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阳谷县高效节水机井管道灌溉工程设计初探

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(此由首发) 作者:李传友
【摘要】根据管道灌溉的实际特点,参考相关规范,通过设计灌水定额、灌水周期、、灌溉设计流量来确定灌溉制度;通过选择管材与管径、管网水力计算、设计扬程的确定与水泵的选择来确定管道灌溉系统管网。
【关键词】典型工程设计;高效节水灌溉;管网水利计算;效益

1、基本情况
1.1地理位置
    阳谷县地处山东省西部,项目区位于阳谷县七级镇。辖区总面积68km2,总人口3.9万人。项目区共涉及11个村,人口1.03万人,耕地面积1.38万亩。
1.2项目区地形、地貌
    项目区地势由西南向东北缓倾,平均坡降为1/6000~1/7000之间。历史上黄河曾多次在境内泛滥,改道,冲决,泥沙淤积,逐渐形成了微度起伏的缓岗、缓平坡地、浅平洼地三种微地貌类型相间的现平原地形。
1.3水文气象
    项目区属暖温带半干旱大陆性气候区,年平均气温13.3℃。

2、典型工程设计
2.1管网系统设计
    机井高效节水灌溉工程以七级镇前杨村114#机井灌区为典型片区进行管道系统设计:
    114#机井控制地块为典型地块,南北宽396m,东西长为150m,面积为89.1亩。
    从机井沿东西方向布置干管一条,长150m,支管沿南北方向垂直于干管布置,共布置2条,每条支管长370m。给水栓沿支管布置,间距为50m,共布置16个给水栓,支管末端的给水栓距地边40m。给水栓双向分水控制灌溉;给水栓上连接移动式输水软管,软管连接采用快速接头,每个给水栓的控制面积为5.6亩。详见低压管道灌溉典型工程设计布置图。
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2.1.1管材选择
    管道输水灌溉工程管材较多,按管道材质可分为塑料类管材、金属类和水泥类管材。根据当地发展条件,目前低压管道灌溉普遍使用的管材,选用普通硬质聚氯乙烯管(UPVC),UPVC管运输方便、连接简便,运行可靠,实用。
    通过管道系统的管路计算,其管道最大压力水头均在20m以下,为延长工程使用寿命,本工程固定管道采用0.4MPaUPVC管道。 
2.1.2管道系统布置
    管道采用半固定式,固定管道为UPVC硬质塑料管,给水栓以外接塑料软管。由于机井出水量不大,结合实际地形和其他平原地区管道灌溉的成功运用经验,采用单井独立运行方式,一次开一个给水栓。考虑当一井损坏无法运用时,为了解决需水之急,可用耐压塑料软管,与相邻井给水栓相连,以满足灌溉需要,在确定水泵扬程时适当考虑向邻近井管道供水的不利情况。
    为管理和供电方便,新打机井沿田间路布置,管道布设不打破村与村的地界,基本维持原田间道路、沟渠和地块不变;每眼井最大控制面积100亩。给水栓按灌溉面积均衡布置,给水栓间距取50m。根据地块的长宽比,采用一字型、Π型布置方式,一字型管道沿生产路方向布置,垂直作物种植方向;Π型布置,管道走向平行于作物种植方向,间距为100m左右,移动软管平行作物种植方向。
2.2小型水源(灌溉机井)工程设计
2.2.1机井设计
1)以七级镇前杨村机井工程作为典型设计
    据项目区资料和实地调查情况,项目区受引黄和地形低洼等影响,地下水埋深较浅,单井出水量可达40m3/h,井深在70~80m左右。为保证项目区机井长期、稳定、高效运作,参考项目区已有管井资料,确定机井平均深度为75m,机井之间的最小间距为200m左右。
2)管井设计
    根据水文地质条件及开采机械设备现状,采用浅机井类型,设计井深75m,孔径600mm,井壁管为直径400mm混凝土管,对应含水层位置下入过滤管,其它为实管。井底4m下入实管作为沉淀管。
    井壁管与井孔之间填入沙砾石,作为反滤料,厚10cm,上部10m以粘土球封闭。
3)成井工艺
    钻进采用SPJ-150钻机进行施工,钻头直径不低于400mm,泥浆正循环钻进,成孔后,破壁换浆至水清。
按实际钻探砂层下入过滤管,误差不超高30cm,快速填入沙砾作为反滤层,井孔上部粘土封闭止水。
洗井以9m3/min空压机洗至水清。
抽水试验:据洗井观测水量确定抽水试验泵量,用稳定流抽水试验方式计算单井涌水量。
井壁管与井孔之间填入沙砾石,作为反滤料,厚10cm,上部10m以粘土球封闭。
2.2.2井泵设计
1)水泵设计扬程的确定及水泵选择
根据确定的管道布置方式和运用情况计算水泵的扬程。水泵最大扬程由管路系统最不利工作情况的水头损失、机井动水位埋深确定:
H=H0+hw
H0=H1+h泵+Δh+0.15
hw =hw1+hw2 
式中:H-设计总扬程,m;
H1-水泵净扬程,动水位至管道中心线的距离,20m;
hW1,hW2分别为UPVC管道水头损失和地面软管水头损失,m;地面软管沿程水头损失依据节水灌溉技术培训教材《管道输水工程技术》,用塑料硬管计算公式乘1.1的系数;
h泵-水泵水头损失,m,包括泵管沿程水头损失和泵管局部水头损失;
△h-井台至典型供水点的地面高差,m,顺坡为负,逆坡为正;
0.15-田间灌溉水头,m。
2)塑料管道水头损失
管道水头损失为沿程水头损失和局部水头损失之和,沿程水头损失按下列公式计算:
hf =94800Q1.77L/d4.77
式中:hf——管道沿程水头损失,m;
      L——计算管道长度,m;
Q——管道设计流量,m3/h;
d ——管道内径,mm。
局部水头损失hj取沿程水头损失的0.10倍,即hj=0.1hf。
最不利状况沿程损失为:
UPVC管水头损失hw1=3.55m
地面软管水头损失hw2=1.1m
管道沿程水头损失hw=4.65m
经计算UPVC管道、地面软管的水头损失hw最大为4.65m、最小为1.6m。
3)泵管水头损失
泵管的沿程水头损失,当泵管直径D≤100mm时,按下列经验公式计算:
hf =625000Q1.9L/d5.1
式中:hf——管道沿程水头损失,m;
      L——计算管道长度,L=25m;
Q——管道设计流量,m3/h;
d ——管道内径,D=80mm。
经计算泵管沿程输水损失h输损=3.4m
泵管的局部水头损失取2.5m,水泵的水头损失h泵=3.4+2.5=5.9m
2.2.3构筑物设计
农田低压管道输水灌溉系统中,除输、配水系统外,还包括机井池及给水栓保护池。
1)机井池
每眼机井设机井池,机井池为预制砼圆管,内径80cm,外径90cm。机井池外接控制池,安装首部枢纽构件,详见机井池构件平面布置图。
2)给水栓保护池
采用PVC单向或双向给水栓,在每一个给水栓处设一预制钢筋混凝土保护池一个,以保护给水栓及管件。
保护池全部采用C20预制钢筋混凝土管。内净尺寸为D300mm,,总高550mm,保护池壁厚35mm,保护池底为C20现浇砼,厚40mm,尺寸为450×450mm,保护池盖板采用C25砼,尺寸为D370mm,厚50mm。
3)阀门保护池
在每一个阀门处设一预制钢筋混凝土保护池一个,以保护阀门。
保护池采用砖砌池,内径尺寸为D1000mm,深度根据沟槽深底确定墙体外露面及内墙采用M10水泥砂浆抹面。盖板材料为硅塑,由工厂制做成型。
采用PVC单向或双向给水栓,在每一个给水栓处设一预制钢筋混凝土保护池一个,以保护给水栓及管件。
2.2.4灌溉机电井灌区电气设计
项目区共有201眼机井,其中,新建井172眼,原有井29眼。因原有机井已配套电气设备,故本次工程不再配套。
1)负荷等级
机电井主要在灌溉时运行,不是全年运行,故采用单电源供电。
2)接入电力系统方式
农村电网经过建设改造后,10KV架空线路已经覆盖所有村庄,且供电质量有较大提高,供电容量充足。本工程选择供电电压等级为10kV。变压器距离供电电源较近时由附近10KV架空线引来;距离较远时,架设一段距离的10KV架空线引来。
3)变电站方案选择及电气主接线
本工程中配电变压器按照“小容量、密布点、短半径”的原则确定变压器的位置,一般每个台区供9~11眼机井用电,从配电变压器的低压出口到每个机井点,按辐射式和链式向四周延伸,供电半径不超过500m。本工程设容量为63KVA变压器20台。变压器型号为S11-M.R系列卷铁芯变压器。
为降低成本,本工程用变电站采用杆上变压器台。
4)低压电缆敷设
本工程采用VLV22型铝芯聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆。至机电井低压电缆由箱变引出,室外部分尽量沿地边、路边、渠边地中直埋敷设,电缆直埋敷设深度不应小于1m。
本工程原则上实行一井一线。电缆敷设时若实际安装容量和敷设距离大于设计容量和敷设距离时,应对电缆截面进行核算,当超过设备允许电压降时,应更换较大截面的电缆。
5)机电井控制
每座机电井设一台射频卡箱作为机电井的控制设备。
2.3效益分析
    项目完成后,不仅节约灌溉用水量、增加农田灌溉面积、增加地方农民收入、改善人民生活、为我县的后续发展奠定物质基础,同时为我县农田水利基础设施日益完善及其功能、效益的发展方向提供技术支持和引领导航作用。同时,具有良好的生态与环境效益。将有效地减少灌溉用水,可使田间肥力得到保护,有利于地下水资源的可持续开发利用,改善了田间小气候,防止了畦田冲刷,起到了水土保持效果。具有显著的生态及效益。
    项目实施后,特别是高效节水灌溉工程的建设,有限度地开采地下水,使地下水得以涵养,使人与自然和谐相处,有利于当地农村的可持续发展。

参考文献:
1)《节水灌溉技术规范》SL207—98。
2)《灌溉与排水工程设计规范》GB-50288-99。
3)《低压管道输水灌溉技术规范》SL/T153-95。
4)《农田灌溉水质标准》GB5084—92。
5)《建设项目经济评价规范》SDJ72—94。

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