賢莊農(nóng)田灌溉工程設(shè)計(jì)思路探究

史鵬飛

（山西省人民政府防汛抗旱指揮部辦公室，山西 太原 030002）

臨汾市堯都區(qū)賢莊村，屬典型的半干旱大陸型氣候，四季分明，冬夏溫差懸殊，平均氣溫12.6℃，無霜期190 d，年平均降水量518.8 mm，降水量年內(nèi)分配不均，且多集中在7～9月汛期。

賢莊村耕地基本為水澆地，由于輸水管道破壞，原泵站失去功效，灌溉用水得不到保證。通過建設(shè)灌溉工程來解決項(xiàng)目村的灌溉問題，采用節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水的利用率，減少灌溉過程各環(huán)節(jié)的水量損失，緩解地區(qū)水資源的供需矛盾。以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，擴(kuò)大灌溉面積，促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高人民生活水平。

本項(xiàng)目共規(guī)劃灌溉面積92.67 hm2，全部為低壓管道灌溉，水源為澇河來水（澇河灌區(qū)）。

1 工程整體布局

賢莊泵站改造工程位于澇河水庫下游2.5 km處，控制灌溉面積為92.67 hm2。灌溉控制農(nóng)田分為澇河灘地和賢莊村周圍耕地兩部分，面積分別為26 hm2和66.67 hm2，主要為賢莊村控制范圍。

工程從澇河右岸的澇河灌區(qū)干渠引水，分水設(shè)施處高程約為529.0 m，引水水位528.5 m。灘地片區(qū)高程493.0～510.0 m，采用引水自流灌溉；賢莊村周圍片區(qū)高程為545～583 m，無法滿足自流灌溉要求，采用泵站加壓灌溉。

泵站設(shè)置在澇河渠道左岸，采用立式管道離心泵。澇河灘地片區(qū)與賢莊周圍片區(qū)管線在泵站上游分開，兩片區(qū)進(jìn)行分組輪灌，各管道設(shè)置控制閥，以控制管道水流方向。兩片區(qū)均采用一級干管布置，干管設(shè)給水管，田間為當(dāng)?shù)刈詡滠浌芄喔取?/p>

2 引水及管道流量計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)種植作物為小麥及經(jīng)濟(jì)作物等，種植比例、灌溉制度見表1。

表1 灌溉引水流量計(jì)算表

根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 20203-2006），計(jì)算灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量公式：

式中：Q0——灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，（m3/h）；

ai——灌水高峰期第i種作物種植比例；

mi——灌水高峰期第i種作物灌水定額；

Ti——灌水高峰期第i中作物一次灌水持續(xù)時(shí)間；

A——灌溉面積；

t——日工作小時(shí)數(shù)，取22 h；

η——灌溉水利用系數(shù)，η=η1×η2；

η1——管道系統(tǒng)水利用系數(shù)取0.95；

η2——田間水利用系數(shù)取0.9。

按上式計(jì)算項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)灌溉流量為184 m3/h。

3 引水及管道設(shè)計(jì)

3.1 引水首部設(shè)計(jì)

澇河灌區(qū)干渠現(xiàn)狀為漿砌石結(jié)構(gòu)，外表面采用水泥砂漿抹面，渠道為矩形斷面，斷面尺寸為1.8m×2.2m，渠道頂高程為530.0 m。為減少由于引水埋管對渠道的破壞，本次取水采用正虹吸形式。

取水工程分為取水真空泵房與控制閥井兩部分。取水真空泵房布置于渠道岸邊，尺寸為3.0m×3.0m×3.5m（長×寬×高），內(nèi)布置真空泵、蝶閥等設(shè)備。閥井布置在真空泵下游側(cè)的低洼處，斷面凈尺寸為1 m×2.5 m×1.5 m（長×寬×高），采用砌磚結(jié)構(gòu)，控制閥井至引水口管材采用鋼管。為防止雜物進(jìn)入管道，影響運(yùn)行，在渠道內(nèi)設(shè)攔污柵，攔污柵采用直徑12 mm鋼筋焊接，柵格為100 mm×100 mm。

3.2 引水管道設(shè)計(jì)

3.2.1 管材確定

小型灌區(qū)管道輸水灌溉工程常用的輸水管，有鋼管、普通聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管、聚丙烯（PP）管和加筋聚氯乙烯管等。考慮到PVC管運(yùn)行的安全可靠、維護(hù)工作量小，投資少，優(yōu)先選用。

3.2.2 管網(wǎng)布局要求

原則：依據(jù)地形、地塊、道路等情況布置管道系統(tǒng)，要求線路最短，控制面積最大，便于機(jī)耕，管理方便；管線盡量平順，減少起伏和折點(diǎn)。

布置形式：根據(jù)布置原則，本工程管線采用“豐”字形布置；依據(jù)地勢，管道采用地埋形式，原則上每300～400 m設(shè)一鎮(zhèn)墩；管道的工作制度，采用灘地與賢莊村片區(qū)輪灌，每次輪灌組管道只開一個(gè)給水口。

3.2.3 管徑的確定

項(xiàng)目區(qū)輸水管道采用PVC管，管道經(jīng)濟(jì)流速的管徑計(jì)算公式為：

式中：d——設(shè)計(jì)管道內(nèi)徑，m。

Q設(shè)——設(shè)計(jì)輸水流量，干管為184 m3/h，支管設(shè)計(jì)流量為40～50 m3/h；

v——經(jīng)濟(jì)流速1.0～1.5 m/s，取1.3 m/s。

經(jīng)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)壓力輸水管道的管徑223.7 mm，確定為DN 250 mm。

3.2.4 管道水力計(jì)算

管道輸水損失計(jì)算采用《節(jié)水工程技術(shù)規(guī)范》（SL 103－95）公式：

式中：hf——干管沿程水頭損失，m；

f——摩阻系數(shù)，為0.948×105；

Q——流量，重力輸水管線為184 m3/h；

d——管內(nèi)徑，輸水管線直徑為225 mm；

m——流量指數(shù)，取1.77；

b——管徑指數(shù)，取4.77；

L——管長，自引水口計(jì)算灘地干管為1 530 m，賢莊村片區(qū)干管為2 810 m。

局部水頭損失采用沿程水頭損失的10%計(jì)算。根據(jù)以上公式計(jì)算管道水頭損失灘地片區(qū)為9.5 m，賢莊村片區(qū)為13.28 m。

3.2.5 管道壓力計(jì)算

本工程外壓力對管道等級影響較小，確定管道壓力等級主要為管道內(nèi)水壓力。灘地片區(qū)管線最高點(diǎn)水位為529.1 m，最低點(diǎn)位于澇河河道，高程為497.5 m，高差為31.6 m。根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 20203-2006），管道壓力為最大工作壓力的1.4倍。管道內(nèi)水壓力為44.2 m，管道公稱壓力為0.4 MPa。項(xiàng)目區(qū)分為兩個(gè)片區(qū)，分別為澇河灘地片區(qū)與賢莊片區(qū)。管道最大工作壓力為管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)口壓力Hin，管網(wǎng)進(jìn)口壓力計(jì)算如下：

式中：H——管中心高程；

Δh——給水拴剩余水頭，取2.0 m；

ΔZ——地形水頭。

泵站位置高程為506.2 m，壓力管道出水口地形高程為583.5 m，管道地形揚(yáng)程為77.3 m，考慮到輸水損失等，最大工作壓力為82.2 m，管道壓力（1.4倍最大工作壓力）為115.1 m，管道公稱壓力采用1.0 MPa。

4 提水泵站設(shè)計(jì)

本工程水泵采用管道泵，泵站地平高程為506.2m，管道進(jìn)水口水面高程為528.5 m，最高出水口高程為583.5 m，設(shè)計(jì)流量為184 m3/h，設(shè)計(jì)條件需滿足賢莊村高處地塊灌溉流量計(jì)揚(yáng)程需求。

4.1 泵型選擇

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的工作條件，項(xiàng)目區(qū)加壓采用離心泵。

4.1.1 設(shè)計(jì)揚(yáng)程

設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

式中：Hp——水泵總揚(yáng)程，m；

hf——沿程水頭損失，m；

hj——局部水頭損失，m；

ΔZ——泵站進(jìn)水池與地塊最高處高程差，m。

本工程輸水管線水頭損失為13.28 m，地形揚(yáng)程為55 m，管道出水口考慮2.0 m剩余水頭，因此本工程水泵揚(yáng)程為70.28 m。

4.1.2 水泵選型

為減少建筑物規(guī)模，節(jié)省工程投資，項(xiàng)目區(qū)選用管道加壓泵，不再設(shè)置泵站前池。根據(jù)設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程，參考當(dāng)?shù)氐膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)，查水泵性能表，項(xiàng)目區(qū)水泵選型及參數(shù)見表2。

表2 水泵主要技術(shù)指標(biāo)表

泵站灌溉地塊高程范圍為540.0～583.5 m，揚(yáng)程范圍較大，為節(jié)約電能，提高抽水效率，水泵設(shè)變頻電機(jī)。

4.2 泵房設(shè)計(jì)

灌溉泵房采用地上結(jié)構(gòu)，尺寸為5.0 m×6.0 m×3.2 m（長×寬×高）。泵房分為泵坑與檢修平臺兩部分，泵坑內(nèi)設(shè)水泵1臺。檢修平臺主要為水泵檢修，并設(shè)配電柜等設(shè)備。

5 設(shè)計(jì)方案復(fù)核

設(shè)計(jì)方案的復(fù)核主要是輸水工程能力復(fù)核，主要為灘地輸水能力與賢莊村片區(qū)選泵后輸水能力復(fù)核計(jì)算。

灘地地塊最高出水點(diǎn)高程為510.0 m，引水進(jìn)水口水面高程為528.5 m，地形水頭為18.5 m。管道水力損失為9.5 m，輸水剩余水頭為9 m，大于最不利位置給水栓所需的水頭2.0 m，管道滿足灌溉供水要求。

賢莊村片區(qū)水力主要是確定水泵型號后，管道輸水能力的復(fù)核。選定水泵設(shè)計(jì)流量為192 m3/h。流量調(diào)整后管線的水頭損失為14.2 m，管道地形沿程為55 m，考慮出水口剩余水頭為2.0 m，確定調(diào)整流量后輸水系統(tǒng)輸水損失為71.2 m，小于水泵額定揚(yáng)程73 m。

由以上復(fù)核確定工程選定管道管徑、水泵揚(yáng)程及流量均能滿足項(xiàng)目要求。