農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施項目田間工程設(shè)計

肖召偉

(虞城縣水利局，河南 虞誠 476300)

1 工程概況

根據(jù)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施田間工程建設(shè)設(shè)計的各項原則，項目區(qū)選在虞城縣沙集鄉(xiāng)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(jié)合項目區(qū)實際情況：按照《機井技術(shù)規(guī)范》條文解釋2.4.6條“依照上式計算井距和井?dāng)?shù)為平均值，應(yīng)視當(dāng)?shù)氐匦?、土質(zhì)等情況，適當(dāng)增減”的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。

2 設(shè)計灌水定額

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，根據(jù)河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)用水定額》，虞城縣屬于豫東平原區(qū)，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(qū)作物綜合設(shè)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(shù)m/h，據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，查《機井技術(shù)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(jù)相關(guān)抽水試驗取S=12 m；R—管井的影響半徑，查《機井技術(shù)手冊》表4-30，R取150 m；r—管井的內(nèi)半徑，r為0.25 m。

經(jīng)計算，單井出水量Q為36.08 m3/h，水量能夠滿足要求。該地區(qū)設(shè)計單井出水量為20 m3/h，靜水位約9～10 m，當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀井動水位16～18 m，考慮項目建成后井群相互影響，規(guī)劃時動水位取20 m，確定沙集鄉(xiāng)高標(biāo)區(qū)機井深度為45 m。

3.2 每次輪灌期天數(shù)

根據(jù)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(xiàn)停水、配水設(shè)備故障等原因，故設(shè)計灌水周期應(yīng)大于理論灌溉周期。

T理=(m設(shè)/W)η

(2)

式中：T理—理論灌水周期(d)；m設(shè)—設(shè)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(shù)(取0.85)。

計算得：T理=5.96(d)。依據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)狀況該項目區(qū)主要是旱作物及出現(xiàn)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(shè)計為7 d；η—灌溉水利用系數(shù)，0.85；η1—干擾抽水的水量削減系數(shù)，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(qū)內(nèi)種植的各種作物需要灌溉的綜合參數(shù))。

通過計算，單井控制面積F0=3.54(hm2)。結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，確定項目區(qū)單井控制面積為3.53 hm2。

4 機井布置

虞城縣沙集鄉(xiāng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施項目區(qū)井群布置，結(jié)合實際情況按照《機井技術(shù)規(guī)范》依照上式計算井距和井?dāng)?shù)為平均值，具體規(guī)劃應(yīng)視當(dāng)?shù)氐匦?、土質(zhì)等情況。結(jié)合項目區(qū)地下水的調(diào)查、地形情況、權(quán)屬界線和調(diào)查各村具體情況，虞城縣沙集鄉(xiāng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施項目區(qū)規(guī)劃新建45 m深機井114眼。

5 井的數(shù)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(qū)面積1 260.67 hm2；F0—單井控制面積；考慮項目區(qū)田塊組成情況，取378眼井。井群布置按照《機井技術(shù)規(guī)范》條文解釋2.4.6條“依照上式計算井距和井?dāng)?shù)為平均值，應(yīng)視當(dāng)?shù)氐匦?、土質(zhì)等情況，適當(dāng)增減”的規(guī)定，結(jié)合項目區(qū)實際情況，綜合考慮項目區(qū)道路、溝渠、地塊分布、土地權(quán)屬以及井優(yōu)先沿路布置的原則。

綜合考慮虞城縣沙集鄉(xiāng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施項目區(qū)原有機井、溝渠、地塊分布、土地權(quán)屬以及井優(yōu)先沿路布置的原則，實際規(guī)劃新建機井196眼。

5 井型結(jié)構(gòu)

5.1 井深、井徑、管徑設(shè)計

機井設(shè)計深度45 m，井管內(nèi)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(jù)水利部《機井技術(shù)規(guī)范》設(shè)計過濾器外徑和井孔直徑。

過濾器外徑應(yīng)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(shè)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(jìn)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(shè)計取水量，20 m3/h；Lg—過濾器長度，20 m；vj—允許井壁進(jìn)水流速，m/s。根據(jù)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(jīng)計算，設(shè)計井徑、過濾器直徑(井開口直徑)，均符合《機井技術(shù)規(guī)范》要求。

5.2 濾料應(yīng)符合規(guī)定

濾料應(yīng)符合下列規(guī)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(shè)計揚程與泵型選擇

6.1 水泵設(shè)計揚程

6.1.1 水泵揚程水力計算

管道管網(wǎng)的水力計算實際就是計算管網(wǎng)中的沿程水頭損失和局部水頭損失，由水頭損失計算進(jìn)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(jù)，其計算公式為：

(8)

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

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(zhì)軟并具有一定的彈性，輸水性能與一般硬管不同。過水?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，此外還與軟管鋪設(shè)地面的平整程度及軟管的順直狀況有關(guān)。

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(shù)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(shè)計楊程計算方法為：

H=∑hf+∑hj+Δh+h0

(11)

式中：H—設(shè)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(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀井動水位16～18 m,考慮項目建成后井群相互影響，規(guī)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(jù)上面計算結(jié)果和地下水狀況，最后確定井深45 m配套水泵的設(shè)計流量為20 m3/h，設(shè)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(tǒng)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(shè)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(jié)構(gòu)，井房內(nèi)設(shè)有配電箱，配電箱內(nèi)置鐵門、保險鎖及開關(guān)等。井房基座為C20混凝土預(yù)制井臺。

井房的建設(shè)主要是為保證機井設(shè)備安全和方便管理，項目區(qū)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(tǒng)。