四川丘陵地區小型提灌站設計

張亞瓊， 曾文明， 文亦驍， 盧 珍， 阮紅麗， 李玉玲

（四川省農業機械研究設計院，四川 成都 610065）

0 引言

丘陵地區存在水低田高的問題，農田灌溉用水需要通過建設小型提灌站進行提水，而提灌站設計是提灌站建設中的重要環節。本文以四川省宣漢縣雙河鎮大田村的20 hm2藍莓果園為例，建立一座小型提灌站，將水通過水泵加壓輸送到高位的原有堰塘，提供灌溉用水，從而提高藍莓產量，獲得較好的經濟效益，帶動當地農村經濟發展。

1 提灌站水量分析

本提灌站水源為趙家溝水庫（圖1），該水庫有效庫容>156 000 m3，果園取水點高程為521 m，出水口高程為666.4 m，高程差為145.4 m，通過藍莓果園的控灌面積、灌水定額及灌溉水利用系數等計算灌區毛灌溉用水量，灌水定額取最大一次灌水定額。

圖1 趙家溝水庫和提灌站建設地位置Fig. 1 Zhaojiagou reservoir and construction site of irrigation station

根據藍莓生長需水規律結合當地百姓經驗，并參照DB 51/T 2 138?2016《四川省用水定額》，灌溉保證率取P=75%，灌溉用水定額確定為1 500 m3/hm2，按每年灌水20 次，最大一次灌水定額為300 m3/hm2，灌區毛灌溉用水量的計算如式（1）所示。

式中W?灌區毛灌溉用水量，m3

Wj?灌區凈灌溉用水量，m3

η?灌溉水利用系數，η＝0.85，滴灌η＝0.9

A? 灌區灌溉面積，hm2

w?最大一次灌水定額，m3/hm2

通過計算得出灌區年毛灌溉用水量為7 060 m3，一年灌水20 次，則灌區年需水量為141 200 m3，趙家溝水庫的年有效庫容>156 000 m3，即水源年來水量>156 000 m3，灌區水源來水量大于灌區年需水量，灌區水源水量能夠滿足灌溉需求。

2 提灌站水力計算

2.1 設計流量計算

灌區主要種植藍莓，灌區面積為20 hm2。最大灌溉流量為

式中Q1?最大灌溉流量，m3/h

m?灌區面積，hm2

t?機組每天運行時間，h，取20 h

T?輪灌時間，d，取10 d

η?灌溉水利用系數，85%

2.2 管徑計算

提灌站設計流量Q應 大于最大灌溉流量Q1，本文取40 m3/h，根據DB51/T 990?2020《小型泵站設計規程》的規定，初步確定管道管內流速v=2.0 m/s，則

本提灌站高程差較大，凈揚程較高，根據灌區管路走向地形和施工安裝條件等各方面因素綜合考慮，輸水管道采用無縫鋼管與HDPE 管相結合的方式。查管材產品目錄，管路選擇?114×7 的無縫鋼管和?110×1.6 MPa的HDPE 管。則管內流速由式（5）、式（6）計算。

（1）無縫鋼管內流速。

（2）HDPE 管內流速。

式中Q?水泵設計流量，m3/h

v1?無縫鋼管流速，m/s

v2?HDPE 管流速，m3/h

d1?無縫鋼管管道內徑，m

d2?HDPE 管管道內徑，m

2.3 總揚程計算

（1）總揚程H。

總揚程主要由凈揚程、沿程水力損失、局部損失3大部分構成。總揚程可用式（7）進行計算。

（2）沿程水力損失hf。

通過勘測數據的實際情況管路采用?114×7 無縫鋼管318 m 和?110×1.6 MPa HDPE 管1 300 m，沿程水力損失可分為無縫鋼管中的損失和HDPE 管中的損失兩大部分，可根據式（8）計算。

其中無縫鋼管的沿程水力損失根據式（9）達西公式進行計算，HDPE 管根據式（10）海曾-威廉公式進行計算[1]。

λ為沿程摩阻系數，可根據式（11）舍維列夫公式進行計算[2]。

式中hf?總的沿程水力損失，m

hf1?無縫鋼管中的沿程水力損失，m

hf2?HDPE 管中的沿程水力損失，m

L1?無縫鋼管長度，m

L2?HDPE 管長度，m

Ch?海曾?威廉系數，管材的粗糙系數，不同的管材系數不同，本文為HDPE 管，一般取150

（3）局部損失hj。

局部損失主要分為無縫鋼管中的局部損失和HDPE管中的局部損失兩大部分。局部損失一般為沿程水力損失的5%～15%，本文取10%的水力損失，可用式（12）、式（13）、式（14）進行計算[2-4]。

式中hj?總的局部損失，m

hj1?無縫鋼管中的局部損失，m

hj2?HDPE 管中的局部損失，m

揚程計算結果如表1 所示。

表1 揚程計算結果Tab. 1 Calculation results of head

2.4 水錘計算

由于輸水管道管徑大小不同，在不同的位置，管道中的速度和水錘波的傳播速度存在差異，水錘計算較為困難。本文將輸水管道簡單化，將串聯管的水錘壓力轉化為有相同的管長、周期和動能的簡單管，通過計算管道流速、水錘波傳播速度、傳播時間等的加權平均值來確定簡單管的水錘壓力[5-7]。

（1）管道中水錘波傳播速度值。

式中V?聲波在水中的傳播速度，m/s，取值為1 435 m/s

ε?水的彈性模量，kg/cm2，取值為2.1×104kg/cm2

E?管壁的彈性模量，kg/cm2，鋼管為2.1×106kg/cm2，PE 管為8.2×103kg/cm2

D? 壓力管道內徑，mm

δ?管壁厚度，mm

（2）管道加權平均流速。

設 管 道特 性 為L1，V1， α1；L2，V2， α2； ……；Ln，Vn， αn，則等價簡單管的總長可用式（16）計算[8]。

根據管中流體流動時動能不變的原則有

由此可得加權平均流速

（3）波速加權平均值。

根據相長不變的原則，水錘波按平均波速由斷面閥門傳到水庫斷面所需的時間等于水錘波在各段傳播時間的總和[8]。

由此可得波速的加權平均值

（4）水錘波在水管中傳播一次所需時間[8]。

式中L?壓力管道總長度，m

αm?水錘波傳播速度，m/s

（5）壓力管特性常數。

式中 ρm?管道特性常數

σm?水錘特性常數

H0?凈水頭，m

Vm?管道中水流流速，m/s

Ts?導葉關閉時間，s，取5 s

經計算本工程提灌管道發生間接水錘。間接水錘壓力按式（24）計算。

式中 ?Hr?水錘壓力代表值，m

Ky?修正系數，取1

ξ?水錘壓力相對值，按SL744?2016《水工建筑物荷載設計規范》附錄E 所列解析公式計算

水錘壓力計算結果如表2 所示，各運行情況計算結果均符合設計要求。

表2 水錘壓力計算結果Tab. 2 Calculation results of water hammer pressure

3 水泵選型

3.1 水泵選型原則

（1）滿足灌溉需求的流量、揚程。

（2）水泵在高效率范圍內運行[9]。

（3）水泵長期運行過程中效率高、能耗低，運行成本低[9]。

（4）購買水泵的成本低，前期投資少。

（5）水泵安裝后能長時間安全運行[9-10]。

（6）安裝方便、操作簡單、易于檢修。

3.2 水泵性能參數

根據上述的選型原則進行水泵選型，選用立式多級離心泵，泵的型號為CDL42-100，水泵性能參數如表3所示。

表3 水泵性能參數Tab. 3 Performance parameters of water pump

根據選型原則選擇合適的水泵型號、輸水管道、電機等相關設備，并按相應的標準進行泵房設計，繪制的小型提灌站泵房示意如圖3 所示。

圖3 提灌站泵房示意Fig. 3 Schematic diagram of pump house of pumping station

4 結論

以四川省宣漢縣雙河鎮的藍莓果園為例，進行了小型提灌站的計算與設計，先對灌區水源水量平衡進行分析，得出趙家溝水庫來水量能夠滿足灌溉需求。后通過計算灌區灌溉需水量確定水泵流量，通過計算確定輸水管道直徑，并計算輸水管道中的沿程損失和局部損失等與凈揚程共同確定泵的揚程。由于灌區水低田高，凈揚程較大，防止出現水錘現象，采用等價轉化的方式進行了水錘計算。