肇州縣典型農(nóng)灌機電井設(shè)計與分析

鄭越馨，李治軍，張曉紅，高 宇

(1.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

肇州縣典型農(nóng)灌機電井設(shè)計與分析

鄭越馨1,2，李治軍1,2，張曉紅1,2，高 宇1,3

(1.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

肇州縣以玉米為主要農(nóng)作物，需水量占肇州縣農(nóng)業(yè)灌溉總需水量的85%，所需水源主要通過農(nóng)灌機電井汲取地下水來獲取。為了更好的規(guī)劃灌區(qū)地下水開發(fā)利用工程,在肇州縣布設(shè)農(nóng)灌機電井。針對肇州縣的水文地質(zhì)條件和農(nóng)業(yè)灌溉要求，在典型農(nóng)業(yè)區(qū)二井鎮(zhèn)和雙發(fā)鄉(xiāng)設(shè)計潛水井和混合開采井，從井的結(jié)構(gòu)、材料、成井工藝和價格預(yù)算四方面展開設(shè)計。二井鎮(zhèn)的農(nóng)灌機電井井深為17.5 m，雙發(fā)鄉(xiāng)長發(fā)站的井深為55.5 m，潛水井是單層取水，混合開采井含水層為三層取水，通過對比分析潛水井和混合開采井的價格，得出混合開采井的價格較為經(jīng)濟(jì)，適用性強，便于當(dāng)?shù)卮蚓牬蚓?/p>

潛水井；混合開采井；灌溉；水文地質(zhì)條件；肇州縣

1 問題的提出

肇州縣地處松嫩平原腹地，是典型的農(nóng)業(yè)大縣，二井鎮(zhèn)和雙發(fā)鄉(xiāng)為12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的典型農(nóng)業(yè)區(qū)，玉米作為主要農(nóng)作物需水量為908.66×104m3，占肇州縣農(nóng)業(yè)灌溉總需水量的85%，所需水源主要通過農(nóng)灌機電井汲取地下水來獲取[1-4]。為了更好的規(guī)劃灌區(qū)地下水開發(fā)利用工程，亟待對農(nóng)灌機電井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與分析[5]。針對研究區(qū)水文地質(zhì)條件和農(nóng)業(yè)灌溉需求，在二井鎮(zhèn)和雙發(fā)鄉(xiāng)分別設(shè)計潛水井和混合開采井，從井的結(jié)構(gòu)、材料、成井工藝和價格預(yù)算四方面進(jìn)行設(shè)計與分析，并針對研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件和主要農(nóng)作物需水特征，對比分析潛水井和混合開采井的價格和適用性，給出合理的農(nóng)灌機電井設(shè)計方案及使用建議，使設(shè)計方案具有典型性，便于當(dāng)?shù)爻删?/p>

2 井型的選擇及研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)

2.1 井型的選擇

水井是重要的取水工程，有三種不同類型，分別是潛水井、承壓井和混合開采井。農(nóng)灌機電井是農(nóng)業(yè)灌溉的主要供水設(shè)備，主要類型有潛水井和混合開采井，且兩種井均為完整井。承壓井的水質(zhì)雖然好，但造價高，潛水井和混合開采井可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需水要求，水質(zhì)也符合灌溉的標(biāo)準(zhǔn)，因此農(nóng)灌機電井一般不考慮承壓井。

2.2 研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)

二井鎮(zhèn)位于肇州縣東北部，全鎮(zhèn)面積為276 km2，耕地面積1.733×104hm2[6]。二井鎮(zhèn)鄒家站的地層巖性依次為表土、亞黏土、粉砂和黏土，含水層類型為哈爾濱組潛水含水層，此含水層為單層取水，厚度為9.3 m，可以取到距地表以下5～13 m的水源，井的類型為潛水完整井。雙發(fā)鄉(xiāng)位于肇州縣中部，全鄉(xiāng)總面積140 km2，耕地面積為0.687×104hm2，雙發(fā)鄉(xiāng)長發(fā)站的地層巖性依次為表土、黃土、粉砂、亞黏土、中砂、黏土、中砂和泥巖，含水層類型為明水組承壓含水層[7]，有三層含水層，含水層厚度依次為4 m、15 m和6 m，分別距地表11 m、25 m和46 m，井的類型為混合開采完整井，根據(jù)研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)繪制水文地質(zhì)剖面圖，見圖1。

圖1 研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面圖

3 機電井設(shè)計與分析

3.1 潛水井結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

農(nóng)灌機電井的結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，井口、井身、濾水管和沉砂管。在二井鎮(zhèn)鄒家站布設(shè)一口潛水完整井，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)將井深設(shè)計為17.5 m，該深度可抽水灌溉補給研究區(qū)主要農(nóng)作物。二井鎮(zhèn)鄒家站潛水井的井口設(shè)計為高出地面0.5 m，井口的高度設(shè)置主要是防止雜物掉入井內(nèi)。井身設(shè)計為5 m，井身的作用是加固井壁，二井鎮(zhèn)的潛水井是單層取水，井身為一整體段，根據(jù)井管單節(jié)長度和含水層所在深度設(shè)計井身長度，以便更好穩(wěn)固井壁，便于取水。濾水管設(shè)計為8 m，濾水管的作用主要是濾水?dāng)r砂，安裝在進(jìn)水部位，且長度大致設(shè)為含水層厚度的80%，考慮到井管的單節(jié)長度為2 m/節(jié)，便于安裝下管。沉砂管長度設(shè)計為4 m，沉砂管主要是清除沉淀于井底的砂粒，長度不宜過長，長度設(shè)計根據(jù)含水層厚度及地層結(jié)構(gòu)決定。

3.2 潛水井材料設(shè)計

潛水井的材料包括井管材料、粘結(jié)材料、濾水料、止水料和取水設(shè)備。

井管材料：鄒家站的潛水完整井選用造價低、制作容易、耐腐蝕性強的鋼筋混凝土井管。根據(jù)鋼筋混凝土井管的技術(shù)規(guī)格且考慮到經(jīng)濟(jì)條件，井管內(nèi)徑設(shè)計為250 mm，外徑320 mm，壁厚35 mm，井口直徑500 mm[8]，鋼筋混凝土井管的直徑應(yīng)小于井孔直徑，便于安裝下管。

井管粘結(jié)材料：井管之間選用瀝青作為粘結(jié)材料，操作簡單、價格便宜且不易被氧化。

濾水材料：根據(jù)二井鎮(zhèn)含水層巖性主要為中砂、細(xì)砂類松散含水層，故選用砂礫濾水管，攔砂效果好，還能增加管井的出水量，濾料為砂礫石。濾料體積計算公式[9]：

(1)

式中：V為濾料體積，m3；D為井孔直徑，取500 mm；d為濾水管的骨架管外徑，取0.32 m；h為圍填濾料的設(shè)計高度，取8 m；c為鉆孔超徑系數(shù)，一般取1.10～1.15，取經(jīng)驗值1.10。經(jīng)計算圍填濾料的體積為1.02 m3。根據(jù)井管的內(nèi)徑250 mm，外徑320 mm，濾料厚度設(shè)計為90 mm。

止水材料：將含水層中的水與外界阻隔，防止雜質(zhì)進(jìn)入含水層內(nèi)影響水的質(zhì)量，選用黏土止水，止水效果好、經(jīng)濟(jì)且材料來源廣泛。

取水設(shè)備：二井鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)需水量為68.72 m3/h[10]，潛水完整井采用IS型離心泵作為取水設(shè)備[11]，型號為IS50-25-250，適用于農(nóng)業(yè)灌溉用水，其優(yōu)點是體積小、重量輕、耗電量低且性能好，該離心泵的流量達(dá)到25 m3/h，揚程為20 m，所用電機功率為3 kW，適用于該灌區(qū)農(nóng)灌機電井取水。水泵的安裝深度一般在含水層的1/3～2/3處，本設(shè)計將水泵安裝在距離井口9 m處。

3.3 潛水井成井工藝

潛水井的成井工藝包括鉆井方法、井管安裝、洗井方法和出水量計算[12]。

鉆井方法：根據(jù)二井鎮(zhèn)鄒家站地層巖性，選用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法[13]，回轉(zhuǎn)鉆機的型號為SPC-300H型，開孔直徑為500 mm，鉆速為65 r/min，泥漿泵最大排量達(dá)到340 L/min，回轉(zhuǎn)鉆機的鉆進(jìn)效率高且適用于松散砂土層。

井管安裝：潛水井下管采用鉆桿托盤下管法，該方法適用于井管材料是鋼筋混凝土的管井，易于保證井管下直。井管之間的聯(lián)結(jié)方式采用焊接，在井管的管口處涂上瀝青，并在對接處焊上鋼片即可。

洗井：為了徹底清除井管外固結(jié)的泥漿，提高出水量。考慮經(jīng)濟(jì)原因，選用空壓機洗井。

出水量:根據(jù)Theis公式[14]計算。

(2)

式中：Q為抽水井的出水量，m3/ h；SW為水位降深，取含水層厚度的2/3處，6 m；K為滲透系數(shù)，取經(jīng)驗值0.8 m/d；M為含水層厚度，取8 m；r1、r2為距井中心的距離，取43 m、780 m。經(jīng)計算，潛水農(nóng)灌機電井出水量為83.25 m3/h。

3.4 價格預(yù)算分析

對肇州縣二井鎮(zhèn)進(jìn)行實地調(diào)研，獲取費用項目參數(shù)(鉆探費、井管、粘結(jié)材料、濾料、止水料、水泵、井房建設(shè)和人工等費用)，并對設(shè)計的潛水完整井做價格預(yù)算[15]。

4 混合開采井設(shè)計與分析

在雙發(fā)鄉(xiāng)長發(fā)站布設(shè)混合開采井，根據(jù)雙發(fā)鄉(xiāng)的地層結(jié)構(gòu)及巖性為表土、黏土、粉砂、中砂、泥巖，設(shè)計的混合開采井井深為55.5 m，符合混合開采井的設(shè)計要求。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

混合開采井的井口設(shè)計與潛水井相同，均高出地面0.5 m。

井身設(shè)計：管井為三層取水，井身被濾水管分割為三段，井身長度分別為12 m、10 m、6 m。井管材料為鋼筋混凝土，內(nèi)徑設(shè)計為200 mm，外徑260 mm，壁厚30 mm，單節(jié)井管長度為2 m/節(jié)，以0.5 m遞增。

濾水管設(shè)計：因含水層為多層結(jié)構(gòu)，濾水管分層安裝，混合開采井的含水層厚度分別為4 m、15 m、6 m，由于濾水管的長度取決于井管的單節(jié)長度，因此濾水管的長度設(shè)計為4 m、14 m和6 m。

沉砂管設(shè)計：沉砂管長度為4 m[16]。

4.2 材料設(shè)計

井管材料、止水料和濾料均與潛水井的材料相同。圍填濾料的體積分別為0.63 m3、2.21 m3和0.95 m3。根據(jù)井管的內(nèi)徑200 mm，外徑260 mm，開孔直徑為500 mm，濾料的厚度為120 mm。

取水設(shè)備：已知雙發(fā)鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)需水量為151.8萬m3/a，相當(dāng)于173.28 m3/h，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2858所規(guī)定的性能和尺寸設(shè)計，選用型號為150QJ20-52/8的6寸潛水泵，流量為20 m3/h，揚程為52 m，電機功率為5.5 kW，潛水泵安裝在距離井口28 m的深度處。

4.3 混合開采井的成井工藝

鉆井方法：選用沖擊鉆進(jìn)，因其適合各種土層、砂層、卵礫石層，且鉆進(jìn)效率優(yōu)于其他鉆機。其中沖擊150型應(yīng)用較為普遍，開孔直徑為500 mm，鉆速為1460 r/min，功率為14 kW，混合開采井的井深為55.5 m，該鉆機的鉆速大且能有效的鉆擊地層，便于開采農(nóng)灌機電井。

井管安裝：下管方法采用懸吊下管法，適用于抗拉強度高的鋼筋混凝土井管，洗井方法采用價格便宜的空壓機洗井，洗凈效果好。計算混合開采井的出水量，利用Theis公式，混合開采井出水量為117.07 m3/h。

4.4 價格預(yù)算分析

對混合開采井進(jìn)行價格預(yù)算分析，經(jīng)過對比混合開采井和潛水井的結(jié)構(gòu)、材料、成井工藝和價格，得出混合開采井的性價比較高，適合農(nóng)業(yè)灌溉需水量大的研究區(qū)使用。

5 結(jié)論與建議

在給出了肇州縣水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合肇州縣二井鎮(zhèn)實地調(diào)研工作給出了一套詳細(xì)的農(nóng)灌機電井設(shè)計方案，井的類型分別為潛水井和混合開采井，經(jīng)過設(shè)計與分析，得到的主要結(jié)論和建議有三點：

(1)潛水井和混合開采井在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所不同，二井鎮(zhèn)的農(nóng)灌機電井井深為17.5 m，雙發(fā)鄉(xiāng)長發(fā)站的井深為55.5 m，潛水井是單層取水，濾水管長度為8 m，本設(shè)計的混合開采井含水層為三層，則多層取水，濾水管長度分別為4 m、14 m、6 m。

(2)潛水井和混合開采井在材料上有所不同，在水泵的選擇上，潛水井選用離心泵，混合開采井選用潛水泵。潛水泵主要是葉片機械轉(zhuǎn)動抽水，效率高，且價格上離心泵較為便宜。

(3)針對肇州縣的主要農(nóng)作物和需水特征，經(jīng)過對比分析潛水井和混合開采井的單位價格，得出混合開采井的價格較為經(jīng)濟(jì)，適用性強，便于當(dāng)?shù)卮蚓牬蚓?/p>

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Design andanalysis of electromechanical wells for typical agricultural irrigation in Zhaozhou County

ZHENG Yuexin1,2,LI Zhijun1,2,ZHANG Xiaohong1,2,GAO Yu1,3

(1.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 2.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 3.SchoolofWaterConservancy&CivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Zhaozhou County, with maize as the main crops, accounted for 85% of the total irrigation water demand in Zhaozhou County. The required water resources are mainly obtained by digging groundwater from the irrigation wells. In order to better plan the groundwater development and utilization projects, County set up agricultural irrigation electromechanical wells. Based on the analysis of the hydrogeological conditions and agricultural irrigation requirements of Zhaozhou County, the design of submersible wells and mixed mining wells in the design of the structure, materials, well technology and price budget of the wells in the two towns and the Shuangfa Township in the typical agricultural areas are designed. The well depth is 17.5m, and the depth of the Shuangfa Township is 55.5m. The submersible wells are single-layer water intake and the mixed aquifer is a three-layer water intake. By comparing and analyzing the submersible wells and mixed mining wells Of the price, the price of mixed mining wells is more economical, applicability, easy to local wells crew drilling wells.

submersible well; mixed mining well; irrigation; hydrogeological condition; Zhaozhou County

“十二五”國家科技支撐計劃(2014BAD12B01-03)

鄭越馨(1995-)，女，吉林長春人，碩士研究生，研究方向: 寒區(qū)地下水評價與開發(fā)。 E-mail: hss_zhengyuexin@126.com。

S277.9

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：2096-0506(2017)08-0034-04