農田基礎設施項目田間工程設計

肖召偉

(虞城縣水利局，河南 虞誠 476300)

1 工程概況

根據農田基礎設施田間工程建設設計的各項原則，項目區選在虞城縣沙集鄉的柳杭村、陳堂村、任樓村、任橋村、老集村、大劉樓村、杏崗寺村、馬樓村、唐莊村等9個行政村。耕地面積共1 666.67 hm2。

井群布置結合項目區實際情況：按照《機井技術規范》條文解釋2.4.6條“依照上式計算井距和井數為平均值，應視當地地形、土質等情況，適當增減”的規定進行設計。

2 設計灌水定額

結合當地實際情況，根據河南省地方標準《農業用水定額》，虞城縣屬于豫東平原區，灌溉保證率為75%時，小麥灌水定額為2.33～3.00 m3/hm2，玉米灌水定額為2.00～2.33 m3/hm2。確定項目區作物綜合設計灌水定額為2.67 m3/hm2。

3 單井控制面積

3.1 機井出水量的確定

機井出水量計算采用承壓含水層完整井計算公式，出水量計算公式如下：

(1)

式中：Q—管井出水量，m3/h；K—含水層的滲透系數m/h，據相關地質資料，查《機井技術手冊》表4-6，K=0.09 m/h；M—含水層的厚度，取34 m；S—抽水降落深度，據相關抽水試驗取S=12 m；R—管井的影響半徑，查《機井技術手冊》表4-30，R取150 m；r—管井的內半徑，r為0.25 m。

經計算，單井出水量Q為36.08 m3/h，水量能夠滿足要求。該地區設計單井出水量為20 m3/h，靜水位約9～10 m，當地現狀井動水位16～18 m，考慮項目建成后井群相互影響，規劃時動水位取20 m，確定沙集鄉高標區機井深度為45 m。

3.2 每次輪灌期天數

根據灌水臨界期作物最大日需水量值，按下式計算理論灌水周期。因為，實際灌水中可能會出現停水、配水設備故障等原因，故設計灌水周期應大于理論灌溉周期。

T理=(m設/W)η

(2)

式中：T理—理論灌水周期(d)；m設—設計灌水定額；W—作物最大日耗水量(5.70 mm/d)；η—灌溉水利用系數(取0.85)。

計算得：T理=5.96(d)。依據當地生產狀況該項目區主要是旱作物及出現故障的概率大小，T理確定為7 d。

單井控制面積依下式計算：

(3)

式中：F0—單井控制面積(hm2)；Q—單井出水量，20 m2/h；T2—每次輪灌周期，設計為7 d；η—灌溉水利用系數，0.85；η1—干擾抽水的水量削減系數，取0.15；t3—灌溉期每天開機時間，取21 h；m2—綜合平均灌水定額，(取2.67 m3/hm2，指項目區內種植的各種作物需要灌溉的綜合參數)。

通過計算，單井控制面積F0=3.54(hm2)。結合當地實際情況，確定項目區單井控制面積為3.53 hm2。

4 機井布置

虞城縣沙集鄉農田基礎設施項目區井群布置，結合實際情況按照《機井技術規范》依照上式計算井距和井數為平均值，具體規劃應視當地地形、土質等情況。結合項目區地下水的調查、地形情況、權屬界線和調查各村具體情況，虞城縣沙集鄉農田基礎設施項目區規劃新建45 m深機井114眼。

5 井的數量的確定

按下式計算：

N=F/F0=18 910/50≈378.2(眼)

(4)

式中:F—灌溉總面積，項目區面積1 260.67 hm2；F0—單井控制面積；考慮項目區田塊組成情況，取378眼井。井群布置按照《機井技術規范》條文解釋2.4.6條“依照上式計算井距和井數為平均值，應視當地地形、土質等情況，適當增減”的規定，結合項目區實際情況，綜合考慮項目區道路、溝渠、地塊分布、土地權屬以及井優先沿路布置的原則。

綜合考慮虞城縣沙集鄉農田基礎設施項目區原有機井、溝渠、地塊分布、土地權屬以及井優先沿路布置的原則，實際規劃新建機井196眼。

5 井型結構

5.1 井深、井徑、管徑設計

機井設計深度45 m，井管內徑500 mm、壁厚70 mm。井深0～3 m之間選取鋼筋混凝土實管，井深3～42 m之間選取無砂混凝土濾水管，42～45 m選用沉淀管。根據水利部《機井技術規范》設計過濾器外徑和井孔直徑。

過濾器外徑應滿足下式要求：

Dg≥Qg/(πLgnvg)

(5)

式中：Dg—過濾器外徑，算至濾料表面m；Qg—管井地設計出水量，20 m3/h；Lg—過濾器有效長度，可按過濾器長度(20 m)的85%計算，n—過濾器表面進水有效空隙率(按50%考慮)；vg—允許入管流速，m/s。

井孔直徑可用下式校核：

Dk≥Qg/(πLgnvj)

(6)

式中：Dk—含水層井孔直徑，m；Q—管井的設計取水量，20 m3/h；Lg—過濾器長度，20 m；vj—允許井壁進水流速，m/s。根據吉哈爾特公式：

(7)

查表3.3.4，選取K=15 m/d，得vj=(15/24/3 600)1/2/15，vg=0.01 m/s。(15/24/3 600)1/2/15=9×10-4m/s，由Qg=20 m3/h，Lg=20 m，代入上面公式可得：Dg≥Qg/(πLgnvg)=20/(3.14×20×85%×0.50×0.01×3 600)=0.02(m)；Dk≥Qg/(πLgnvj)=20/(3.14×20×1×10-3×3 600)=0.09(m)。

經計算，設計井徑、過濾器直徑(井開口直徑)，均符合《機井技術規范》要求。

5.2 濾料應符合規定

濾料應符合下列規定：①濾料粒徑D50按下式確定：D50=(8～10)d50。式中：D50、d50—濾料、含水層砂樣過篩累計重量分別為50%時的顆粒直徑，mm。②濾料砂粒徑1～3 mm。③濾料選用濾料砂填充，填充厚度150 mm。

6 水泵設計揚程與泵型選擇

6.1 水泵設計揚程

6.1.1 水泵揚程水力計算

管道管網的水力計算實際就是計算管網中的沿程水頭損失和局部水頭損失，由水頭損失計算進行水泵選擇配套，管道選材采用涂塑軟管。

水泵揚程計算是水泵選擇的重要依據，其計算公式為：

(8)

式中：hf—沿程水頭損失，m；f—管材摩阻系數，取為0.95×105；L—管道長度；Q—流量，20 m3/h；d—管內徑；m—流量指數；b—管徑指數。

其中f、m、b取值見表1。

表1 f、m、b值表

對于地面移動軟管，由于軟管壁薄，質軟并具有一定的彈性，輸水性能與一般硬管不同。過水斷面隨充水壓力而變化，其沿程阻力系數和沿程水頭損失不僅取決于雷諾數、流量及管徑，而且明顯受工作壓力影響，此外還與軟管鋪設地面的平整程度及軟管的順直狀況有關。

6.1.2 局部水頭損失

管道局部水頭損失的計算公式為：

(9)

因個別參數取值不易確定，通常局部水頭損失按沿程水頭損失的15%考慮，即：

hj=hf×15%=4.98×15%=0.75(m)

(10)

式(9)、式(10)中字母含義同上。

6.1.3 揚程計算及泵型選擇

設計楊程計算方法為：

H=∑hf+∑hj+Δh+h0

(11)

式中：H—設計楊程，m；∑hf—管道沿程水頭損失之和，4.98 m；∑hj—管道局部水頭損失之和，0.75 m；Δh—典型地面與水泵出水口高差，考慮地形因素，取0.50 m；h0—動水位，(根據當地現狀井動水位16～18 m,考慮項目建成后井群相互影響，規劃時動水位取20 m)；計算得H=4.98+0.75+0.50+20=26.23(m)。

6.2 泵型的選擇

根據上面計算結果和地下水狀況，最后確定井深45 m配套水泵的設計流量為20 m3/h，設計揚程選取40 m，故選泵為200QJ20-33-3kW和200QJ20-40/3-4kW。

7 機井配套及井房

7.1 機井配套

配套SMC玻璃鋼井房184座、灌溉控制系統184套、不銹鋼水泵200QJ20-33-3kW(包括配套電纜40 m、涂塑軟管200 m、鋼絲繩35 m等配件)110套、不銹鋼水泵200QJ20-40/3-4 kW(包括配套電纜40 m、鋼絲繩35 m等配件)74套。敷設φ110地埋管道17 760 m、出水口666套。無電老井配套戶外配電箱及基座131套。

7.2 井房

井房為0.86 m×0.86 m×1.40 m玻璃鋼井房結構，井房內設有配電箱，配電箱內置鐵門、保險鎖及開關等。井房基座為C20混凝土預制井臺。

井房的建設主要是為保證機井設備安全和方便管理，項目區共計184座,配套C20混凝土井臺、玻璃鋼井盤、玻璃鋼控制箱及控制系統。