東昌府區小型農田水利工程機井提水高效節水灌溉設計分析

王 妍

（聊城市東昌府區水利局，山東 聊城 252000）

1 項目區概況

東昌府區位于山東省西部聊城市市轄區，為2018 年小型農田水利高效節水灌溉工程項目，涉及鄭家鎮、沙鎮兩個片區，建設面積2.45 萬畝，以機井提水管道輸水灌溉為主。包括沙鎮機井提水管道輸水灌溉片區1.40 萬畝、鄭家鎮機井提水管道輸水灌溉片區0.79 萬畝和鄭家鎮泵站提水管道輸水灌溉片區0.26 萬畝。

項目實施前：東昌府區耕地面積80.49 萬畝，有效灌溉面積71.61 萬畝，節水灌溉面積53.09 萬畝，高效節水灌溉面積35.46 萬畝，灌溉用水有效利用系數僅為0.6，嚴重制約了當地經濟的發展；另外東昌府區近幾年的重點縣高效節水項目的建設，也為此次項目的實施提供了豐富的經驗資料。

2 機井提水高效節水灌溉工程

沙鎮項目規劃配套原有機井249 眼，控制有效耕地面積1.40 萬畝；鄭家鎮項目規劃配套原有機井136 眼，控制有效耕地面積0.79 萬畝。

根據方田規劃及機井位置，井灌區管道輸水灌溉工程布置以單井為單元，以每眼井控制面積為單項工程，即每處灌溉工程均以單井自成系統，系統首部為潛水泵、射頻控制系統；工程的管網布置，采用樹枝狀管網，管道布設不打破村與村的地界，基本維持原田間道路、溝渠和地塊不變，機井沿道路布置，與灌排渠溝、道路輸電線路的布置相協調；每眼機井設進排氣閥一個，逆止閥一個，同時為每眼井配置數字遠傳水表1 個，水流通過水表后進入田間地埋管道進行灌溉。

2.1 機井工程

（1）機井單井控制面積計算

沙鎮機井灌區和鄭家鎮機井灌區均屬于淺層淡水豐水區，地下水源豐富，經抽水試驗確定項目區單井出水量在30 m3/h～49 m3/h，且水質較好，屬于宜井區。

單井控制面積按下式計算：

式中：F0為單井控制灌溉面積，畝；Q 為單井出水量，30 m3/h～49 m3/h；t 為灌溉期間每天灌溉時間，取12 h；T 為每次輪灌期的天數，取7 d；η 為灌溉水利用系數，取0.85；η1為干擾抽水的水量削減系數，取0.1；m 為每畝每次綜合平均灌水定額，m=39.2 m3/畝。

經計算：F0=49.2 畝～80.3 畝。

（2）井距的計算

方形排列布井時項目區內的機井合理間距按下式計算：

式中：L 為井距，m；F0為單井控制的面積，畝。

經計算：L=180 m～231 m，為了便于管理，機井盡量布置在項目區田間道路旁邊。

根據上述確定的每眼機井實際控制的灌溉面積，同時考慮到項目區淺層地下水的富水區位置及布井原則，確定項目區機井間距一般在200 m 左右。

（3）機井數量的確定

項目區機井數量的確定按下式計算：

式中：N 為標準地塊機井數量，眼；F1為井灌區標準地塊的灌溉面積，畝；F0為單井控制面積，畝。

目前沙鎮鎮灌區現有機井249 眼，鄭家鎮機井灌區現有機井136 眼。根據項目區實際情況，按單井控制面積56 畝左右考慮，能夠滿足機井灌區灌溉需求。

（4）井深與井徑的確定

根據項目區己有管井資料和實地調查情況，井深60 m～100 m左右，單井出水量為30 m3/h～39 m3/h，井壁管內徑φ300 mm、外徑φ400 mm 的無砂混凝土管。沙鎮鎮機井灌區下泵深度30 m和40 m 兩種下泵深度，鄭家鎮機井灌區下泵深度均為30 m。

2.2 機井提水管道灌溉典型設計

沙鎮鎮機井項目區控制灌溉面積1.40 萬畝，總計出水栓個數為2972 個，單口控制面積A0為4.72 畝。典型設計取沙鎮鎮片區前郭村原有機井13（前郭機井13）為例。

圖1 機電典型地塊布置圖

2.2.1 灌溉制度確定

（1）設計灌水定額

小麥、玉米為項目區主要農作物，需水高峰期一般出現在四五月份的小麥生長期灌溉，根據灌溉經驗，日需用水量最大強度Ea=6.5 mm/d；玉米生長期在五六月的雨季，對水的需求量不大。故依據項目區實際情況，設計灌水定額取小麥生長期灌溉最大日需水量，計算方式如下：

式中：m 為設計灌水定額，m3/hm2；rs為計劃濕潤層土壤干容重，kN/m3；h 為土壤計劃濕潤層深度，0.6 m；β1為適宜土壤含水量（占干土重百分數）上限，取田間持水率的90%；β2為適宜土壤含水量（占干土重百分數）下限，取田間持水率的62%。

設計灌水定額m 按單位mm 計，計劃濕潤層土壤干容重rs按單位g/cm3計，則上式可變為：

式中：β 為田間持水率，取25%。

經計算：m=0.1×1.40×0.6×25×（90-62）=58.8 mm，合39.2 m3/畝。

（2）設計灌水周期T

根據作物最大日需水量值，按下式計算理論灌水周期：

式中：T理為理論灌水周期，d；T 為設計灌水周期，d；Ea為控制區內作物的最大日需水強度mm/d，取Ea=6.5 mm/d；其余符號含義同前。

經計算，T=9 d，考慮實際灌水過程可能會出現中斷，同時結合項目區實際用水情況，故設計灌水周期，取T=7 d。

（3）灌溉設計流量的確定

灌溉設計流量按下式計算確定：

式中：Q設為管道系統的灌溉設計流量，m3/h；m 為設計灌水定額，m3/hm2；α 為控制性的作物種植比例，取100%；η 為灌溉水利用系數，取0.85；t 為日灌水時間，取12 h；A 為控制灌溉面積，hm2；T 為每次輪灌期的天數，取7 d。

設計灌水定額m 按單位m3/畝計，控制灌溉面積按單位畝計，則上式可變為：

則：Q設＝0.667×58.8×63÷（0.85×7×12）＝34.61 m3/h，設計流量Q 設滿足機井單井出水量30 m3/h～39 m3/h，滿足灌溉要求，取32 m3/h 作為設計流量。

（4）管道灌溉系統工作制度

①毛灌水定額

式中：W毛為毛灌水定額，m3/畝；W 為凈灌水定額，m3/畝；其它符號意義同前。

則：W毛=39.2/0.85=46.12 m3/畝。

②一次灌水的延續時間

式中：t次為一次灌水的延續時間，h；A0為單口控制面積，由上文可知，A0=4.72 畝；q0為單口流量，每次開1 個口，q0=32 m3/h。

則：t次=46.12×4.72/32=6.8 h

③輪灌組的劃分

進行農業灌溉時，一組一次一戶人家用水，所以采取支管開啟1 個給水栓的運行方式，每天最多灌溉兩組。

2.2.2 管道輸水灌溉工程管材選擇

PVC 管材連接速度快、接頭強度高；PE 管造價較高，接頭焊接繁瑣，在平原地區不如PVC 管材實用；玻璃鋼管接頭連接較為繁瑣，小管徑管材造價較高。

經對比，本著合理經濟的原則，沙鎮鎮片區確定選用UPVC 管材（PVC-U 管材）。

2.2.3 管網水力計算

（1）系統流量的確定

由于灌溉采用單井獨立運行，一次開一個給水栓，故支管流量Q支＝32 m3/h，干管流量Q干=32 m3/h。

（2）管徑的確定

由于機井出水量不大，結合實際地形和其他平原地區管道灌溉的成功運用經驗，采用單井獨立運行方式，一次開一個給水栓。考慮當一井損壞無法運用時，為了解決需水之急，采用耐壓塑料軟管，與相鄰井給水栓相連，以滿足灌溉需要，確定水泵揚程時，適當考慮向鄰近井管道供水的不利情況。

采用經濟流速法計算管道管徑：

式中：Q 為管道設計流量，m3/h；d 為管道內徑，mm；v 為管道經濟流速，干、支管均取v=1.2 m/s。

則：計算的支管管徑=97.08 mm，根據項目區實際用水情況和以往小型農田水利工程經驗，沙鎮鎮片區干管和支管均選用0.63 MPa 外徑125 mm 的PVC-U 管材。

（3）管網水力計算

沿程水頭損失計算：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；L 為計算管道的長度，m；Q 為管段設計流量，m3/h；d 為管道內徑，mm。

地面塑料軟管的沿程水頭損失按上式計算后，根據軟管輔設順直程序及地面平整情況，乘以1.1 倍系數。

以項目區內具有代表性的前郭村原有機井13（前郭機井13），進行大田作物管道輸水灌溉工程計算。前郭機井13，干管長20 m，支管長246 m，配地面移動軟管管徑125 mm，長度50 m。

固定管道沿程水頭損失：hf固＝（94800×20×321.77÷118.84.77）+（94800×246×321.77÷118.84.77）＝0.11+1.37=1.48 m。

地面移動軟管沿程水頭損失：hf軟＝1.1×94800×50×321.77÷1254.77=0.24 m。

地面軟管出水口預留2 m 水頭。

局部水頭損失計算：

局部水頭損失按總沿程水頭損失的10%計，潛水泵首部樞紐部分的局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計。

2.2.4 水泵選型

式中：H總為系統要求的總揚程，m；hf為輸水管道沿程水頭損失，m；hf泵為潛水泵首部樞紐部分的沿程水頭損失，m；d 為泵管管徑，d＝80 mm；L 為泵管長度，L＝40 m，計算得hf泵=3.56；ΔZ為機井穩定動水位到田面控制點的高差，m，取37 m；h出口為地面移動軟管出水口工作水頭，取2 m。

經計算，H總＝43.71 m。根據計算選用200QJ32-52/4 潛水電泵，流量Q＝32 m3/h，揚程H＝52 m，功率7.5 kW。

項目區內單井控制的面積基本相同，管網均為單井布置，故各井采用相同的機泵。沙鎮鎮機井灌區共埋設Φ125PVC-U管道94.08 km，鄭家鎮機井灌區共埋設Φ125PVC-U 管道56.09 km，末端出水口使用DN125 彎頭和立管，與地埋管道相連接，非末端出水口使用DN125 三通和出水口相連接。

3 工程效益分析

（1）項目區糧食作物實施水源工程和管道高效灌溉工程后，小麥畝增產40 kg，玉米畝增產50 kg。項目實施后，糧食價格按當地市場價，同時考慮水利分攤系數，經計算，東昌府區2018 年度小型農田水利專項補助資金項目實施后，年增產效益414.05 萬元。

（2）項目區實施高標準節水灌溉后，與土渠灌溉相比:

每畝可節地1%左右，（按年均畝純收入1000 元計）經計算年節地效益為1000 元×2.45 萬畝×1%=24.5 萬元；

每畝用工量可節省1～2 個，（按畝均省工1 個，40 元/個工計）據此計算出年省工效益2.45 萬畝×40 元=98 萬元。

按畝均年節能8 kW·h 計，按0.6 元/（kW·h）計，年節能效益為2.45 萬畝×8kW·h×0.6 元/（kW·h）=11.76 萬元。

每畝可節水30%以上，（按畝均節水100 m3計）經計算年均可節水100 m3×2.45 萬畝=245 萬m3。

4 結論

項目施工期為2018 年的3 月底開工，至2018 年6 月底竣工，配套原有舊井385 眼,鋪設各類田間低壓管道172.59 km，完成配套機井385，資金投入2410 萬元。

項目實施后，有效灌溉面積達到74.06 萬畝，占全區總耕地面積的92.01%，節水灌溉面積55.54 萬畝，高效節水灌溉面積37.91 萬畝，灌溉水利用系數達到0.85；年增加經濟效益為548.31 萬元，節水245 萬m3。可為類似工程設計提供借鑒。