河北省地下水超采綜合治理地表水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□張延忠

為推進(jìn)地下水超采綜合治理，有效遏制超采，對(duì)地下水環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)，著力打造美麗河北，實(shí)施地下水超采區(qū)綜合治理工程勢(shì)在必行。因此，隨著引黃入冀等跨流域引調(diào)水工程的實(shí)施，利用外來(lái)水替代部分地下水進(jìn)行農(nóng)作物灌溉，從而有效減緩深層地下水超采，逐漸實(shí)現(xiàn)地下水開(kāi)采的動(dòng)態(tài)平衡，改善超采區(qū)地下水環(huán)境具有很好地現(xiàn)實(shí)意義。本文擬對(duì)地表水灌溉項(xiàng)目灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，主要從輸配水管網(wǎng)布置、水泵選擇與布置、水泵運(yùn)行方式及灌溉系統(tǒng)計(jì)量設(shè)施等方面進(jìn)行分析，以期提出適合該項(xiàng)目特點(diǎn)的低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.基本情況介紹

地表水灌溉是利用揚(yáng)水泵站將河道漕蓄水加壓，通過(guò)低壓管道輸送至田間地塊用于灌溉。然而，能否高效、節(jié)能利用地表水進(jìn)行灌溉，很大程度上取決于灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理。結(jié)合近幾年地表水灌溉項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用潛水泵恒量變壓變頻控制技術(shù)，使灌溉裝置安裝更為快捷、方便，既能降低工程投資，縮短實(shí)施周期，降低施工難度，又方便使用管理，大大解決了灌溉工程建設(shè)困難、浪費(fèi)能源、占用土地面積大、取水方式復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)且難度大等問(wèn)題。

地表水灌溉采用的低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)是近年來(lái)我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型地面灌溉系統(tǒng)。該種灌溉方式利用低能耗水泵將灌溉水加低壓，再通過(guò)管網(wǎng)輸配水至田間進(jìn)行灌溉。低壓管灌與傳統(tǒng)的地面灌水技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)可歸納為“四省、一低、一少、一強(qiáng)、兩快和三方便”，具體說(shuō)該技術(shù)有節(jié)水、節(jié)能、省地和省工，單位面積投資較低，運(yùn)行費(fèi)用較少，適用性較強(qiáng)，輸水、澆地快，操作應(yīng)用、機(jī)耕田間管理和維修管護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)一般由引水取水樞紐、輸水管線及田間管網(wǎng)系統(tǒng)組成。具體說(shuō)來(lái)，整個(gè)管灌系統(tǒng)依次由潛水泵、微阻緩閉止回閥、手動(dòng)蝶閥、遠(yuǎn)傳壓力表、流量計(jì)、輸水干管、田間支管及出水口組成。

2.輸配水管網(wǎng)布置

單個(gè)揚(yáng)水點(diǎn)灌溉范圍控制在750～1000 畝左右。同時(shí)考慮各地塊的行政邊界等因素最終確定各地塊的劃分。輸配水管網(wǎng)通常由低壓管道、管件及附屬管道裝置連接組成。根據(jù)水源位置、灌溉范圍、地面坡度、田塊形狀及項(xiàng)目區(qū)種植方向、種植習(xí)慣等條件，地埋管網(wǎng)一般設(shè)計(jì)為干管和支管兩級(jí)管道，常布設(shè)為樹(shù)狀管網(wǎng)，干、支兩級(jí)管道均為固定式地埋管，管材采用硬聚氯乙烯PVC-U 管，干管沿種植方向布置，支管垂直于種植方向布置，支管間距一般取120m，給水栓間距取50m。管徑根據(jù)管道適宜流速選擇，輸水系統(tǒng)流速一般控制在0.5～1.8m/s，以不產(chǎn)生淤積和不發(fā)生水擊為宜。見(jiàn)圖1。

3.水泵選擇及布置

3.1 泵型選擇

圖1 輸水管網(wǎng)示意圖

根據(jù)地表水灌溉項(xiàng)目的特點(diǎn)，適合的水泵型式有干式離心泵和潛水泵。若水泵型式采用干式離心泵，需干室布置，因渠道水位波動(dòng)較大，為充分利用渠道水進(jìn)行灌溉，水泵安裝位置一般較低，干式泵房承受水壓較大，為解決泵房的抗浮問(wèn)題，采取加大泵室井壁和底板的厚度以增加自重，從而加大了泵室基礎(chǔ)開(kāi)挖深度，增加了施工難度和工程投資，與采用潛水泵布置方案相比干式離心泵布置方案投資較大。而采用潛水泵布置的優(yōu)勢(shì)如下：一是降低工程投資。目前，在灌溉渠道附近內(nèi)新建的取水泵站，很多工程已利用潛水泵替代原常用的干式離心泵。潛水泵的土建投資較少，合理布設(shè)的潛水泵站能節(jié)約土建投資可達(dá)35%，還能節(jié)省占地面積。二是拆裝、維養(yǎng)更為方便。泵站安裝的潛水泵為機(jī)電一體化產(chǎn)品，能在水中可靠運(yùn)行，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，從而節(jié)省投資；若潛水泵采用耦合式安裝方式，可方便地對(duì)其進(jìn)行拆裝；其主要特點(diǎn)為：水泵安裝時(shí)，完全靠水泵自重，潛水泵沿著導(dǎo)軌滑至耦合座，水泵和出水管座密封面緊密貼合，耦合架與管座斜面楔緊，完成潛水泵耦合安裝。維修拆卸時(shí)，只需將潛水泵吊起，水泵即可自動(dòng)與出水管座脫開(kāi)分離；潛水泵的拆裝不受渠道水位變化的影響。三是改善運(yùn)行環(huán)境，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。潛水泵安裝在進(jìn)水池內(nèi)，對(duì)管理房的噪音影響??；潛水泵開(kāi)、停機(jī)操作簡(jiǎn)單，有利于對(duì)泵站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和自動(dòng)控制，進(jìn)一步減輕工人操作管理強(qiáng)度。四是減少施工難度，縮短實(shí)施周期。潛水泵為水泵電機(jī)一體式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝快捷、方便；泵組結(jié)構(gòu)緊湊，泵室占地面積少，水工結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，土建工程量小，可縮短施工周期，能避開(kāi)汛期施工，減少了施工難度。

因此，潛水泵更適合地表水灌溉工程，選為推薦泵型。潛水泵優(yōu)先選擇性能先進(jìn)且成熟的產(chǎn)品，其性能曲線應(yīng)光滑、無(wú)駝峰、無(wú)拐點(diǎn)，運(yùn)行范圍大。為便于拆裝和使用管理，潛水泵安裝方式采用自動(dòng)耦合式。

3.2 水泵揚(yáng)程計(jì)算

揚(yáng)水點(diǎn)水泵凈揚(yáng)程為引水渠道水位與田間管道出水口中心高程之差，特征揚(yáng)程為凈揚(yáng)程與輸水系統(tǒng)水力損失之和。輸水系統(tǒng)水力損失包括取水口至田間管網(wǎng)接入點(diǎn)之間的水頭損失和管網(wǎng)接入點(diǎn)至出水口之間的工作水頭。由于田間管道分區(qū)灌溉，不同分區(qū)需要的工作水頭不同，考慮滿(mǎn)足遠(yuǎn)端分區(qū)灌溉時(shí)的流量要求，以田間灌溉所需遠(yuǎn)端工作水頭和渠道最低水位為依據(jù)計(jì)算確定水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

3.3 水泵臺(tái)數(shù)選擇

揚(yáng)水點(diǎn)水泵臺(tái)數(shù)根據(jù)灌溉規(guī)模和運(yùn)行的靈活性進(jìn)行選擇，一般選擇為2～3 臺(tái)。由于灌溉為季節(jié)性，年利用小時(shí)數(shù)較低，可不設(shè)備用機(jī)組。

3.4 典型布置

利用潛水泵能潛入水中使用的特點(diǎn)，整個(gè)泵室采用混凝土矩形井室結(jié)構(gòu)，井室內(nèi)安裝自耦式潛水泵。潛水泵與耦合裝置連接，耦合底座安裝在泵室內(nèi)底部小坎上，潛水泵可沿著水泵導(dǎo)軌上下移動(dòng)，水泵安裝時(shí)，潛水泵耦合架與出水管座耦合，提起檢修時(shí)潛水泵與出水管座自動(dòng)脫落。為檢修方便，在井室頂板上預(yù)留吊物孔，平時(shí)用輕質(zhì)蓋板蓋好，檢修時(shí)打開(kāi)蓋板，利用鋼絲繩將潛水泵沿導(dǎo)軌提出泵室。潛水泵布置方案與傳統(tǒng)干式水泵布置方案相比，該方案具有水工結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，縮短施工工期，節(jié)省占地面積和土建工程量小等優(yōu)點(diǎn)。

4.運(yùn)行方式選擇

低壓管灌系統(tǒng)沿田間管道每隔一定間距設(shè)一個(gè)出水口，其運(yùn)行特點(diǎn)為灌溉時(shí)田間管道一般僅有一個(gè)或幾個(gè)出水口出水。在低壓管灌系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，出水口離水泵越遠(yuǎn)，管道水力損失越大，出水口流量越小。水泵揚(yáng)程選擇滿(mǎn)足遠(yuǎn)端灌溉時(shí)的流量要求，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程較高，當(dāng)開(kāi)啟較近的出水口灌溉時(shí)，需要將水泵出口蝶閥開(kāi)度關(guān)小以增加管路損失，從而調(diào)小水泵流量，使水泵運(yùn)行工況較優(yōu)，但這樣會(huì)造成能源浪費(fèi)，存在不安全因素。將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于低壓管灌系統(tǒng)，使水泵變頻節(jié)能運(yùn)行，不僅可以減少能耗，又可以最大程度利用寶貴的水資源。

灌溉潛水泵可按“恒量變壓”和“恒壓變量”兩種變頻控制方式運(yùn)行。所謂恒量變壓是指在水泵出口管道上安裝電磁流量計(jì)，變頻控制器根據(jù)檢測(cè)到的系統(tǒng)流量信號(hào)調(diào)高或降低水泵的轉(zhuǎn)速，使流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流量保持恒定，而系統(tǒng)壓力則發(fā)生變化。所謂恒壓變量是指在水泵出口設(shè)置遠(yuǎn)傳壓力表，變頻控制器根據(jù)檢測(cè)到的系統(tǒng)壓力信號(hào)調(diào)高或降低水泵的轉(zhuǎn)速，使壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力保持恒定，而系統(tǒng)流量則發(fā)生相應(yīng)變化。

通過(guò)在深井灌區(qū)進(jìn)行了低壓管道輸水灌溉試驗(yàn)，比較了兩種變頻方式在低壓管灌中節(jié)能效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泵以“恒量變壓”方式變頻運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果要好于“恒壓變量”方式的節(jié)能效果。水泵以“恒量變壓”方式運(yùn)行時(shí)，能保證水泵運(yùn)行在性能曲線高效范圍內(nèi)。

根據(jù)地表水灌溉特點(diǎn)和節(jié)能效果，低壓管灌系統(tǒng)采用“恒量變壓”變頻控制方式。恒量變壓具體做法如下：每個(gè)地塊設(shè)有若干臺(tái)水泵，輸水主管道設(shè)有一個(gè)電磁流量計(jì)，各水泵設(shè)置一套變頻裝置，控制器采用一拖多方式運(yùn)行?？刂破餍盘?hào)取自主管道上的電磁流量計(jì)，控制器和變頻裝置根據(jù)設(shè)定流量與反饋流量確定水泵運(yùn)行工況，并自動(dòng)發(fā)出啟停泵的命令。在采取不同流量灌溉該地塊時(shí)，根據(jù)實(shí)際設(shè)定的流量，實(shí)現(xiàn)水泵恒量變壓運(yùn)行。

5.計(jì)量設(shè)施設(shè)計(jì)

根據(jù)地表水灌溉用水計(jì)量設(shè)施設(shè)置的總體要求，每個(gè)揚(yáng)水站點(diǎn)設(shè)置流量計(jì)和信號(hào)采集傳輸裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)RTU），能實(shí)現(xiàn)提水流量、水量的實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸。灌溉泵站水量計(jì)量設(shè)施采用電磁流量計(jì)，并利用RTU 將采集到的信息通過(guò)GPRS/Internet 遠(yuǎn)程傳輸至項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)中心。RTU 主要要求如下：RTU 遠(yuǎn)程測(cè)控終端：電源為DC24V，應(yīng)具有完備的保護(hù)功能和故障顯示功能。設(shè)備輸出信號(hào)為RS485 通信接口、4～20mA 模擬量接口和5 個(gè)繼電器無(wú)源開(kāi)關(guān)量接口。信號(hào)輸出通道：采用無(wú)線傳輸方式，與外接通信接口的可靠連接。壓力和流量監(jiān)測(cè)設(shè)施滿(mǎn)足輸水工程安全監(jiān)測(cè)的要求，采用自動(dòng)計(jì)量方式，計(jì)量設(shè)備須獲得國(guó)家制造計(jì)量器具許可證；在線數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收設(shè)備須符合《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL651-2014）；采用GPRS/Internet 遠(yuǎn)程傳輸，能自動(dòng)報(bào)送和遠(yuǎn)程遙測(cè)相結(jié)合模式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢(xún)遙測(cè)功能，應(yīng)具有遠(yuǎn)程配置功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置報(bào)送時(shí)間和時(shí)間間隔等參數(shù)。

6.結(jié)語(yǔ)

地表水灌溉項(xiàng)目采用潛水泵加恒量變壓變頻控制技術(shù)，既節(jié)約工程投資，加快施工進(jìn)度，降低施工難度，工程投產(chǎn)見(jiàn)效快，又使?jié)撍米冾l節(jié)能運(yùn)行，減少能耗，節(jié)約電能。潛水泵開(kāi)、停機(jī)操作較簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)控制，可減輕工人操作管理的強(qiáng)度，改善工程運(yùn)行環(huán)境，為建設(shè)美麗新農(nóng)村和平原區(qū)高效農(nóng)業(yè)起到了積極的作用?！?/p>