高效节水灌溉典型工程设计及其施工要点分析

王清君

(北票市高标准农田建设管理办公室，辽宁 北票 122113)

1 项目概况

辽宁省北票市2018年中央财政高效节水灌溉项目，共涉及12个乡镇，37个行政村，共分12个项目片区，主要任务是改善灌溉面积1400.00 hm2(管灌1369.33 hm2；滴灌30.67 hm2)，全部为粮食作物，主要建设任务如表1所示。

表1 北票市2018年中央财政高效节水灌溉项目建设任务

2 典型工程设计

本项目灌溉工程类型有以下四种：管灌大口井、管灌机井、管灌机井+蓄水池、滴灌机井。本文以管灌大口井和滴灌机井为典型工程，对其设计要点进行分析[1]。

2.1 管灌大口井设计分析

项目区位于北票市西北部，地势为低山丘陵，地块设计长约350 m，宽约210 m，总面积约7.35 hm2，种植作物为玉米。区内需改建大口井1眼，改建井房1座，布置开关启动柜、水泵、逆止阀等首部工程，设计总投资14.9万元。

2.1.1 单井控制面积设计

经实地测算，该区单井出水量Q=30 m3/h，井深12 m，水质符合要求，适宜发展管灌。单井控制灌溉面积A0计算见公式(1)[2]。

(1)

式中：t为灌溉期机井每天开机时间，h/d；T为每次轮灌期天数，d；η为灌溉水利用系数，取0.8；m为综合平均灌水定额，m3/hm2。经计算得：A0=7.43 hm2，因此1眼井便可控制该项目区。

2.1.2 管网布置设计

(1)管网布置形式。由于本区地势平坦，为充分利用地面坡降，根据“干管垂直种植方向、支管平行种植方向”原则布置管网，其中支管采用“丰字”型管网形式，可使管线长度最短、干管平直(见图1)[3]。管材为PVC，抗腐蚀性强，且能适应一定沉降[4]。

图1 管网布置形式示意

(2)管道参数设计。管道内径D根据流量Q和经济流速v共同确定，计算见公式(2)[5]。

(2)

式中：n为该管道控制范围内同时开启的给水栓个数；v为经济流速，取1.5 m/s；N为全系统同时开启的给水栓个数。经计算得：D干=84.10 mm，D支=59.47 mm。根据计算结果和实际经验，设计该项目区干、支管分别选择φ90、φ75管材。

管道沿程水头损失hf直接关系到供水流量、流速等问题，计算见公式(3)[6]，局部水头损失按沿程水头损失10%计算。

(3)

式中：f为管材摩阻系数，取0.948×105；m为流量指数，取1.77；b为管径指数，取4.77；L为管长，m。经计算得：管道系统进口至最远给水栓沿程总水头损失为13.33 m，据此选择的水泵型号详见表2。

表2 项目区潜水泵性能参数

2.2 滴灌机井设计分析

项目区地形东高西低，为低山丘陵与山间河谷区，中低山下部为剥蚀堆积地形，以种植玉米为主。该地块长432 m，平均宽度356 m，面积15.38 hm2。根据项目区水源、地形、实际运行方式，灌溉方式选择滴灌。

2.2.1 首部工程布置

根据水源地质条件，在项目区内改建井1眼，在P=85%时，出水量为40 m3/h，根据公式(1)算得单井可控制面积15.84 hm2，1眼井即可满足要求。首部工程布置顺序：逆止阀→闸阀→离心过滤器→施肥罐→网式过滤器→压力表→水表→闸阀[7-9]。

2.2.2 管网布置设计

(1)管网布置形式设计。该项目区内设计布置小块滴灌区30个，区内种植玉米，采用地膜覆盖栽培，株距0.3 m，行距1.2 m，管网具体布置设计如下：①从水源井向地块新铺设1条干管(PVC管材，φ110 mm，0.8 MPa)，长287 m。布置支管(PVC管材，φ75 mm，0.63 MPa)2条，各432 m，布置为“丰字”型；②支管垂直作物垄向，毛管平行作物垄向，双向布置。毛管间距1.2 m，滴头间距0.3 m，滴灌流量1.38 L/h。滴灌带采用内镶贴片式，铺设长度为50～100 m。

(2)管道流量计算。该项目区内由1条支管控制，灌溉时有2条支管工作，管道流量Q计算见公式(4)。

Q=n·q

(4)

式中：n为下一级管道(滴头)数量；q为下一级管道设计流量，m3/h。各级管道流量设计见表3。

表3 各级管道流量设计 m3·h-1

(3)轮灌制度设计。本项目滴灌系统工作制度及运行方案设计如下：划分15个轮灌组，每次运行2条支管，1条支管开启2个小区控制阀，一次灌水延续时间为4.4 h，48根毛管同时工作，一个轮灌组灌水结束后，先开启下一个轮灌组，再关闭上一个轮灌组，严禁先关后开，具体轮灌制度见表4[10]。

表4 轮灌制度

3 工程施工要点

3.1 水源井施工要点

3.1.1 机井

(1)管井采用冲击钻井，钻孔孔径D500，井径D310，管井顶部采用D310铁管衬砌，下部采用D265铁管衬砌，滤水部分采用D260铁管(管身为电钻打孔，约19排，孔距3.5 cm，孔径8 mm)，非岩石层采用D260铁管衬砌。

(2)井壁与井管间填充石灰石作为滤料，顶部用黏土填充封井。终孔顶角倾斜度≤1.5°，成井后采用空压机和水泵进行联合洗井，洗井方式为从上至下、多次洗井，洗至水清砂净后进行抽水试验，试验时间连续≥4 h。

3.1.2 大口井

(1)本项目大口井井径分为2.0 m和6.0 m两种，井深5～15 m，挖掘机开挖。

(2)6.0 m内径井壁材料为砌石，强度>30 MPa，混凝土强度≥C20，采用M10浆砌石进行井台砌筑，并进行洗井；2.0 m内径井壁采用C25混凝土浇筑，厚度10 cm，预制井圈高度0.8～1.0 m，井盖为C25混凝土预制板，钢筋采用Ⅰ级配筋，并进行洗井。

3.2 井房施工要点

(1)高强度防静电板井房。高强度防静电板井房设计尺寸：1.35 m×1.25 m×2.03 m(长×宽×高)，为全钢骨架，井房室内地面制作，钢筋与地梁连接网状，砂石混凝土厚100 mm，井房外滴水檐宽300 mm、砂石混凝土厚100 mm，地梁采用C20混凝土，土垫层进行夯实。

(2)砖混结构井房。砖混结构井房设计尺寸：3.3 m×3.3 m×2.5 m(长×宽×高)，基础采用砌石结构，埋深1.3 m，基槽开挖按1∶0.5放坡，基础开挖到离基底约20 cm时，采用人工修整。四周立墙采用砖混结构，墙宽24 cm，墙壁内外采用M10砂浆抹面2 cm，房顶采用现浇钢筋混凝土结构，屋面现浇10 cm厚C20混凝土，顶层砂浆抹面。

4 结 语

本项目实施后，管灌灌溉水利用系数达到0.8，滴灌灌溉水利用系数达到0.9，每年节约水量12.41万m3，平均每亩玉米产量增加100 kg。农业生产条件和生态环境均得到明显改善，有效缓解了当地用水紧张局面，使该地区农业生产步入良性循环轨道。但同时应认识到发展高效节水灌溉前期需要大量资金支持，而且对实际条件要求较高，因此不可盲目实施，否则可能无法发挥效益。