泵站管道輸水灌溉模式在農田水利高效節水項目中的應用分析

魏慶芬

（聊城市水利局，山東 聊城 252000）

1 工程概況

東昌府區全境地處黃河以北，灌溉體系由位山引黃二、三干渠、分干（支渠）斗渠及田間工程組成。梁水鎮主要種植糧食作物小麥和玉米，當地多年平均水資源量384.66 萬m3，其中地表水資源量2.15 萬m3；地下水資源量166.97 萬m3，地下水的補充主要依靠降雨和位山灌區引黃補充；客水量為215.54 萬m3；由于地處位山灌區下游，大部分地區需要提水灌溉。

項目建設前梁水鎮有小型提水泵站1 座，但已經年久失修不能滿足當地村民的灌溉需求，灌溉季節由于缺少提水設施，造成百姓澆地困難的現象，由此影響農作物的產量，制約當地的經濟發展，故梁水鎮當務之急是必須建設農田水利項目解決水危機問題。

梁水鎮地表水資源和引黃客水水資源較為豐沛，引黃灌溉條件比較有利，利用灌排水溝引黃補源，地下水資源含鹽度較高不適宜農作物灌溉，故該鎮發展“小型提水泵站+低壓管道”灌溉，通過灌溉泵站引黃提水灌溉。泵站主要沿項目區內三干渠、馬頰河、九分干、七分干、一支渠分布，共建設15 座泵站，控制灌溉面積1.05 萬畝，一個泵站控制一個村灌溉，不跨村。

2 泵站設計

梁水鎮項目區15 個泵站涉及范圍內，種植習慣、作物類型基本相近，以朱莊泵站為例進行工程設計。

2.1 朱莊泵站基本情況

朱莊泵站控制灌溉面積843 畝，控制整個朱莊的耕地。灌區內作物主要為冬小麥、夏玉米等；耕作層土壤為中壤土，土層深厚，田間持水率為25%，土壤容重1.4 g/cm3。農作物為冬小麥、夏玉米一年兩作。朱莊規劃配套建設灌溉泵站1 座，位于朱莊村駐地東北部，自引黃渠道七分干渠取水，七分干水源充足，滿足建設小型泵站的要求。梁水鎮片區各村泵站的控制灌溉面積見表1。

表1 梁水鎮各村泵站灌溉面積統計表

根據朱莊村的地形、道路、水源位置等情況，考慮使管線最短，便于機耕、控制面積最大、管理方便等因素，工程總體布置如下：

從位于朱莊駐地東北部的泵站引出干管1，干管1 向東埋設527 m，通過一個90°的彎頭后再向北埋設553 m。垂直于干管沿路布置支管，每隔50 m 在支管上設一個出水栓，在不需要出水栓的支管段不留栓僅埋設。干管上有支管分支的地方均設閥門井一個，閥門井采用預制玻璃鋼成品。每個給水栓出水口下均埋設一段1 m 以上的豎管與末端支管相連接。朱莊村泵站共布置干管總長1080 m，支管總長3194 m，不留出水栓支管75 m，給水栓 81 個。

2.2 主要設計參數

2.2.1 設計灌水定額

該區域土壤為中壤土，土壤容重為1.4 g/cm3，田間持水率為25%，濕潤層深度60 cm，農作物主要為小麥、玉米。根據多年灌溉經驗，4 月～5 月份小麥灌溉用水期為作物需水高峰，最大日需水強度可達到Ea=6.5 mm/d。而玉米生長期正逢雨季，適時灌水即可滿足。設計時以小麥日需水量最高的灌漿期確定灌水定額。取土壤濕潤層深度Z=60 cm，適宜土壤含水量上限β1取田間持水率的90%，下限β2取62%。按下式計算設計灌水定額：

式中：m 為設計灌水定額，m3/hm2；rs為計劃濕潤層土壤干容重，kN/m3；h 為土壤計劃濕潤層深度，m；β1為適宜土壤含水量（占干土重百分數）上限，取田間持水率的90%；β2為適宜土壤含水量（占干土重百分數）下限，取田間持水率的62%。

設計灌水定額m 按單位mm 計，計劃濕潤層土壤干容重rs按單位g/cm3計，則上式可變為：

式中：β 為田間持水率，取25%。

經計算：m=0.1×1.4×0.6×25×（90-62）=58.8 mm，合39.2 m3/畝。

2.2.2 設計灌水周期T

根據作物最大日需水量值，按下式計算理論灌水周期：

T理=（m/Ea）=58.8/6.5=9 d，因為實際灌水中可能出現停水，故設計灌水周期應小于理論灌水周期，結合項目區用水的實際情況取T=7 d。

式中：T理為理論灌水周期，d；T 為設計灌水周期，d；Ea為控制區內作物的最大日需水強度mm/d，取Ea=6.5 mm/d。其余符號含義同前。

（3）機泵工作時間

根據該區電源情況及群眾工作時間，確定每天凈工作時間為12 h。

2.3 灌溉系統設計流量

根據設計灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天的工作時間，根據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T 20203-2006），按下式計算設計流量：

式中：Q設為管道灌溉系統的灌溉設計流量，m3/h；α 為種植比例，%，取 100；m 為設計凈灌水定額，m=58.8 mm，每畝灌水量為 39.2 m3；η 為灌溉水利用系數，取 0.85；t 為灌水時間，取 12 h；A 為灌溉面積，843 畝；T 為灌水天數，取 7 d。

計算得：Q設=462.8 m3/h，Q0=462.8 m3/h。

2.4 灌溉工作制度確定

2.4.1 毛灌水定額

毛灌水定額按下式計算：

式中：W毛為毛灌水定額，m3/畝；W 為凈灌水定額，m3/畝；η 為灌溉水利用系數，取η=0.85。

經計算，W毛=46.12 m3/畝。

2.4.2 一次灌水延續時間

根據當地灌溉經驗，泵站灌溉單口流量q0在40 m3/h 左右，本次規劃設計單口流量取為40 m3/h。

則一次灌水延續時間：

式中：t次為一次灌水的延續時間，h；A0為單口控制面積，畝，由管網布置知，A0=843/81=10.4 畝；q0為單口流量，m3/h，q0=40 m3/h。

經計算，t次=46.12×10.4/40=12 h。

2.4.3 輪灌組的劃分

式中：N 為輪灌組數目，個；q0為給水栓流量，40 m3/h；Q設為系統設計流量，462.8 m3/h；n 為給水栓總個數，81 個；int[]為取整符號。

則，N=8 個，可以將整個孫莊泵站灌區劃分為8 個輪灌組。

為減少干、支管管徑，利于一家一戶灌溉農田，減少投資，采用干管續灌，支管輪灌的灌溉方式，每個輪灌組開啟11 個給水栓。輪灌組分區見表2。

2.5 管網水力計算

在工程中，管道材料既是影響管道經濟合理性的主要因素，又基本決定了管道質量的可靠性，因此必須考慮管道材質的不同對管道工程的綜合影響，需要對各種不同的管道材質進行比較，以選用合理的管道材質。根據東昌府區前幾年小農水工程的經驗，確定本次工程干管、支管采用PVC-U 管材。PVC-U 管材具有內壁光滑、輸水阻力小、耐腐蝕和施工安裝方便等優點，在管道輸水灌溉工程中得到廣泛應用。

2.5.1 管徑確定

按經濟流速法確定各級管道管徑，計算公式為：

式中：Q 為流量，干管設計流量462.8 m3/h，支管設計流量80 m3/h；D 為管內徑，mm；v 為經濟流速，m/s，根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99）確定管道經濟流速v=1.0 m/s～1.5 m/s（干管計算取1.5 m/s，支管計算取1.2 m/s）。

表2 朱莊泵站輪滑組劃分表

經計算，支管計算管徑為153.5 mm，干支管計算管徑為330.12 mm，結合實際情況節點 0～3 的干管選用 φ400 的PVC-U 管材，節點 3～4 的干管選用 φ250 的 PVC-U 管材；支管選用φ160 的PVC-U 的管材。

2.5.2 管道水頭損失計算

以最不利的工作狀態進行水力計算和水泵選型，朱莊泵站選取支管1-12 最末端的出水口為最不清情況進行水頭損失計算。

沿程水頭損失按下式計算：

式中：hf為沿程水頭損失，m；f 為管材摩阻系數，PVC-U 管道取94800；Q 為管道設計流量，m3/h；D 為管道內徑，干支管內徑分別為 390.2 mm、237.6 mm、152 mm；m 為流量指數，1.77；b 為管徑指數，4.77；L 為管道計算長度，m。

經計算，干管、支管沿程損失分別為4.53 m、5.33 m，總沿程損失為9.86 m。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計，則局部水頭損失hj=0.99 m。

2.5.3 首部樞紐和泵管水頭損失

沿程水頭損失計算：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；f 為摩阻系數，鋼管管材取6.25×105；L 為計算管道長度，此處計算鋼管長度15 m（從潛污泵外接的DN400 鋼管）；D 為管道內徑，干管選用φ250PVC-U，此處鋼管選用DN400，計算內徑為400 mm；m 為流量指數，取1.9；b 為管徑指數，取 5.1。

局部水頭損失hj 按總沿程水頭損失的10%計。經計算首部樞紐和泵管水頭損失為0.06 m。

2.5.4 水泵系統總揚程確定

灌溉系統設計揚程按下式計算：

式中：ΔZ 為水面到管網入口的高差，取5.6 m；Hin為管網水頭損失，10.66 m；hj為首部樞紐水頭損失，0.06 m；Hg為給水栓自由水頭，2 m。

經計算，灌溉系統設計揚程Hp=18.32 m，水頭損失計算見表3。

表3 朱莊水頭損失計算表

2.6 水泵選型

根據確定的各項參數和前述計算結果，朱莊泵站選用1臺200QW480-18-45 型潛污泵，水泵額定流量480 m3/h，揚程18 m，配套電機功率45 kW。同樣的計算方式，梁水鎮泵站灌區各泵站選型見表3。

表3 梁水鎮泵站灌區各泵站選型統計表

3 結語

梁水鎮泵站提水灌溉片區總投資995.82 萬元，建設小型提水泵站15 座，鋪設PVC-U 管道77.11 km，出水栓1285 個，鋪設低壓電纜4.35 km；項目實施后，梁水鎮灌溉水利用系數從0.60 提高到0.85；新增節水灌溉面積1.05 萬畝，與土渠灌溉相比，節水灌溉可節水30%以上。(按畝均節水100 m3計)經計算，則項目年均可節水105 萬m3；由此表明梁水鎮泵站管道輸水灌溉模式在農田水利高效節水項目中的應用是非常可行，可以為后續相類似的農田水利項目的建設提供參考依據。