泵站灌溉和排水工程设计

陈春营 罗 元

（1驻马店水利设计研究有限公司；2河南省豫北水利勘测设计院有限公司）

0 引 言

农田水利工程是农业生产不可或缺的重要方面，根据“十二五”国家提出的“加强大中型灌溉区续建配套节水改造、大型灌溉排水泵站更新改造和小型农田水利建设，增加农田有效灌溉面积，强化农业节水”的目标。灌溉与排水工程是水利事业的重要组成部分，灌溉排水工程在促进农业和农村经济发展中具有重要的地位和作用。因此，要加强灌溉和排水工程建设，科学合理地进行设计，为农业的发展提供重要保障。

1 项目区概况

项目区春季前期少雨干旱，后期常低温阴雨，夏季气温高且降雨集中，秋季温差较大，冬季寒冷干燥。年平均气温15.10 ℃，多年平均风速2.10 m/s。

项目区地下水埋藏较深，灌溉条件较差，项目区群众自发修建了很多坑塘，但由于建设标准低，多数坑塘没有衬砌，淤积、渗漏问题严重。

灌区位于浅山丘陵区，渠道沿湍河台地段绕山体运行，半挖半填段较多，且渠道多为土渠，运行数十年来，塌方、淤积、水毁使渠道老化失修，渗漏严重，致使灌区不能正常发挥效益。

2 项目区泵站灌溉工程设计

2.1 泵站布置及形式

根据各地块耕地面积、地形、水源及工程布置，对地块面积大且集中，而水源在低处的田块建设固定泵站。本次共规划泵站3 座，每座泵站效益面积60 hm2，共180 hm2。泵站自长城河提水，经管道输水至高位调蓄池，再由调蓄池配套管道进入田间，田间管道设给水栓接移动软管进行灌溉。

2.2 泵站设计流量计算

泵站设计流量计算公式如下：

式中：Q—设计流量，m3/s；q—设计净灌水率，m3/s·万hm2；A—设计灌溉面积，hm2；η—灌溉水利用系数。

2.3 输水管道管径计算

输水管道管径计算公式如下：

式中：Q—设计流量，m3/s；V—管道经济流速，1 m/s；

泵站设计结果见表1。

表1 泵站设计成果表

2.4 泵房及附属设计

根据泵站布置情况，泵站修建长城河旁边，由集水井、泵房、水泵电机设备、管道系统组成。

集水井内径2 m，深3.15 m。井壁下部采用厚50 cm的C25钢筋混凝土结构、上部采用厚40 cm 的干砌石结构，干砌石上预留进水孔。井底设两层滤料，厚度均为20 cm，滤料采用卵石和砂砾石。顶部设12 cm厚钢筋混凝土盖板。

泵房平面尺寸3 m×3 m，砖混结构，地坪采用C20混凝土，圈梁及构造柱采用C25钢筋混凝土结构，屋顶采用C25钢筋混凝土现浇板，泵房内部安装离心泵、真空泵、控制阀、水表、逆止阀等设备。

泵站吸水管道采用DN200×6无缝钢管，地埋敷设，根据需要在平面转弯处或高程转角处设置混凝土镇墩。

泵站供水管道采用DN250 PE管，压力1 MPa，壁厚14.80 mm，地埋敷设，根据需要在平面转弯处或高程转角处设置混凝土镇墩。

2.5 泵站灌溉管道设计

2.5.1 管网设计原则和主要技术参数

管道系统布置与道路、林带、供电、农业耕作结合，管线平顺，力求使管线最短，控制面积最大。出水口位置、间距以灌溉面积均衡为原则，同时，兼顾农户管理、使用方便。

依据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》，管网设计采用以下为主要技术参数：管网水利用系数取0.95，田间水利用系数取0.90，灌溉水利用系数取0.86。

2.5.2 管材选型

农田灌溉常用的管道管材有PVC-M、PE、钢管等，各种管材特点见表2。

表2 管道管材比较表

经方案比较，PVC-M 管造价相对较低、施工简便，不需要防腐防锈处理，且对地形变化适应能力较强，故选择PVC-M管作为农田灌溉管道。

2.5.3 管网布置

管道系统布置采用单井管道系统，管道布置根据蓄水池位置、地块形状、种植方向及田间配套相结合，采用梳子型布置。

灌溉水源为泵站调蓄池，一个提灌站为一个独立的灌溉系统。利用水泵将灌溉水提引至调蓄池，由田间干管将灌溉水输送到田间支管，再由田间支管输水到给水栓，通过给水栓连接移动软管完成灌溉任务。

管道输水的干、支两级固定管道统一采用PVC-M管，长度根据地块走向布置。

2.5.4 管道管径计算

本次设计管道采用PVC-M管道，按经济流速法计算管径：

式中：d—管道直径，mm；Q—管道设计流量，m3/h；v—管道内水的经济流速，取1.00 m/s。

经计算，根据管道控制面积，泵站输水干管管径分别取200 mm、140 mm、支管管径取90 mm，干支管公称压力均为0.63 MPa。

2.5.5 管道系统设计

管道系统主要包括管道、阀表及镇支墩，管道包括干管、支管、给水栓等，阀表包括控制阀、水表、进排气阀、减压阀、泄水阀等，镇支墩包括管道转弯处的镇墩和给水栓处的支墩。

2.5.5.1 管道

干管：干管自调蓄池引水，DN200 PVC-M 干管工作压力0.63 MPa，壁厚3.90 mm，长度2 865 m；DN140 PVC-M 干管工作压力0.63 MPa，壁厚2.80 mm，长度913 m。

支管：自干管引水向田间配水，选择DN90 PVC-M管，工作压力0.63 MPa，壁厚2 mm，长度10 673 m。

给水栓：安装于竖管上，给水栓间距50 m，共布置给水栓226个，给水栓后接塑料软管进行灌溉，由于群众已有软管，基本满足使用，项目不再配套。

2.5.5.2 阀表

控制阀：每条干管、支管进口处设控制阀、水表各1 个，用于控制水流和水量计量，干管控制阀及水表型号DN200 及DN140、支管控制阀及水表型号DN90。

进排气阀：项目区地形复杂，干管穿越沟底、岗顶时设进排气阀1个，并且在管道长度超过500 m时也设进排气阀1个，型号DN32。

泄水阀：为方便管道检修，在支管末端或最低处设泄水阀1个，型号DN90。

3 项目区排水工程设计

3.1 调蓄池设计

调蓄池选择地质条件较好的，如不漏水土层或较完整的岩石基础地带且靠近灌区的位置，为保证管网的工作水头，本次设置调蓄池位置位于丘顶位置。

本次方案设计的调蓄池的主要作用不是调节水量，主要利用其地形产生的水位差，即调压调蓄池。在用水量小时，不需启动水泵，实现自压灌溉，当用水量大时，泵站持续供水。

根据《农田水利工程规划设计手册》，调蓄池容积统一确定为150 m3，满足灌溉要求。水池结构均采用C25钢筋混泥土浇筑；集水坑采用C20混凝土浇筑。

规划每处泵站配一座调蓄池，共规划调蓄池3座。

3.2 排水工程设计

项目区地处缓坡丘陵地带，地形明显向主排水沟倾斜，田间排水体系基本健全，但局部淤积。本次结合道路布置，对田间排水体系进行清淤、疏浚，形成完整的排水体系。

3.2.1 排涝模数的确定

项目区排水按“10 年一遇，一日暴雨一日排出”的排涝标准设计。根据当地排涝设计资料知，确定项目区排涝模数取0.80 m3/（s/km2）。

3.2.2 排水沟流量的确定

根据排水沟控制面积，选取典型排水沟，计算典型排水沟设计流量见表3。

3.2.3 排水沟横断面设计

排水沟均采用梯形土质断面，坡改梯区域的排水沟由于要跨越田坎，需要硬化衬砌，采用浆砌石结构。

表3 排水沟设计流量计算表

排水沟过水流量计算采用明渠均匀流公式计算：

式中：Q—排水沟设计流量，m3/s；Ω—渠道过水断面面积（m2）；C—谢才系数；R—水力半径（m）；χ—湿周，m；m—边坡系数，结合当地土质情况和实际工程经验，选用1。i—沟底比降；n—渠床糙率；b、h—沟底宽、水深，m。

根据排水沟控制面积和设计流量，设计排水沟断面尺寸见表4。路边沟断面同农沟设计断面。

表4 排水沟横断面设计成果表

根据规划布局，规划斗沟15 350 m，其中利用13 249 m、清淤2 101 m，规划农沟43 056 m，其中利用10 285 m、新建30 460 m、衬砌2 311 m。

3.2.4 跌水设计

坡改梯区域的部分排水沟需横穿梯田，排水沟跨越田坎时存在高差，需要设置跌水，以便排水沟纵向衔接。

根据梯田设计，按照梯田田坎高度，跌水落差2 m，跌水采用浆砌石结构，纵坡与田坎坡度一致。跌水末端设沉砂池，长×宽×深=0.80 m×0.80 m×0.70 m，沉砂池侧面预留缺口与梯田毛沟连接，方便田间排水，缺口宽0.30 m、深0.30 m。

根据工程布置，共规划跌水93座。

4 结 语

综上所述，做好泵站灌溉和排水工程设计，要结合当地自然地理特征和人文地理特征,寻求最佳的设计方案,要充分考虑当地农业发展的实际需要，使泵站灌溉和排水工程更具合理性和科学性，充分满足灌溉需水量的同时,切实提高水资源的利用率,保障农业可持续发展。