泵站灌溉和排水工程設計

陳春營 羅 元

（1駐馬店水利設計研究有限公司；2河南省豫北水利勘測設計院有限公司）

0 引 言

農田水利工程是農業生產不可或缺的重要方面，根據“十二五”國家提出的“加強大中型灌溉區續建配套節水改造、大型灌溉排水泵站更新改造和小型農田水利建設，增加農田有效灌溉面積，強化農業節水”的目標。灌溉與排水工程是水利事業的重要組成部分，灌溉排水工程在促進農業和農村經濟發展中具有重要的地位和作用。因此，要加強灌溉和排水工程建設，科學合理地進行設計，為農業的發展提供重要保障。

1 項目區概況

項目區春季前期少雨干旱，后期常低溫陰雨，夏季氣溫高且降雨集中，秋季溫差較大，冬季寒冷干燥。年平均氣溫15.10 ℃，多年平均風速2.10 m/s。

項目區地下水埋藏較深，灌溉條件較差，項目區群眾自發修建了很多坑塘，但由于建設標準低，多數坑塘沒有襯砌，淤積、滲漏問題嚴重。

灌區位于淺山丘陵區，渠道沿湍河臺地段繞山體運行，半挖半填段較多，且渠道多為土渠，運行數十年來，塌方、淤積、水毀使渠道老化失修，滲漏嚴重，致使灌區不能正常發揮效益。

2 項目區泵站灌溉工程設計

2.1 泵站布置及形式

根據各地塊耕地面積、地形、水源及工程布置，對地塊面積大且集中，而水源在低處的田塊建設固定泵站。本次共規劃泵站3 座，每座泵站效益面積60 hm2，共180 hm2。泵站自長城河提水，經管道輸水至高位調蓄池，再由調蓄池配套管道進入田間，田間管道設給水栓接移動軟管進行灌溉。

2.2 泵站設計流量計算

泵站設計流量計算公式如下：

式中：Q—設計流量，m3/s；q—設計凈灌水率，m3/s·萬hm2；A—設計灌溉面積，hm2；η—灌溉水利用系數。

2.3 輸水管道管徑計算

輸水管道管徑計算公式如下：

式中：Q—設計流量，m3/s；V—管道經濟流速，1 m/s；

泵站設計結果見表1。

表1 泵站設計成果表

2.4 泵房及附屬設計

根據泵站布置情況，泵站修建長城河旁邊，由集水井、泵房、水泵電機設備、管道系統組成。

集水井內徑2 m，深3.15 m。井壁下部采用厚50 cm的C25鋼筋混凝土結構、上部采用厚40 cm 的干砌石結構，干砌石上預留進水孔。井底設兩層濾料，厚度均為20 cm，濾料采用卵石和砂礫石。頂部設12 cm厚鋼筋混凝土蓋板。

泵房平面尺寸3 m×3 m，磚混結構，地坪采用C20混凝土，圈梁及構造柱采用C25鋼筋混凝土結構，屋頂采用C25鋼筋混凝土現澆板，泵房內部安裝離心泵、真空泵、控制閥、水表、逆止閥等設備。

泵站吸水管道采用DN200×6無縫鋼管，地埋敷設，根據需要在平面轉彎處或高程轉角處設置混凝土鎮墩。

泵站供水管道采用DN250 PE管，壓力1 MPa，壁厚14.80 mm，地埋敷設，根據需要在平面轉彎處或高程轉角處設置混凝土鎮墩。

2.5 泵站灌溉管道設計

2.5.1 管網設計原則和主要技術參數

管道系統布置與道路、林帶、供電、農業耕作結合，管線平順，力求使管線最短，控制面積最大。出水口位置、間距以灌溉面積均衡為原則，同時，兼顧農戶管理、使用方便。

依據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》，管網設計采用以下為主要技術參數：管網水利用系數取0.95，田間水利用系數取0.90，灌溉水利用系數取0.86。

2.5.2 管材選型

農田灌溉常用的管道管材有PVC-M、PE、鋼管等，各種管材特點見表2。

表2 管道管材比較表

經方案比較，PVC-M 管造價相對較低、施工簡便，不需要防腐防銹處理，且對地形變化適應能力較強，故選擇PVC-M管作為農田灌溉管道。

2.5.3 管網布置

管道系統布置采用單井管道系統，管道布置根據蓄水池位置、地塊形狀、種植方向及田間配套相結合，采用梳子型布置。

灌溉水源為泵站調蓄池，一個提灌站為一個獨立的灌溉系統。利用水泵將灌溉水提引至調蓄池，由田間干管將灌溉水輸送到田間支管，再由田間支管輸水到給水栓，通過給水栓連接移動軟管完成灌溉任務。

管道輸水的干、支兩級固定管道統一采用PVC-M管，長度根據地塊走向布置。

2.5.4 管道管徑計算

本次設計管道采用PVC-M管道，按經濟流速法計算管徑：

式中：d—管道直徑，mm；Q—管道設計流量，m3/h；v—管道內水的經濟流速，取1.00 m/s。

經計算，根據管道控制面積，泵站輸水干管管徑分別取200 mm、140 mm、支管管徑取90 mm，干支管公稱壓力均為0.63 MPa。

2.5.5 管道系統設計

管道系統主要包括管道、閥表及鎮支墩，管道包括干管、支管、給水栓等，閥表包括控制閥、水表、進排氣閥、減壓閥、泄水閥等，鎮支墩包括管道轉彎處的鎮墩和給水栓處的支墩。

2.5.5.1 管道

干管：干管自調蓄池引水，DN200 PVC-M 干管工作壓力0.63 MPa，壁厚3.90 mm，長度2 865 m；DN140 PVC-M 干管工作壓力0.63 MPa，壁厚2.80 mm，長度913 m。

支管：自干管引水向田間配水，選擇DN90 PVC-M管，工作壓力0.63 MPa，壁厚2 mm，長度10 673 m。

給水栓：安裝于豎管上，給水栓間距50 m，共布置給水栓226個，給水栓后接塑料軟管進行灌溉，由于群眾已有軟管，基本滿足使用，項目不再配套。

2.5.5.2 閥表

控制閥：每條干管、支管進口處設控制閥、水表各1 個，用于控制水流和水量計量，干管控制閥及水表型號DN200 及DN140、支管控制閥及水表型號DN90。

進排氣閥：項目區地形復雜，干管穿越溝底、崗頂時設進排氣閥1個，并且在管道長度超過500 m時也設進排氣閥1個，型號DN32。

泄水閥：為方便管道檢修，在支管末端或最低處設泄水閥1個，型號DN90。

3 項目區排水工程設計

3.1 調蓄池設計

調蓄池選擇地質條件較好的，如不漏水土層或較完整的巖石基礎地帶且靠近灌區的位置，為保證管網的工作水頭，本次設置調蓄池位置位于丘頂位置。

本次方案設計的調蓄池的主要作用不是調節水量，主要利用其地形產生的水位差，即調壓調蓄池。在用水量小時，不需啟動水泵，實現自壓灌溉，當用水量大時，泵站持續供水。

根據《農田水利工程規劃設計手冊》，調蓄池容積統一確定為150 m3，滿足灌溉要求。水池結構均采用C25鋼筋混泥土澆筑；集水坑采用C20混凝土澆筑。

規劃每處泵站配一座調蓄池，共規劃調蓄池3座。

3.2 排水工程設計

項目區地處緩坡丘陵地帶，地形明顯向主排水溝傾斜，田間排水體系基本健全，但局部淤積。本次結合道路布置，對田間排水體系進行清淤、疏浚，形成完整的排水體系。

3.2.1 排澇模數的確定

項目區排水按“10 年一遇，一日暴雨一日排出”的排澇標準設計。根據當地排澇設計資料知，確定項目區排澇模數取0.80 m3/（s/km2）。

3.2.2 排水溝流量的確定

根據排水溝控制面積，選取典型排水溝，計算典型排水溝設計流量見表3。

3.2.3 排水溝橫斷面設計

排水溝均采用梯形土質斷面，坡改梯區域的排水溝由于要跨越田坎，需要硬化襯砌，采用漿砌石結構。

表3 排水溝設計流量計算表

排水溝過水流量計算采用明渠均勻流公式計算：

式中：Q—排水溝設計流量，m3/s；Ω—渠道過水斷面面積（m2）；C—謝才系數；R—水力半徑（m）；χ—濕周，m；m—邊坡系數，結合當地土質情況和實際工程經驗，選用1。i—溝底比降；n—渠床糙率；b、h—溝底寬、水深，m。

根據排水溝控制面積和設計流量，設計排水溝斷面尺寸見表4。路邊溝斷面同農溝設計斷面。

表4 排水溝橫斷面設計成果表

根據規劃布局，規劃斗溝15 350 m，其中利用13 249 m、清淤2 101 m，規劃農溝43 056 m，其中利用10 285 m、新建30 460 m、襯砌2 311 m。

3.2.4 跌水設計

坡改梯區域的部分排水溝需橫穿梯田，排水溝跨越田坎時存在高差，需要設置跌水，以便排水溝縱向銜接。

根據梯田設計，按照梯田田坎高度，跌水落差2 m，跌水采用漿砌石結構，縱坡與田坎坡度一致。跌水末端設沉砂池，長×寬×深=0.80 m×0.80 m×0.70 m，沉砂池側面預留缺口與梯田毛溝連接，方便田間排水，缺口寬0.30 m、深0.30 m。

根據工程布置，共規劃跌水93座。

4 結 語

綜上所述，做好泵站灌溉和排水工程設計，要結合當地自然地理特征和人文地理特征,尋求最佳的設計方案,要充分考慮當地農業發展的實際需要，使泵站灌溉和排水工程更具合理性和科學性，充分滿足灌溉需水量的同時,切實提高水資源的利用率,保障農業可持續發展。