高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程低壓管道典型設(shè)計(jì)

胡建平

(夏邑縣水利局，河南 夏邑 476400)

0 引言

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程項(xiàng)目通過(guò)資金整合，集中連片開(kāi)發(fā)，發(fā)揮項(xiàng)目規(guī)模效益，推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利建設(shè)示范重點(diǎn)縣建設(shè)。按照“渠道不亂、用途不變、統(tǒng)籌安排、集中投入、各負(fù)其責(zé)、各記其功、形成合力”的原則，第一實(shí)行區(qū)間整合，整合農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)等與高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利建設(shè)內(nèi)容相近的項(xiàng)目，在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目相鄰區(qū)域，增強(qiáng)放大效應(yīng)；第二實(shí)行區(qū)內(nèi)整合將與高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容不一致，如林網(wǎng)改造、測(cè)土配方施肥、農(nóng)村公路建設(shè)等項(xiàng)目，在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、功能互促的效應(yīng)。

1 工程概況

項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容新打機(jī)電井，河塘整治，田間鋪設(shè)管網(wǎng)等工程，增加灌溉面積，提高灌溉水利用系數(shù)，減少水資源浪費(fèi)。近年來(lái)，某縣緊緊圍繞增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和旱澇保守高標(biāo)準(zhǔn)能力目標(biāo)，突出農(nóng)田水利、農(nóng)村飲水安全、小流域治理、河道治理、農(nóng)綜開(kāi)發(fā)、土地整理、優(yōu)質(zhì)小麥良種繁育基地建設(shè)等重點(diǎn)工程，解決農(nóng)業(yè)灌水技術(shù)粗放、種植結(jié)構(gòu)不合理、灌溉利用率低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，工程效益逐年提高。

2 低壓地埋管道工程典型設(shè)計(jì)

低壓地埋管道工程水源為地下水，通過(guò)水泵抽取地下水，干支管流入田間地頭，在地頭設(shè)置出水口，通過(guò)出水口連接移動(dòng)軟管澆灌農(nóng)田。干管支管均采用Φ110 mm PVC-M 管，管道埋深0.80 m，管溝寬0.50 m。低壓管灌工程所選典型設(shè)計(jì)為翟莊村 2 口機(jī)井所控制灌溉田，典型田塊耕地面積8 hm2。

2.1 工程布置

根據(jù)農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)布置，水源井設(shè)置井堡，井堡內(nèi)安設(shè)水泵、空氣閥各1個(gè)。布置南北走向的Φ110 mm PVC-M干管2條。根據(jù)規(guī)范，同時(shí)考慮地形因素，按照70 m間距，布置東西走向的Φ110 mm PVC-M支管4條。出水口間距50 m，設(shè)置閥門。

2.1.1 系統(tǒng)首部設(shè)計(jì)

水井位于井堡內(nèi)，首部設(shè)備均布置于井堡內(nèi)。井內(nèi)采用潛水泵供水，設(shè)置一空氣閥，用以解決運(yùn)行過(guò)程中排氣體及管道放空時(shí)進(jìn)氣。

2.1.2 田間控制設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范并結(jié)合田間地塊實(shí)際間距布置出水口，出水口設(shè)置閥門，澆地時(shí)采用移動(dòng)軟管接出水口向田間供水。

2.2 節(jié)水灌溉制度確定

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)種植的作物主要是小麥和玉米，在確定灌溉制度和節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)時(shí)選取作物耗水量大、具有典型代表性的玉米作為代表進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2.1 設(shè)計(jì)灌水定額

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土壤種類，土壤干容重為14 kN/m3，田間持水量為25%，取計(jì)劃濕潤(rùn)層深度H為0.60 m，則設(shè)計(jì)灌水定額按公式(1)計(jì)算：

M=1000γsH(β1-β2)

(1)

式(1)中：m—設(shè)計(jì)灌水定額(m3/hm2)；γs—土壤干容重(KN/m3)；H—土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(m)；β1，β2—適宜土壤含水量占土壤含水率的上下限。

根據(jù)有關(guān)資料，取大田作物低壓管計(jì)劃濕潤(rùn)層深度H=0.60 m，項(xiàng)目區(qū)土壤干容重γ=14 kN/m3，田間持水率為25%(占干土重的百分?jǐn)?shù))，適宜土壤含水率上、下限分別取田間持水量的90% 和65%，即β1=22.5%，β2=16.25%，計(jì)算得m=525 m3/hm2，每畝地需水量為35 m3，考慮水分損失，則每畝地灌水定額需40 m3。

2.2.2 設(shè)計(jì)灌水周期

設(shè)計(jì)灌水周期按式(2)計(jì)算：

T=mη/Ep

(2)

式(2)中：T—設(shè)計(jì)灌水周期(d)；m—設(shè)計(jì)灌水定額(mm)；Ep—主要作物日需水量(mm)，取5 mm；η—灌溉水利用系數(shù)，取0.85。計(jì)算得T=6.80 d，取T=7 d。

2.2.3 單井控制面積計(jì)算

單井控制灌溉面積按式(3)計(jì)算：

(3)

式(3)中：A—單井控制面積(畝)；Q0—設(shè)計(jì)流量(m3/h)；T—灌水周期(天)t—水泵每天工作時(shí)間(h)；η—灌溉水利用系數(shù)；m—設(shè)計(jì)凈灌溉定額；a—控制性作物種植比例。

結(jié)合工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單井控制面積為4.33 hm2。

2.3 工作出水口數(shù)

同時(shí)工作的出水口數(shù)取決于設(shè)計(jì)流量、土壤質(zhì)地，入畦單寬流量和畦寬，按照《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》要求，設(shè)計(jì)單寬流量取4～6 L/s·m，畦寬2.10 m。同時(shí)工作的出水口數(shù)為1個(gè)。

2.4 管道設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)流速表得按1.25 m/s，代入公式計(jì)算得管道直徑為d=95 mm。結(jié)合實(shí)際灌溉情況和從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，選用d=110 mm，0.40 MPa級(jí)別的PVC-M 硬聚氯乙烯管，管壁厚 2.70 mm。

2.5 管網(wǎng)水力計(jì)算

2.5.1 水頭損失計(jì)算

管道水頭損失包括沿程水頭損失與局部水頭損失 2 部分，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算沿程水頭損失時(shí)采用加大系數(shù)法把局部水頭損失估算在內(nèi)。簡(jiǎn)化后的水頭損失計(jì)算見(jiàn)式(4)：

hw=βfLQm/Db

(4)

式(4)中：hw-管道水頭損失(m)；β—考慮局部水頭損失的加大系數(shù)(取1.1)f—管材摩阻系數(shù)；L—管道長(zhǎng)度(m)；D—管道內(nèi)徑(mm)；Q—設(shè)計(jì)流量(m3/h)；m、b—流量指數(shù)、管徑指數(shù)。取最遠(yuǎn)點(diǎn)算水頭損失：hw=βfLQm/Db=1.1×0.948×105×290×281.77÷104.64.77=2.56 m。

取最近點(diǎn)B算水頭損失hw=βfLQm/Db=1.1×0.948×105×23×281.77÷104.64.77=0.20 m。

2.5.2 管道系統(tǒng)工作水頭

按照《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》要求，管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作水頭應(yīng)按最大和最小工作水頭的平均值取用。最大工作水頭為距水源最遠(yuǎn)的出水口通過(guò)設(shè)計(jì)流量對(duì)管網(wǎng)所需的工作水頭，最小工作水頭為距水源最近的出水口通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)所需的工作水頭計(jì)算見(jiàn)式(5)：

H0=(Hmax-Hmin)/2；Hmax=Z2-Z0+△Z2+∑hw2；Hmin=Z1-Z0+△Z1+∑hw1

(5)

式(5)中：H0—管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作水頭(m)；Hmax—管道系統(tǒng)最大工作水頭(m)Hmin—管道系統(tǒng)最小工作水頭(m)；Z0—管道系統(tǒng)進(jìn)口地面參考高程(m)；Z1—距水源最近的出水口地面參考高程(m)；Z2—距水源最遠(yuǎn)的出水口地面參考高程(m)；△Z1、△Z2—地面參考點(diǎn)分別與最近、最遠(yuǎn)出水口中心線的高差(取0.20 m)；∑hw1、∑hw2分別為距水源最近、最遠(yuǎn)出水口工作時(shí)管網(wǎng)的水頭損失(m)。

依據(jù)Z2-Z0取0 m，△Z2取0.20 m，∑hw2取2.56 m。Hmax=0.20+2.56=2.76 m；

Hmin=Z1-Z0+△Z1+∑hw1；依據(jù)Z1-Z0取0 m，△Z1取0.20 m，∑hw1取0.20 m。Hmin=0.20+0.20=0.40 m。

通過(guò)管網(wǎng)所需的工作水頭由下式計(jì)算：H0=(Hmax+Hmin)/2=(2.76+0.40)/2 =1.58 m。

2.5.3 水泵進(jìn)水管水頭損失

水泵進(jìn)水管水頭損失按公式計(jì)(6)計(jì)算：

Hw0=βfLQm/Db

(6)

式(6)中：hw=管道水頭損失(m)；β—考慮局部水頭損失的加大系數(shù)(取1.1)f—管材摩阻系數(shù)；L—管道長(zhǎng)度(m)；D—管道內(nèi)徑(mm)；Q—設(shè)計(jì)流量(m3/h)m、b—流量指數(shù)、管徑指數(shù)；依據(jù)B取1.10，f取6.25×105，L取21 m，D取70 mm，Q取28 m3/h，m取1.90，b取5.10。

計(jì)算得Hw0=1.1×6.25×105×21×281.9÷705.1=3.77 m。

2.5.4 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程

管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程按公式(7)計(jì)算：

Hp=H0+(Z0-Zd)+∑Hw0

(7)

式(7)中：Hp—管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程(m)；(Z0-Zd)—管道系統(tǒng)出口地面參考點(diǎn)與機(jī)井動(dòng)水位之間的高差(m)；∑hw0—水泵進(jìn)水管水頭損失(m)。

將上述有關(guān)數(shù)據(jù)H0取1.58 m，(Z0-Zd)計(jì)算高度為39 m，∑hw0取 3.97 m，代入上式得：Hp=1.58+39+3.97=44.55 m。

2.5.5 水泵選型與動(dòng)力配套

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及潛水泵規(guī)格，項(xiàng)目區(qū)配套水泵選定為200QS30-45/3-5.5 型潛水泵，出水量 30 m3/h，揚(yáng)程范圍 45 m，配套電機(jī) 5.50 kW，每臺(tái)潛水泵配套與之相匹配的電氣設(shè)備。水泵型號(hào)根據(jù)成井抽水試驗(yàn)結(jié)果合理的適當(dāng)調(diào)整，使其更好的滿足項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)典型設(shè)計(jì)結(jié)果，典型地塊 8 hm2需機(jī)井 2 眼，地埋管道1 020 m，安裝三通8個(gè)，彎頭4個(gè)，布置出水口30個(gè)，配Φ110軟管600 m。工程建成使用后，灌溉效益將大為增長(zhǎng)，新增有效灌溉面積0.07萬(wàn)hm2，恢復(fù)改善灌溉面積0.62萬(wàn)hm2，新增高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積0.69萬(wàn)hm2。