泵站管道輸水灌溉模式在農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目中的應(yīng)用分析

魏慶芬

（聊城市水利局，山東 聊城 252000）

1 工程概況

東昌府區(qū)全境地處黃河以北，灌溉體系由位山引黃二、三干渠、分干（支渠）斗渠及田間工程組成。梁水鎮(zhèn)主要種植糧食作物小麥和玉米，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄Y源量384.66 萬m3，其中地表水資源量2.15 萬m3；地下水資源量166.97 萬m3，地下水的補(bǔ)充主要依靠降雨和位山灌區(qū)引黃補(bǔ)充；客水量為215.54 萬m3；由于地處位山灌區(qū)下游，大部分地區(qū)需要提水灌溉。

項(xiàng)目建設(shè)前梁水鎮(zhèn)有小型提水泵站1 座，但已經(jīng)年久失修不能滿足當(dāng)?shù)卮迕竦墓喔刃枨螅喔燃竟?jié)由于缺少提水設(shè)施，造成百姓澆地困難的現(xiàn)象，由此影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，故梁水鎮(zhèn)當(dāng)務(wù)之急是必須建設(shè)農(nóng)田水利項(xiàng)目解決水危機(jī)問題。

梁水鎮(zhèn)地表水資源和引黃客水水資源較為豐沛，引黃灌溉條件比較有利，利用灌排水溝引黃補(bǔ)源，地下水資源含鹽度較高不適宜農(nóng)作物灌溉，故該鎮(zhèn)發(fā)展“小型提水泵站+低壓管道”灌溉，通過灌溉泵站引黃提水灌溉。泵站主要沿項(xiàng)目區(qū)內(nèi)三干渠、馬頰河、九分干、七分干、一支渠分布，共建設(shè)15 座泵站，控制灌溉面積1.05 萬畝，一個(gè)泵站控制一個(gè)村灌溉，不跨村。

2 泵站設(shè)計(jì)

梁水鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)15 個(gè)泵站涉及范圍內(nèi)，種植習(xí)慣、作物類型基本相近，以朱莊泵站為例進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

2.1 朱莊泵站基本情況

朱莊泵站控制灌溉面積843 畝，控制整個(gè)朱莊的耕地。灌區(qū)內(nèi)作物主要為冬小麥、夏玉米等；耕作層土壤為中壤土，土層深厚，田間持水率為25%，土壤容重1.4 g/cm3。農(nóng)作物為冬小麥、夏玉米一年兩作。朱莊規(guī)劃配套建設(shè)灌溉泵站1 座，位于朱莊村駐地東北部，自引黃渠道七分干渠取水，七分干水源充足，滿足建設(shè)小型泵站的要求。梁水鎮(zhèn)片區(qū)各村泵站的控制灌溉面積見表1。

表1 梁水鎮(zhèn)各村泵站灌溉面積統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)朱莊村的地形、道路、水源位置等情況，考慮使管線最短，便于機(jī)耕、控制面積最大、管理方便等因素，工程總體布置如下：

從位于朱莊駐地東北部的泵站引出干管1，干管1 向東埋設(shè)527 m，通過一個(gè)90°的彎頭后再向北埋設(shè)553 m。垂直于干管沿路布置支管，每隔50 m 在支管上設(shè)一個(gè)出水栓，在不需要出水栓的支管段不留栓僅埋設(shè)。干管上有支管分支的地方均設(shè)閥門井一個(gè)，閥門井采用預(yù)制玻璃鋼成品。每個(gè)給水栓出水口下均埋設(shè)一段1 m 以上的豎管與末端支管相連接。朱莊村泵站共布置干管總長1080 m，支管總長3194 m，不留出水栓支管75 m，給水栓 81 個(gè)。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 設(shè)計(jì)灌水定額

該區(qū)域土壤為中壤土，土壤容重為1.4 g/cm3，田間持水率為25%，濕潤層深度60 cm，農(nóng)作物主要為小麥、玉米。根據(jù)多年灌溉經(jīng)驗(yàn)，4 月～5 月份小麥灌溉用水期為作物需水高峰，最大日需水強(qiáng)度可達(dá)到Ea=6.5 mm/d。而玉米生長期正逢雨季，適時(shí)灌水即可滿足。設(shè)計(jì)時(shí)以小麥日需水量最高的灌漿期確定灌水定額。取土壤濕潤層深度Z=60 cm，適宜土壤含水量上限β1取田間持水率的90%，下限β2取62%。按下式計(jì)算設(shè)計(jì)灌水定額：

式中：m 為設(shè)計(jì)灌水定額，m3/hm2；rs為計(jì)劃濕潤層土壤干容重，kN/m3；h 為土壤計(jì)劃濕潤層深度，m；β1為適宜土壤含水量（占干土重百分?jǐn)?shù)）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?jǐn)?shù)）下限，取田間持水率的62%。

設(shè)計(jì)灌水定額m 按單位mm 計(jì)，計(jì)劃濕潤層土壤干容重rs按單位g/cm3計(jì)，則上式可變?yōu)椋?/p>

式中：β 為田間持水率，取25%。

經(jīng)計(jì)算：m=0.1×1.4×0.6×25×（90-62）=58.8 mm，合39.2 m3/畝。

2.2.2 設(shè)計(jì)灌水周期T

根據(jù)作物最大日需水量值，按下式計(jì)算理論灌水周期：

T理=（m/Ea）=58.8/6.5=9 d，因?yàn)閷?shí)際灌水中可能出現(xiàn)停水，故設(shè)計(jì)灌水周期應(yīng)小于理論灌水周期，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)用水的實(shí)際情況取T=7 d。

式中：T理為理論灌水周期，d；T 為設(shè)計(jì)灌水周期，d；Ea為控制區(qū)內(nèi)作物的最大日需水強(qiáng)度mm/d，取Ea=6.5 mm/d。其余符號(hào)含義同前。

（3）機(jī)泵工作時(shí)間

根據(jù)該區(qū)電源情況及群眾工作時(shí)間，確定每天凈工作時(shí)間為12 h。

2.3 灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量

根據(jù)設(shè)計(jì)灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天的工作時(shí)間，根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 20203-2006），按下式計(jì)算設(shè)計(jì)流量：

式中：Q設(shè)為管道灌溉系統(tǒng)的灌溉設(shè)計(jì)流量，m3/h；α 為種植比例，%，取 100；m 為設(shè)計(jì)凈灌水定額，m=58.8 mm，每畝灌水量為 39.2 m3；η 為灌溉水利用系數(shù)，取 0.85；t 為灌水時(shí)間，取 12 h；A 為灌溉面積，843 畝；T 為灌水天數(shù)，取 7 d。

計(jì)算得：Q設(shè)=462.8 m3/h，Q0=462.8 m3/h。

2.4 灌溉工作制度確定

2.4.1 毛灌水定額

毛灌水定額按下式計(jì)算：

式中：W毛為毛灌水定額，m3/畝；W 為凈灌水定額，m3/畝；η 為灌溉水利用系數(shù)，取η=0.85。

經(jīng)計(jì)算，W毛=46.12 m3/畝。

2.4.2 一次灌水延續(xù)時(shí)間

根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)，泵站灌溉單口流量q0在40 m3/h 左右，本次規(guī)劃設(shè)計(jì)單口流量取為40 m3/h。

則一次灌水延續(xù)時(shí)間：

式中：t次為一次灌水的延續(xù)時(shí)間，h；A0為單口控制面積，畝，由管網(wǎng)布置知，A0=843/81=10.4 畝；q0為單口流量，m3/h，q0=40 m3/h。

經(jīng)計(jì)算，t次=46.12×10.4/40=12 h。

2.4.3 輪灌組的劃分

式中：N 為輪灌組數(shù)目，個(gè)；q0為給水栓流量，40 m3/h；Q設(shè)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，462.8 m3/h；n 為給水栓總個(gè)數(shù)，81 個(gè)；int[]為取整符號(hào)。

則，N=8 個(gè)，可以將整個(gè)孫莊泵站灌區(qū)劃分為8 個(gè)輪灌組。

為減少干、支管管徑，利于一家一戶灌溉農(nóng)田，減少投資，采用干管續(xù)灌，支管輪灌的灌溉方式，每個(gè)輪灌組開啟11 個(gè)給水栓。輪灌組分區(qū)見表2。

2.5 管網(wǎng)水力計(jì)算

在工程中，管道材料既是影響管道經(jīng)濟(jì)合理性的主要因素，又基本決定了管道質(zhì)量的可靠性，因此必須考慮管道材質(zhì)的不同對(duì)管道工程的綜合影響，需要對(duì)各種不同的管道材質(zhì)進(jìn)行比較，以選用合理的管道材質(zhì)。根據(jù)東昌府區(qū)前幾年小農(nóng)水工程的經(jīng)驗(yàn)，確定本次工程干管、支管采用PVC-U 管材。PVC-U 管材具有內(nèi)壁光滑、輸水阻力小、耐腐蝕和施工安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在管道輸水灌溉工程中得到廣泛應(yīng)用。

2.5.1 管徑確定

按經(jīng)濟(jì)流速法確定各級(jí)管道管徑，計(jì)算公式為：

式中：Q 為流量，干管設(shè)計(jì)流量462.8 m3/h，支管設(shè)計(jì)流量80 m3/h；D 為管內(nèi)徑，mm；v 為經(jīng)濟(jì)流速，m/s，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99）確定管道經(jīng)濟(jì)流速v=1.0 m/s～1.5 m/s（干管計(jì)算取1.5 m/s，支管計(jì)算取1.2 m/s）。

表2 朱莊泵站輪滑組劃分表

經(jīng)計(jì)算，支管計(jì)算管徑為153.5 mm，干支管計(jì)算管徑為330.12 mm，結(jié)合實(shí)際情況節(jié)點(diǎn) 0～3 的干管選用 φ400 的PVC-U 管材，節(jié)點(diǎn) 3～4 的干管選用 φ250 的 PVC-U 管材；支管選用φ160 的PVC-U 的管材。

2.5.2 管道水頭損失計(jì)算

以最不利的工作狀態(tài)進(jìn)行水力計(jì)算和水泵選型，朱莊泵站選取支管1-12 最末端的出水口為最不清情況進(jìn)行水頭損失計(jì)算。

沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：hf為沿程水頭損失，m；f 為管材摩阻系數(shù)，PVC-U 管道取94800；Q 為管道設(shè)計(jì)流量，m3/h；D 為管道內(nèi)徑，干支管內(nèi)徑分別為 390.2 mm、237.6 mm、152 mm；m 為流量指數(shù)，1.77；b 為管徑指數(shù)，4.77；L 為管道計(jì)算長度，m。

經(jīng)計(jì)算，干管、支管沿程損失分別為4.53 m、5.33 m，總沿程損失為9.86 m。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)，則局部水頭損失hj=0.99 m。

2.5.3 首部樞紐和泵管水頭損失

沿程水頭損失計(jì)算：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；f 為摩阻系數(shù)，鋼管管材取6.25×105；L 為計(jì)算管道長度，此處計(jì)算鋼管長度15 m（從潛污泵外接的DN400 鋼管）；D 為管道內(nèi)徑，干管選用φ250PVC-U，此處鋼管選用DN400，計(jì)算內(nèi)徑為400 mm；m 為流量指數(shù)，取1.9；b 為管徑指數(shù)，取 5.1。

局部水頭損失hj 按總沿程水頭損失的10%計(jì)。經(jīng)計(jì)算首部樞紐和泵管水頭損失為0.06 m。

2.5.4 水泵系統(tǒng)總揚(yáng)程確定

灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程按下式計(jì)算：

式中：ΔZ 為水面到管網(wǎng)入口的高差，取5.6 m；Hin為管網(wǎng)水頭損失，10.66 m；hj為首部樞紐水頭損失，0.06 m；Hg為給水栓自由水頭，2 m。

經(jīng)計(jì)算，灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hp=18.32 m，水頭損失計(jì)算見表3。

表3 朱莊水頭損失計(jì)算表

2.6 水泵選型

根據(jù)確定的各項(xiàng)參數(shù)和前述計(jì)算結(jié)果，朱莊泵站選用1臺(tái)200QW480-18-45 型潛污泵，水泵額定流量480 m3/h，揚(yáng)程18 m，配套電機(jī)功率45 kW。同樣的計(jì)算方式，梁水鎮(zhèn)泵站灌區(qū)各泵站選型見表3。

表3 梁水鎮(zhèn)泵站灌區(qū)各泵站選型統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

梁水鎮(zhèn)泵站提水灌溉片區(qū)總投資995.82 萬元，建設(shè)小型提水泵站15 座，鋪設(shè)PVC-U 管道77.11 km，出水栓1285 個(gè)，鋪設(shè)低壓電纜4.35 km；項(xiàng)目實(shí)施后，梁水鎮(zhèn)灌溉水利用系數(shù)從0.60 提高到0.85；新增節(jié)水灌溉面積1.05 萬畝，與土渠灌溉相比，節(jié)水灌溉可節(jié)水30%以上。(按畝均節(jié)水100 m3計(jì))經(jīng)計(jì)算，則項(xiàng)目年均可節(jié)水105 萬m3；由此表明梁水鎮(zhèn)泵站管道輸水灌溉模式在農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目中的應(yīng)用是非常可行，可以為后續(xù)相類似的農(nóng)田水利項(xiàng)目的建設(shè)提供參考依據(jù)。