，灌溉季節引黃資源較為豐富，但由于缺乏水源工程及灌溉工程，項目區灌溉保證率低，因此項目區規劃以地表水（黃河水）為水源。

2.2 節水灌溉模式選擇

由于項目區地處超采區，渠道防滲占地面積大、節水效率低，且項目區為引黃灌區，溝渠來水不及時，所以項目區全部選擇采用“分散式小型引水泵站+高標準管道輸水灌溉”的高效節水灌溉模式。

3 小型水源工程設計分析

項目區泵站灌溉農作物種植主要以冬小麥和夏玉米輪作為主，田間實行了窄短畦種植。泵站控制面積100畝～500畝，由于泵站主要分布在各干支流上，泵站的布置較為分散，故項目區灌溉規劃以單個泵站為水源成立獨立的灌溉系統。在此基礎上，結合泵站所處的位置，按節水灌溉技術規范要求，規劃管道輸水灌溉工程配水斗管之間的距離不大于150 m，配水斗管上放水口的間距不大于60 m。放水口以下的田間配套使用軟管灌溉，替代田間的毛渠輸水和實現田間均勻灌水。

根據工程的規模和數量，選擇具有代表性的孫國莊村1號泵站工程進行典型設計。

3.1 建筑物等級

孫國莊村1號泵站控制灌溉面積462畝，泵站設干管3條，每條干管控制灌溉面積分別為193畝、184畝、85畝，考慮到灌溉季節的泵站使用的靈活性和管理方便的因素，每條干管均配備一套潛污泵，總設計流量172.5 m3/h。根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）的有關規定，工程規模確定為小（2）型；工程等別為V等，主要建筑物5級，次要建筑物5級。

3.2 泵站總體構造

潛污泵站的主體工程包括進水建筑物和閥井組成。進水池開口設在河道內，采用喇叭口型設計，采用C25混凝土護底，兩岸為M10漿塊石擋土墻，進水池口設密目鋼網攔污，焊接在攔污柵上。工程選用立式潛污泵，將水泵固定在進水池內。

提水泵房：采用預制泵房，首部設置逆止閥、安全閥、進排氣閥、水表等。

3.3 泵的揚程確定

式中：hf為輸水管道沿程總水頭損失，m；ΔZ為水面到泵站最高出水口的水頭差；hf首為首部樞紐和泵管水頭損失。

經計算：控制灌溉面積為193畝時，H=8.62+1.1×5+7.5=21.62 m；控制灌溉面積為184畝時，H=9.48+1.1×5+7.5=22.48 m；控制灌溉面積為85畝時，H=4.59+1.1×5+7.5=17.59 m。

3.4 泵站主要設備型號

根據每個機組所控制的灌溉面積計算設計流量及總揚程，選用潛污泵，參數見表1。

表1 水泵參數表

3.5 泵室地基應力計算

式中：a為垂直于水流方向的底板寬度，m；b為順水流方向的底板寬度，m；∑G為作用于基底面上的總垂直力，kN；e為合力距底板中心軸的偏心距，m。

經計算泵室最大基底應力＜1.2[P]＝139.2 kPa，不均勻系數 1.02＜[2.0]。均滿足《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）的規定規范要求。

3.6 進水前池穩定計算

泵站抗滑穩定計算及地基應力計算采用《泵站設計規范》（GB/T b50265-2010）中公式 6.3.4-1、6.3.8-1。

（1）基礎底面的抗滑穩定安全系數計算公式

式中：∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；f為建筑物與地基的摩擦系數，f=0.25。

（2）基礎底面應力計算公式

計算成果見表2。

表2 前池穩定計算成果表

由表2可知，各種工況下計算結果均滿足《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）的規定規范要求。

3.7 電氣設計

泵站主要在灌溉時運行，不是全年運行確定為三級負荷，采用單電源供電。

（1）接入電力系統方式

農村電網經過建設改造后，10 kV架空線路已經覆蓋所有村莊，且供電質量有較大提高，供電容量充足。本工程選擇供電電壓等級為10 kV。變壓器距離供電電源較近時由附近10 kV架空線引來；距離較遠時，架設一段距離的10 kV架空線引來。

（2）變電站方案選擇及電氣主接線

本工程按照“配電變壓器一般安裝在其供電范圍的負荷中心，并滿足線路末端電壓質量的要求，以減少線路的損耗”的原則確定變壓器的位置，一般每個臺區供3～8座小型灌溉泵站用電，從配電變壓器的低壓側到每個泵站，按輻射式和鏈式向四周延伸，供電半徑不宜超過1000 m。

本工程以于集鄉孫國莊村小型泵站電氣設計作為典型設計，孫國莊村變壓器供電范圍為孫國莊村1～6號泵站，每座泵均配備潛污泵1～2臺，見表3。

表3 于集鄉孫國莊村變壓器負荷統計表

經過比較擇優，確定6臺小型泵站配備變壓器1臺。其所需電容量按下式計算：

式中：S為變壓器容量，kVA；P為電動機額定功率，kVA；P1為照明用電總功率，kVA。

經計算，S=160 kVA。

根據計算結果，結合項目區情況于集鄉孫國莊村設變壓器1臺，采用SC11系列低損耗節能變壓器，容量為160 kVA，變比為(10±5%)/0.4。主接線采用高、低壓母線均為單母線不分段接線方式，小型泵站用電均自變壓器低壓側引接。

為降低成本，經當地電業部門同意，本工程用變電站采用桿上變壓器臺。

（3）低壓電纜選擇

為做到供電上的安全、可靠、經濟和技術合理，同時考慮到本工程用電設備較分散，負荷電流大、線路長，電壓損失是主要矛盾。因此本工程按正常工作時的允許電壓損失初選其截面并按其它條件進行校驗。最終確定低壓電纜采用YJLV22-1型交聯鋁芯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套鎧裝電力電纜。盡量沿地邊、路邊、渠邊地中直埋敷設，電纜直埋敷設深度不應小于0.7 m。

（4）機組啟動方式

采用經驗公式估算法計算電動機端電壓降均為小于15%，滿足規范要求，采用全壓直接起動方式。每臺水泵設1臺射頻卡控制器作為水泵的控制設備。

4 結論

本項目計劃資金到位后，整個工程由項目區鎮政府協助農業農村局組織實施，利用（2019年10月～2020年7月）10個月的時間完成工程建設任務。

（1）增產效益

項目區小麥種植面積4萬畝，玉米種植面積4萬畝。據當地已建成項目區測算，項目實施后項目區小麥每畝可增產60 kg/畝，玉米增產70 kg/畝；小麥按2.1元/kg，玉米按1.6元/kg，全項目區年增產952萬元。項目增產效益分攤系數按0.4計，增產效益為459.2萬元。

（2）節水效益

項目實施后，大大提高了灌溉水的利用率，灌水及時，灌溉質量提高。同時在田間實行秸稈覆蓋等農藝節水措施，灌溉水利用系數由0.6提高到0.85以上，每年可節水102.86萬m3。