楊立魁，侯新明，劉 淵 ，何文龍，林永濤，高昌珍

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西省水利機(jī)械廠，太原 030001；3.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450045；4.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450045；5.河南五建集團(tuán)，鄭州 450007）

近年來(lái)，我國(guó)把糧食安全和解決三農(nóng)問(wèn)題放在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要位置，水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已列入改善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的首位。農(nóng)田水利建設(shè)對(duì)于增加糧食產(chǎn)量、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。對(duì)于農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)，汪順生等［2］對(duì)丘陵灌區(qū)的灌溉工程設(shè)計(jì)做了技術(shù)總結(jié)，康璇等［3］對(duì)灌溉工程中的輸水工程、灌溉制度、排水溝設(shè)計(jì)做了充分研究，但因采用的均為非自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，沒(méi)有涉及自動(dòng)灌溉的電力系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)。本文結(jié)合社旗縣小型農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目中的水井、水泵、管道工程、電力系統(tǒng)布置做了分析研究，為類似工程設(shè)計(jì)提供了參考。

1 水文地質(zhì)概況

項(xiàng)目所在地位于南陽(yáng)市社旗縣，社旗縣地處北亞熱帶，多年平均徑流深257mm，有較豐富的地表水和地下水，水質(zhì)良好，適用于農(nóng)田灌溉。水資源總量3.28億m3，水資源可利用量1.67億m3，從形式上可分為地表水和地下水兩大類。地表水資源在社旗縣境內(nèi)主要指河流、鴨河灌區(qū)和小型水庫(kù)，地表水資源可利用量0.80億m3。社旗縣地下水資源可開(kāi)采量0.87萬(wàn)m3。社旗縣地下水可分為3種類型：

1.1 淺井區(qū)

地下水埋深20～60m，含水層約3～4層，含水層厚度6～8m，巖性以半粗砂為主，部分有粗砂和礫石。

1.2 中井區(qū)

地下水埋深60～130m，含水層約3～4層，含水層厚度5～8m，巖性以中粗砂為主。

1.3 深井區(qū)

地下水埋深130m以上，含水層3～5層，含水層厚度5～8m，巖性以中細(xì)砂為主。

2 機(jī)井工程設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)井設(shè)計(jì)

機(jī)井采用管井，其結(jié)構(gòu)包括井口、井壁管和沉淀管。機(jī)井口由井臺(tái)、井堡、井蓋構(gòu)成，濾料頂部至井口段，采用黏土球封閉2m。管井井口井臺(tái)為C20混凝土，高0.45m，埋深0.2m。井管采用鋼筋混凝土焊接管，管內(nèi)徑300mm，管壁厚50mm，濾水段長(zhǎng)27m，在透水層填充濾料，非透水層填充黏土球。過(guò)濾器采用鋼筋混凝土透水管，外部包纏尼龍紗并用4根竹片捆扎增加其整體性，然后填礫，項(xiàng)目區(qū)含水層多為中粗砂，濾料營(yíng)選用磨圓度較好的硅質(zhì)砂、礫石充填。沉淀管長(zhǎng)4m，采用鋼筋混凝土實(shí)體管，管徑300mm，管壁厚50mm。井底設(shè)井底盤。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件、含水層性質(zhì)、厚度及項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀機(jī)井運(yùn)行資料等因素進(jìn)行分析，結(jié)合物探參數(shù)，確定設(shè)計(jì)單井出水量為35～45m3/h，根據(jù)井灌區(qū)水文地質(zhì)及現(xiàn)有成井資料和物探成果，該區(qū)成井深度一般80m，動(dòng)水位47～50m。穩(wěn)定抽水降深為3～4m。

2.2 單井控制面積

單井控制面積依式（1）～式（3）［6］計(jì)算：

式中 F0為單井控制面積（hm2）；Q為單井出水量，取32m3/h；T2為每次輪灌周期，設(shè)計(jì)為8d；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.8；η1為干擾抽水的水量削減系數(shù)，取0.2；t3為灌溉期每天開(kāi)機(jī)時(shí)間，取16h；m2為每次綜合平均灌水定額，取 540m3/hm2；L0為井距（m）；F4為規(guī)劃區(qū)內(nèi)灌溉面積（hm2）；N為規(guī)劃區(qū)需要打井?dāng)?shù)（眼）。

計(jì)算求得單井控制面積為F0=4.85hm2，灌區(qū)面積為1866.67hm2，共需打385眼機(jī)井，井距為220.05m。

3 灌溉制度

3.1 灌水定額

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土壤種類，土壤干容重14.3kN/m3，田間持水量25%，取計(jì)劃濕潤(rùn)層深度0.6m，則設(shè)計(jì)灌水定額［1］按式（4）計(jì)算：

式中 m為設(shè)計(jì)灌水定額（m3/hm2）；γs為土壤干容重（kN/m3）；H 為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度 （m）；β1，β2為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 0.6m，項(xiàng)目區(qū)土壤干容重14.3kN/m3，田間持水率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=536m3/hm2，考慮水分損失，則灌水定額為540m3/hm2。

3.2 灌水周期

灌水周期按SL/T153—95《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》［5］公式進(jìn)行計(jì)算：

式中 T為設(shè)計(jì)灌水周期 （d）；m為設(shè)計(jì)灌水定額（mm）；Ea為主要作物日需水量（5.5mm/d）；η 為灌溉水利用系數(shù)，取0.85。

計(jì)算得T=8.3，取T=8d。

3.3 同時(shí)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SL/T153—95《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》［5］要求，設(shè)計(jì)單寬流量取 4～6L/（s·m），畦寬 2.0m。 其公式：

式中 N為同時(shí)工作出水口數(shù)；Q為設(shè)計(jì)流量（m3/h）；q 為入畦寬流量 4～6L/（s·m）；B 為畦寬（m）。

將有關(guān)參數(shù)代入：求得N為1.11個(gè)；根據(jù)實(shí)際情況，同時(shí)工作的出水口數(shù)為1個(gè)。

4 水泵設(shè)計(jì)及選型

4.1 管道水頭損失計(jì)算

按SL/T153—95《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》［5］公式進(jìn)行計(jì)算：

式中 hf為沿程水頭損失（m）；f為管材摩阻系數(shù)，與摩組損失有關(guān)，取 0.915×105；L 為管長(zhǎng)，取 50m；Q 為管道流量，根據(jù)規(guī)劃單臺(tái)水泵出水量取Q=32m3/h；d為管道內(nèi)徑（mm）；m為流量指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，取1.77；b為管徑指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，取4.77。

井內(nèi)輸水管為鋼管，內(nèi)徑65mm，長(zhǎng)度取50m，求得其沿程水頭損失4.75m；井外采用內(nèi)徑80mm塑料軟管輸水，長(zhǎng)度取200m，求得其沿程水頭損失7.06m。

本次規(guī)劃為水泵出水后直接接移動(dòng)軟管。對(duì)于地面移動(dòng)軟管，由于軟管壁薄，質(zhì)軟并具有一定的彈性，輸水性能與一般硬管不同。過(guò)水?dāng)嗝骐S充水壓力而變化，其沿程阻力系數(shù)和沿程水頭損失不僅取決于雷諾數(shù)、流量及管徑，而且明顯受工作壓力影響，此外還與軟管輔設(shè)地面的平整程度及軟管的順直狀況有關(guān)。在工程設(shè)計(jì)中，地面軟管沿程水頭損失通常采用塑料硬管計(jì)算公式計(jì)算后乘以一個(gè)系數(shù)，該系數(shù)根據(jù)地埋管道布置的順直程度及鋪設(shè)地面的平整程度取1.1～1.5，考慮灌溉管理措施，該系數(shù)取值1.5。根據(jù)公式（7）代入數(shù)據(jù)計(jì)算，200m地面移動(dòng)軟管管道沿程水頭損失為10.59m。經(jīng)計(jì)算，管道沿程水頭損失為10.59+4.75=15.34m。水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的管道局部水頭損失，按沿程水頭損失的10%計(jì)算，為1.53m。

4.2 水泵揚(yáng)程計(jì)算

水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程按式（8）［5］計(jì)算：

式中 H0為典型地面與水泵出水口高差，考慮地形因素，取2m；Zd為機(jī)井動(dòng)水位埋深，為50m；Hf為水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的管道沿程水頭損失；Hj為水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的管道局部水頭損失。

經(jīng)計(jì)算，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為68.87m。

根據(jù)以上計(jì)算的水泵揚(yáng)程和單井設(shè)計(jì)流量選取水泵。水泵的出水量根據(jù)一眼井控制灌溉面積和灌溉定額計(jì)算出需要流量，所選泵流量略小于或等于井預(yù)測(cè)的單井出水量。經(jīng)計(jì)算比較，項(xiàng)目區(qū)80m深機(jī)井選用200QJ-32-78/6的潛水泵，配套電機(jī)功率為11kW。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

5 管道工程

5.1 管網(wǎng)布置

根據(jù)SL/T153—95《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，干管采用準(zhǔn)110mmPE管，支管采用準(zhǔn)93mmPE管，毛管為準(zhǔn)16mmPE管。灌區(qū)進(jìn)行RTK地形測(cè)量后，用CAD軟件將地形點(diǎn)按地形輪廓進(jìn)行連線，并根據(jù)高程點(diǎn)繪制等高線圖，然后進(jìn)行管路圖的布置，在設(shè)計(jì)中盡量避開(kāi)田地中的經(jīng)濟(jì)作物，按線路最短的原則，沿地埂與土路進(jìn)行布置，干管布置沿地形坡度走向，支管平行于等高線布設(shè)。

5.2 設(shè)計(jì)灌水均勻度的確定

灌水均勻度高，灌水質(zhì)量好，水利用率高，但投資和運(yùn)行費(fèi)高，應(yīng)根據(jù)作物、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、水源、地形、和氣候等綜合確定。

一般建議：Cv＝0.90～0.98或qv=10%～30%。均勻度與流量偏差的關(guān)系如表2。

綜合考慮取灌溉均勻度Cv=95%，灌水器流量偏差為20%。此數(shù)值決定毛管的最大鋪設(shè)長(zhǎng)度。

表2 均勻度與流量偏差的關(guān)系

5.3 滴灌毛管設(shè)計(jì)

采用MRD160/0.9-40滴灌管，毛管管徑16mm，滴頭間距0.4m，設(shè)計(jì)工作水頭8m，毛管布設(shè)間距2.3m，設(shè)計(jì)流量2L/h，制造偏差0.04。

滴灌管的最大鋪設(shè)長(zhǎng)度107m，為達(dá)到更理想的滴灌效果，設(shè)計(jì)最長(zhǎng)的滴灌管長(zhǎng)度控制在80m以內(nèi)。同時(shí)可以確定每個(gè)小區(qū)內(nèi)支管的水利損失需要控制在2m以內(nèi)。滴管帶鋪設(shè)極限長(zhǎng)度如表3。

表3 滴管帶鋪設(shè)極限長(zhǎng)度

5.4 安全防護(hù)

為使管網(wǎng)安全運(yùn)行，保證水泵開(kāi)機(jī)時(shí)能夠迅速排除管內(nèi)空氣，避免空氣積聚產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，在管道中應(yīng)設(shè)置進(jìn)排氣閥。在每個(gè)地塊地勢(shì)較低處設(shè)置一泄水閥，在管道檢修階段能將存水放出，進(jìn)入冬季后應(yīng)將管道內(nèi)存水放出，防止管道凍裂。根據(jù)塑料管性能和當(dāng)?shù)販夭钋闆r，一般每100m管道設(shè)置一個(gè)伸縮節(jié)，特別是夏季施工更應(yīng)該引起注意，伸縮節(jié)也可以用橡膠止水接頭代替。為了保護(hù)管道，保證管道連接可靠，在管網(wǎng)首末端、轉(zhuǎn)彎、變坡、分水三通、閘閥等處設(shè)置鎮(zhèn)墩。

6 電力及配套設(shè)備

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)有高壓線網(wǎng)，現(xiàn)僅考慮地面電纜設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)電井配套需要，結(jié)合井位和變壓器位置確定配套電纜線長(zhǎng)度200～300m，依據(jù)負(fù)荷確定線徑。設(shè)計(jì)考慮為農(nóng)村各種用電負(fù)荷的發(fā)展留有余地，查地埋電纜允許載流量，選用單股三根聚氯乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套電力電纜。

地埋電纜布置根據(jù)變壓器和負(fù)荷的分布綜合考慮，須適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要，結(jié)合水、田、林、路、村莊等自然條件，通盤考慮，合理布局。

線路路徑盡量選擇在地邊、路邊和渠邊，要避開(kāi)易受雨水沖刷的地方，避開(kāi)集中堆肥和漚肥的場(chǎng)所。

地埋電力線路的最大供電半徑，一般不宜超過(guò)1km。地埋電纜采用挖溝直埋，溝底寬300mm，口寬700mm，溝深1000mm，穿越道路和溝渠地段要適當(dāng)加深且先行套用PVC60管保護(hù)。溝底應(yīng)平直結(jié)實(shí)，無(wú)沉塌缺陷，無(wú)尖硬雜物外砌磚護(hù)體。出現(xiàn)高差時(shí)應(yīng)挖成平緩斜坡，鎧裝電纜彎曲半徑應(yīng)不小于電纜直徑的20倍，敷設(shè)溫度應(yīng)不低于0℃。地埋電纜與其他結(jié)構(gòu)物的距離不小于表4的規(guī)定。

表4 地埋電纜與管線最小距離

本工程給水計(jì)量設(shè)備采用機(jī)井灌溉收費(fèi)控制箱（包括智能控制器，機(jī)箱，防雷模塊，斷路開(kāi)關(guān)，電表等），既可以計(jì)量用水量，也可以計(jì)量用電量，計(jì)量準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品成功解決了農(nóng)村井灌區(qū)長(zhǎng)期存在的水費(fèi)（電費(fèi)）計(jì)量不準(zhǔn)、拖欠及人為浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，提高了水資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)了灌溉管理的自動(dòng)化。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）灌溉管網(wǎng)的布置要結(jié)合地形圖來(lái)確定，干管布置要沿地形坡度走向，支管要平行于等高線布設(shè)。

（2）根據(jù)以上分析計(jì)算，灌區(qū)共需建機(jī)井385眼，井距為220m，配套200QJ-32-78/6的水泵385臺(tái)，功率為11kW。

（3）隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)被廣應(yīng)用于農(nóng)田水利建設(shè)中，對(duì)于自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)將是今后學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

［1］汪志農(nóng).農(nóng)田水利學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［2］汪順生，高傳昌.管道輸水灌溉技術(shù)在丘陵地區(qū)的應(yīng)用［J］.排灌機(jī)械，2004,22（5）：32-34.

［3］康璇，陳倩，王秀茹，等.低山地區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（16）：3395-3398，3402.

［4］SL103—95 微灌工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］SL/T153—95低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范 ［S］.

［6］SL256—2000 機(jī)井技術(shù)規(guī)范［S］.

［7］魏琳，雷孝章，張廣興.川中丘陵區(qū)蓄水池設(shè)計(jì)研究［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（3）：81-83.