楊春艷
(陜西省涇惠渠灌溉中心,陜西 三原 713800)
三原縣位于關(guān)中平原腹地,素有八百里秦川“白菜心”之美譽。地理條件優(yōu)越,區(qū)位優(yōu)勢突出,南距西安、西距咸陽、北距銅川、東距閆良等省內(nèi)大中城市均約30 km,處于得天獨厚的“弧心”位置。三原縣總面積576.9 km2,耕地面積53.7 萬畝,轄10鎮(zhèn)4 個發(fā)展服務(wù)中心141 個行政村,是陜西關(guān)中“一線兩帶”建設(shè)的經(jīng)濟腹地和省會西安的北大門,同時也是陜西省重要的糧、棉、菜、果產(chǎn)區(qū)之一。
三原縣陵前鎮(zhèn)南塬灌溉供水項目區(qū)位于陵前鎮(zhèn),地處三原縣城以北20 km 處,三馬公路、張陵路、安陵路與鎮(zhèn)干路縱橫交錯,交通便捷,區(qū)位優(yōu)越。東隔趙氏河與富平縣淡村鎮(zhèn)相望,南與西陽鎮(zhèn)毗鄰,總面積15 km2,涉及柴窯、口外、鐵家、五泉東村等4 個行政村14 個村民小組,總?cè)丝?698 人,總耕地面積11006 畝。
旱災一直居三原縣氣象災害之首,且多發(fā)生在水利設(shè)施條件薄弱及水資源貧乏地帶,如嵯峨鎮(zhèn)天齊塬、新興鎮(zhèn)南部、陵前鎮(zhèn)西部、南部和四十里塬坡地帶。陵前鎮(zhèn)南塬項目區(qū)位于白鹿塬塬邊地段,因排泄強烈,深部斷層集漏,為貧水地段。地下水位于深層水位在120 m 或250 m以下的中下更新統(tǒng)黃土層及洪積湖相巖層中,單井涌量10 m3/h 左右,除滿足人畜飲水外,僅能滿足少量耕地灌溉需求,一遇大旱,農(nóng)作物因無法灌溉而遭受減產(chǎn)損失,甚至絕收。
綜合當?shù)刈匀粭l件、耕種條件和社會發(fā)展情況,合理確定灌溉標準和供水規(guī)模,以解決項目區(qū)8000 畝農(nóng)田灌溉,同時兼顧長遠發(fā)展的需要,確??购祽?yīng)急工程長期有效發(fā)揮效益,以合理的建設(shè)投資,后期運行費用,確定供水方案。
根據(jù)現(xiàn)場勘查,確定在涇惠渠一支渠15+300 處修建引水閘,向北引至泵站區(qū),修建前池,水泵(輸水管樁號0+000 處)抽水向北輸至朱洪路以南(輸水管樁號1+260 處),然后東拐至樁號1+580 處向北,2+230 處開始上塬,至2+375 處鋪至塬頂;輸水管上塬后,繼續(xù)向北輸水至5+910 處輸水管結(jié)束。輸水管3+070~5+910 期間,根據(jù)灌溉實際情況,埋設(shè)支管,支管根據(jù)實際布置出水口,工程布置示意圖見圖1。
圖1 工程布置示意圖
(1)設(shè)計抽水流量
因涇惠渠水質(zhì)僅能滿足大田玉米、小麥的灌溉要求,根據(jù)設(shè)計水平年項目區(qū)灌溉制度表(表1)查得玉米在播種、抽穗開花期用水集中,時間較短,所以流量計算:
表1 設(shè)計水平年項目區(qū)灌溉制度表(2016年、設(shè)計保證率75%)
式中:Q 為規(guī)定時間內(nèi)需要的流量,m3/s;m 為灌水定額;25 m3/畝;A 為灌溉面積,8000 畝;b 為作物種植比例;90%;η 為斗渠以下灌溉水利用系數(shù),涇惠灌區(qū)一般取0.8;t1為規(guī)定的天數(shù),取18 天;t2為每天運行的時間,h,取22 h。
經(jīng)計算,Q=25×8000×0.9/(0.8×18×22×3600)≈0.16m3/s=576m3/h。
(2)機組數(shù)量及管道布設(shè)
考慮到資金預算、建成后管理方便程度,及三原縣其他抽水泵站運行經(jīng)驗,抽水站按兩臺泵設(shè)置,每臺泵抽水流量Q=288 m3/h。雙泵并管,鋪設(shè)管線1 條。
(3)輪灌組劃分
圖2 管網(wǎng)平面布置圖
根據(jù)管道布置實際情況,為保證水泵能夠在高效區(qū)工作,支管采取輪灌的方式,雙泵運行時,同時開啟4 條支管,開啟順序為最上游和最下游分別開啟兩條支管,依次向中區(qū)輪灌;每條支管每次僅開一個出水口,支管流量為144 m3/h。
灌溉時按照相應(yīng)的輪灌組打開支管進口閥門,灌溉結(jié)束后關(guān)閉支管進口閥門,嚴禁支管進口閥門在不灌溉時段打開,以免支管在靜壓水頭作用下出現(xiàn)爆管。
(4)管材的選擇
經(jīng)勘察測量,涇惠渠一支渠15+300 處設(shè)計渠底416.631 m。40 m 長D60“U”型渠道引至泵站前池,已知引渠比降1/300,故引水閘至引水渠末端高程下降0.133 m;D60“U”型渠流量0.16 m3/s,比降為1/300,所以引水渠水深0.33 m;由此得出泵站前池水位高程為:416.631+0.33-0.133=416.828 m。
新興塬底地面高程為443.86 m,塬頂?shù)孛娓叱?01.93 m,最遠出水口水面高程553.5 m,即前池水面至最遠出水口水面高程相差553.5-416.828=136.672 m;前池水面至新興塬頂?shù)匦胃卟顬?01.93-416.828=85.102 m。
表2 雙泵輪灌組劃分及工況分析表
經(jīng)綜合比較,本工程的輸配水管泵站至塬頂輸水管采用鋼管;其余采用de200~de400 的UPVC 管,在過路處套大一個或兩個級別鋼套管。
(5)管徑的確定
式中:D 為管道內(nèi)徑,mm;Q 為設(shè)計流量,m3/s,輸水干管0.16 m3/s、0.08 m3/s;支管0.04 m3/s;V 為管內(nèi)流速,m/s,取1.5 m/s。
經(jīng)計算得:D=185 mm~369 mm。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化,0+000~2+435段輸水管道采用DN400×11mm 無縫碳鋼管(Q235A20);上塬后2+435~4+690 段鋪設(shè)de400×15.3 mm、PN=1.0 MPa 的UPVC 管;4+690~5+910 段鋪設(shè)de315×9.2 mm、PN=0.63 MPa 的UPVC 管;3+070~5+910 區(qū)間鋪設(shè)de200×5.9 mm、PN=0.63 MPa 的UPVC管20 條,其中20 支管管長1000 m。
(6)水泵選型
1)揚程確定
①地勢高差H
由上述可知泵站前池水面高程與最遠出水口水面高程相差為136.672 m。
②管道沿程損失hf
根據(jù)設(shè)計方案,灌溉輪灌組確定為:雙泵運行時,同時開啟4 條支管,開啟順序為最上游和最下游分別開啟兩條支管,依次向中區(qū)輪灌;每條支管只開一個出水口;單泵運行時,開啟順序為最上游和最下游分別開啟一條支管,依次向中區(qū)輪灌;每條支管只開一個出水口。
管道沿程損失公式:
式中:f 為摩阻系數(shù),鋼管采用6.25×105,UPVC 管采用0.948×105;L 為管長,m;Q 為流量,m3/h;雙泵運行576 m3/h;m 為流量指數(shù),鋼管采用1.9,UPVC 管采用1.77;b 為管徑指數(shù),鋼管采用5.1,UPVC 管采用4.77;d 為管道內(nèi)徑,mm。
按雙泵運行時,水力損失最大的①輪灌組進行計算,輸水管沿程損失情況為:0+000~2+435 段DN400 無縫碳鋼管2435m,流量576m3/h,hf鋼=19.15m。上塬后,2+435~3+070段de400UPV輸水管長635m,流量576m3/h,hf1=2.62m;3+070~3+270段de400UPVC輸水管長200m,流量432 m3/h,hf2=0.5m;2 支管至19 支管間分為兩段:3+270~4+690段de400UPVC輸水管長1420m,流量288m3/h,hf3=1.72 m;4+690~5+910 段de315UPVC 輸水管長1220m,流量288 m3/h,hf4=4.21m;20 支管de200UPVC 管長hf5=8.85m。所以雙泵運行時,管道沿程損失hf=19.15+2.62+0.5+1.72+4.21+8.85=37.05 m。
表3 泵性能參數(shù)表
③管道的局部水頭損失hj
管道的局部水頭損失按沿程損失的10%計算,故:hj=37.05×0.1=3.7m。
所以,泵所需揚程=H+hf+hj=136.672+37.05+3.705=177.422m。
2)確定泵型
經(jīng)篩選比較,水泵型號采用D280-43/84×4型臥式多級離心泵,電機型號為Y355M-4/200,見表3。
3)水泵工況分析
由圖3 可知,雙泵并聯(lián)時的工作點為流量Q=506 m3/s,揚程H=168.8 m,根據(jù)同比例法推算水泵運行效率η=77.9%。即水泵選型合適。
圖3 水泵工況分析圖
(7)水錘的防護措施
確定在水泵泵房首部安裝多功能控制閥保護機組安全,在管路2+230 處安裝一臺DN400、JD745X-25 的多功能控制閥,在2+430 處安裝一臺DN400、HH44W、壓力等級PN=1.6 MPa 的逆止閥,并配置相應(yīng)的空氣閥。
本文僅對雙泵運行時的工況進行了分析,其實還可以對單泵運行進行分析。我們往往通過地勢高差+沿程損失+局部水頭損失所計算的揚程來選擇水泵,但是水泵的額定流量、揚程并不是工程水泵運行時真正的數(shù)據(jù)反映,而是要進行水泵工況分析,通過供水系統(tǒng)在需水量不同時所對應(yīng)的Q-H 曲線與水泵的額定曲線的交點,才更接近于水泵運行時真正的數(shù)據(jù)狀態(tài)。三原縣2015年抗旱項目實施后,不僅可以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)條件,實現(xiàn)增產(chǎn)增收,帶動和促進全縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟又好又快的發(fā)展,還可以使群眾生產(chǎn)生活水平得到顯著提高,有力地推動全縣農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,促進全縣農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè);另外對改善生態(tài)環(huán)境發(fā)揮具有重要的作用,農(nóng)田水利工程建設(shè)使農(nóng)業(yè)單產(chǎn)有了較大提高,傳統(tǒng)的廣種薄收開始讓位于精耕細作,促進當?shù)氐幕牡剡€耕,這對促進當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境走向良性循環(huán)具有不可替代的作用。