東昌府區(qū)小型農(nóng)田水利工程機(jī)井提水高效節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)分析

王 妍

（聊城市東昌府區(qū)水利局，山東 聊城 252000）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

東昌府區(qū)位于山東省西部聊城市市轄區(qū)，為2018 年小型農(nóng)田水利高效節(jié)水灌溉工程項(xiàng)目，涉及鄭家鎮(zhèn)、沙鎮(zhèn)兩個(gè)片區(qū)，建設(shè)面積2.45 萬(wàn)畝，以機(jī)井提水管道輸水灌溉為主。包括沙鎮(zhèn)機(jī)井提水管道輸水灌溉片區(qū)1.40 萬(wàn)畝、鄭家鎮(zhèn)機(jī)井提水管道輸水灌溉片區(qū)0.79 萬(wàn)畝和鄭家鎮(zhèn)泵站提水管道輸水灌溉片區(qū)0.26 萬(wàn)畝。

項(xiàng)目實(shí)施前：東昌府區(qū)耕地面積80.49 萬(wàn)畝，有效灌溉面積71.61 萬(wàn)畝，節(jié)水灌溉面積53.09 萬(wàn)畝，高效節(jié)水灌溉面積35.46 萬(wàn)畝，灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.6，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展；另外東昌府區(qū)近幾年的重點(diǎn)縣高效節(jié)水項(xiàng)目的建設(shè)，也為此次項(xiàng)目的實(shí)施提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)資料。

2 機(jī)井提水高效節(jié)水灌溉工程

沙鎮(zhèn)項(xiàng)目規(guī)劃配套原有機(jī)井249 眼，控制有效耕地面積1.40 萬(wàn)畝；鄭家鎮(zhèn)項(xiàng)目規(guī)劃配套原有機(jī)井136 眼，控制有效耕地面積0.79 萬(wàn)畝。

根據(jù)方田規(guī)劃及機(jī)井位置，井灌區(qū)管道輸水灌溉工程布置以單井為單元，以每眼井控制面積為單項(xiàng)工程，即每處灌溉工程均以單井自成系統(tǒng)，系統(tǒng)首部為潛水泵、射頻控制系統(tǒng)；工程的管網(wǎng)布置，采用樹枝狀管網(wǎng)，管道布設(shè)不打破村與村的地界，基本維持原田間道路、溝渠和地塊不變，機(jī)井沿道路布置，與灌排渠溝、道路輸電線路的布置相協(xié)調(diào)；每眼機(jī)井設(shè)進(jìn)排氣閥一個(gè)，逆止閥一個(gè)，同時(shí)為每眼井配置數(shù)字遠(yuǎn)傳水表1 個(gè)，水流通過水表后進(jìn)入田間地埋管道進(jìn)行灌溉。

2.1 機(jī)井工程

（1）機(jī)井單井控制面積計(jì)算

沙鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)和鄭家鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)均屬于淺層淡水豐水區(qū)，地下水源豐富，經(jīng)抽水試驗(yàn)確定項(xiàng)目區(qū)單井出水量在30 m3/h～49 m3/h，且水質(zhì)較好，屬于宜井區(qū)。

單井控制面積按下式計(jì)算：

式中：F0為單井控制灌溉面積，畝；Q 為單井出水量，30 m3/h～49 m3/h；t 為灌溉期間每天灌溉時(shí)間，取12 h；T 為每次輪灌期的天數(shù)，取7 d；η 為灌溉水利用系數(shù)，取0.85；η1為干擾抽水的水量削減系數(shù)，取0.1；m 為每畝每次綜合平均灌水定額，m=39.2 m3/畝。

經(jīng)計(jì)算：F0=49.2 畝～80.3 畝。

（2）井距的計(jì)算

方形排列布井時(shí)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的機(jī)井合理間距按下式計(jì)算：

式中：L 為井距，m；F0為單井控制的面積，畝。

經(jīng)計(jì)算：L=180 m～231 m，為了便于管理，機(jī)井盡量布置在項(xiàng)目區(qū)田間道路旁邊。

根據(jù)上述確定的每眼機(jī)井實(shí)際控制的灌溉面積，同時(shí)考慮到項(xiàng)目區(qū)淺層地下水的富水區(qū)位置及布井原則，確定項(xiàng)目區(qū)機(jī)井間距一般在200 m 左右。

（3）機(jī)井?dāng)?shù)量的確定

項(xiàng)目區(qū)機(jī)井?dāng)?shù)量的確定按下式計(jì)算：

式中：N 為標(biāo)準(zhǔn)地塊機(jī)井?dāng)?shù)量，眼；F1為井灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地塊的灌溉面積，畝；F0為單井控制面積，畝。

目前沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)灌區(qū)現(xiàn)有機(jī)井249 眼，鄭家鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)現(xiàn)有機(jī)井136 眼。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，按單井控制面積56 畝左右考慮，能夠滿足機(jī)井灌區(qū)灌溉需求。

（4）井深與井徑的確定

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)己有管井資料和實(shí)地調(diào)查情況，井深60 m～100 m左右，單井出水量為30 m3/h～39 m3/h，井壁管內(nèi)徑φ300 mm、外徑φ400 mm 的無砂混凝土管。沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)下泵深度30 m和40 m 兩種下泵深度，鄭家鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)下泵深度均為30 m。

2.2 機(jī)井提水管道灌溉典型設(shè)計(jì)

沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)機(jī)井項(xiàng)目區(qū)控制灌溉面積1.40 萬(wàn)畝，總計(jì)出水栓個(gè)數(shù)為2972 個(gè)，單口控制面積A0為4.72 畝。典型設(shè)計(jì)取沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)片區(qū)前郭村原有機(jī)井13（前郭機(jī)井13）為例。

圖1 機(jī)電典型地塊布置圖

2.2.1 灌溉制度確定

（1）設(shè)計(jì)灌水定額

小麥、玉米為項(xiàng)目區(qū)主要農(nóng)作物，需水高峰期一般出現(xiàn)在四五月份的小麥生長(zhǎng)期灌溉，根據(jù)灌溉經(jīng)驗(yàn)，日需用水量最大強(qiáng)度Ea=6.5 mm/d；玉米生長(zhǎng)期在五六月的雨季，對(duì)水的需求量不大。故依據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)灌水定額取小麥生長(zhǎng)期灌溉最大日需水量，計(jì)算方式如下：

式中：m 為設(shè)計(jì)灌水定額，m3/hm2；rs為計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤干容重，kN/m3；h 為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，0.6 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(rùn)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=0.1×1.40×0.6×25×（90-62）=58.8 mm，合39.2 m3/畝。

（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：

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。

經(jīng)計(jì)算，T=9 d，考慮實(shí)際灌水過程可能會(huì)出現(xiàn)中斷，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際用水情況，故設(shè)計(jì)灌水周期，取T=7 d。

（3）灌溉設(shè)計(jì)流量的確定

灌溉設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算確定：

式中：Q設(shè)為管道系統(tǒng)的灌溉設(shè)計(jì)流量，m3/h；m 為設(shè)計(jì)灌水定額，m3/hm2；α 為控制性的作物種植比例，取100%；η 為灌溉水利用系數(shù)，取0.85；t 為日灌水時(shí)間，取12 h；A 為控制灌溉面積，hm2；T 為每次輪灌期的天數(shù)，取7 d。

設(shè)計(jì)灌水定額m 按單位m3/畝計(jì)，控制灌溉面積按單位畝計(jì)，則上式可變?yōu)椋?/p>

則：Q設(shè)＝0.667×58.8×63÷（0.85×7×12）＝34.61 m3/h，設(shè)計(jì)流量Q 設(shè)滿足機(jī)井單井出水量30 m3/h～39 m3/h，滿足灌溉要求，取32 m3/h 作為設(shè)計(jì)流量。

（4）管道灌溉系統(tǒng)工作制度

①毛灌水定額

式中：W毛為毛灌水定額，m3/畝；W 為凈灌水定額，m3/畝；其它符號(hào)意義同前。

則：W毛=39.2/0.85=46.12 m3/畝。

②一次灌水的延續(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，由上文可知，A0=4.72 畝；q0為單口流量，每次開1 個(gè)口，q0=32 m3/h。

則：t次=46.12×4.72/32=6.8 h

③輪灌組的劃分

進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)，一組一次一戶人家用水，所以采取支管開啟1 個(gè)給水栓的運(yùn)行方式，每天最多灌溉兩組。

2.2.2 管道輸水灌溉工程管材選擇

PVC 管材連接速度快、接頭強(qiáng)度高；PE 管造價(jià)較高，接頭焊接繁瑣，在平原地區(qū)不如PVC 管材實(shí)用；玻璃鋼管接頭連接較為繁瑣，小管徑管材造價(jià)較高。

經(jīng)對(duì)比，本著合理經(jīng)濟(jì)的原則，沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)片區(qū)確定選用UPVC 管材（PVC-U 管材）。

2.2.3 管網(wǎng)水力計(jì)算

（1）系統(tǒng)流量的確定

由于灌溉采用單井獨(dú)立運(yùn)行，一次開一個(gè)給水栓，故支管流量Q支＝32 m3/h，干管流量Q干=32 m3/h。

（2）管徑的確定

由于機(jī)井出水量不大，結(jié)合實(shí)際地形和其他平原地區(qū)管道灌溉的成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，采用單井獨(dú)立運(yùn)行方式，一次開一個(gè)給水栓?？紤]當(dāng)一井損壞無法運(yùn)用時(shí)，為了解決需水之急，采用耐壓塑料軟管，與相鄰井給水栓相連，以滿足灌溉需要，確定水泵揚(yáng)程時(shí)，適當(dāng)考慮向鄰近井管道供水的不利情況。

采用經(jīng)濟(jì)流速法計(jì)算管道管徑：

式中：Q 為管道設(shè)計(jì)流量，m3/h；d 為管道內(nèi)徑，mm；v 為管道經(jīng)濟(jì)流速，干、支管均取v=1.2 m/s。

則：計(jì)算的支管管徑=97.08 mm，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際用水情況和以往小型農(nóng)田水利工程經(jīng)驗(yàn)，沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)片區(qū)干管和支管均選用0.63 MPa 外徑125 mm 的PVC-U 管材。

（3）管網(wǎng)水力計(jì)算

沿程水頭損失計(jì)算：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；L 為計(jì)算管道的長(zhǎng)度，m；Q 為管段設(shè)計(jì)流量，m3/h；d 為管道內(nèi)徑，mm。

地面塑料軟管的沿程水頭損失按上式計(jì)算后，根據(jù)軟管輔設(shè)順直程序及地面平整情況，乘以1.1 倍系數(shù)。

以項(xiàng)目區(qū)內(nèi)具有代表性的前郭村原有機(jī)井13（前郭機(jī)井13），進(jìn)行大田作物管道輸水灌溉工程計(jì)算。前郭機(jī)井13，干管長(zhǎng)20 m，支管長(zhǎng)246 m，配地面移動(dòng)軟管管徑125 mm，長(zhǎng)度50 m。

固定管道沿程水頭損失：hf固＝（94800×20×321.77÷118.84.77）+（94800×246×321.77÷118.84.77）＝0.11+1.37=1.48 m。

地面移動(dòng)軟管沿程水頭損失：hf軟＝1.1×94800×50×321.77÷1254.77=0.24 m。

地面軟管出水口預(yù)留2 m 水頭。

局部水頭損失計(jì)算：

局部水頭損失按總沿程水頭損失的10%計(jì)，潛水泵首部樞紐部分的局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)。

2.2.4 水泵選型

式中：H總為系統(tǒng)要求的總揚(yáng)程，m；hf為輸水管道沿程水頭損失，m；hf泵為潛水泵首部樞紐部分的沿程水頭損失，m；d 為泵管管徑，d＝80 mm；L 為泵管長(zhǎng)度，L＝40 m，計(jì)算得hf泵=3.56；ΔZ為機(jī)井穩(wěn)定動(dòng)水位到田面控制點(diǎn)的高差，m，取37 m；h出口為地面移動(dòng)軟管出水口工作水頭，取2 m。

經(jīng)計(jì)算，H總＝43.71 m。根據(jù)計(jì)算選用200QJ32-52/4 潛水電泵，流量Q＝32 m3/h，揚(yáng)程H＝52 m，功率7.5 kW。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)單井控制的面積基本相同，管網(wǎng)均為單井布置，故各井采用相同的機(jī)泵。沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)共埋設(shè)Φ125PVC-U管道94.08 km，鄭家鎮(zhèn)機(jī)井灌區(qū)共埋設(shè)Φ125PVC-U 管道56.09 km，末端出水口使用DN125 彎頭和立管，與地埋管道相連接，非末端出水口使用DN125 三通和出水口相連接。

3 工程效益分析

（1）項(xiàng)目區(qū)糧食作物實(shí)施水源工程和管道高效灌溉工程后，小麥畝增產(chǎn)40 kg，玉米畝增產(chǎn)50 kg。項(xiàng)目實(shí)施后，糧食價(jià)格按當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)，同時(shí)考慮水利分?jǐn)傁禂?shù)，經(jīng)計(jì)算，東昌府區(qū)2018 年度小型農(nóng)田水利專項(xiàng)補(bǔ)助資金項(xiàng)目實(shí)施后，年增產(chǎn)效益414.05 萬(wàn)元。

（2）項(xiàng)目區(qū)實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)水灌溉后，與土渠灌溉相比:

每畝可節(jié)地1%左右，（按年均畝純收入1000 元計(jì)）經(jīng)計(jì)算年節(jié)地效益為1000 元×2.45 萬(wàn)畝×1%=24.5 萬(wàn)元；

每畝用工量可節(jié)省1～2 個(gè)，（按畝均省工1 個(gè)，40 元/個(gè)工計(jì)）據(jù)此計(jì)算出年省工效益2.45 萬(wàn)畝×40 元=98 萬(wàn)元。

按畝均年節(jié)能8 kW·h 計(jì)，按0.6 元/（kW·h）計(jì)，年節(jié)能效益為2.45 萬(wàn)畝×8kW·h×0.6 元/（kW·h）=11.76 萬(wàn)元。

每畝可節(jié)水30%以上，（按畝均節(jié)水100 m3計(jì)）經(jīng)計(jì)算年均可節(jié)水100 m3×2.45 萬(wàn)畝=245 萬(wàn)m3。

4 結(jié)論

項(xiàng)目施工期為2018 年的3 月底開工，至2018 年6 月底竣工，配套原有舊井385 眼,鋪設(shè)各類田間低壓管道172.59 km，完成配套機(jī)井385，資金投入2410 萬(wàn)元。

項(xiàng)目實(shí)施后，有效灌溉面積達(dá)到74.06 萬(wàn)畝，占全區(qū)總耕地面積的92.01%，節(jié)水灌溉面積55.54 萬(wàn)畝，高效節(jié)水灌溉面積37.91 萬(wàn)畝，灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.85；年增加經(jīng)濟(jì)效益為548.31 萬(wàn)元，節(jié)水245 萬(wàn)m3?？蔀轭愃乒こ淘O(shè)計(jì)提供借鑒。