中小型農(nóng)業(yè)灌區(qū)的供水平衡分析及飲水改造治理研究

聶新桂

(封開(kāi)縣廣信堤圍養(yǎng)護(hù)中心，廣東 封開(kāi) 526500)

0 引 言

近年來(lái)，在典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)用水占用水總量的比例占絕大部分。許多農(nóng)廠隨著用水需求的增加，農(nóng)業(yè)用水的要求不斷提高，發(fā)展高效能的農(nóng)業(yè)用水體系非常緊迫[1]。

文章以嶺南某農(nóng)場(chǎng)灌溉體系改造工程為背景，按照總量控制、定額管理總體思路，采用供需平衡理論對(duì)灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水供需平衡計(jì)算，并且對(duì)灌區(qū)的現(xiàn)有農(nóng)業(yè)供水系統(tǒng)進(jìn)行高效能改造設(shè)計(jì)，以為類似農(nóng)業(yè)灌溉工程提供規(guī)劃設(shè)計(jì)參考[2-3]。

1 灌區(qū)現(xiàn)狀和供需平衡分析

1.1 項(xiàng)目區(qū)概況

某農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)以種植紅江橙為主的國(guó)有農(nóng)場(chǎng)，農(nóng)場(chǎng)位于粵桂兩省交界處一帶，道路四通八達(dá)，交通條件很好。

農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)以種植紅江橙、荔枝等熱帶水果為主的國(guó)有農(nóng)場(chǎng)，現(xiàn)有總?cè)丝?5198人，土地面積3355.73hm2，其中，農(nóng)業(yè)利用地面積1929.12hm2，納入收費(fèi)地塊面積1839.12hm2，實(shí)際收費(fèi)面積1268.94hm2?，F(xiàn)種植紅江橙610hm2，荔枝、龍眼360hm2，林地238hm2，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積144hm2，其他農(nóng)經(jīng)作物面積577.12hm2。養(yǎng)豬、養(yǎng)魚(yú)、養(yǎng)鴨等養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較快，已形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

項(xiàng)目區(qū)地處亞熱帶,勘查區(qū)及附近地下水類型主要松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類[5]。據(jù)地區(qū)水資源公報(bào)資料顯示，該地區(qū)的地表水水資源總量為18.26 億m3，地下水資源量5.97億m3。通過(guò)打井取水解決人畜飲水的水源問(wèn)題，具有良好條件。

1.2 存在問(wèn)題

該農(nóng)場(chǎng)為干旱相對(duì)嚴(yán)重區(qū)域，區(qū)內(nèi)沒(méi)有干凈的地表水源，各隊(duì)區(qū)存在水利設(shè)施不足以及老化的問(wèn)題，不能滿足日益增長(zhǎng)的人畜飲用水需求。到目前為止，農(nóng)場(chǎng)一直都是使用地表水和大口井飲用劣質(zhì)淺層地下水[6]。經(jīng)抽樣檢驗(yàn)，該區(qū)淺表水鐵化物、總硬度、渾濁度等嚴(yán)重超標(biāo)。由于長(zhǎng)期飲用低劣的淺層地表水、地下水，腸胃病、骨骼病為當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)病和多發(fā)病，直接影響了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳眢w健康。只有通過(guò)尋找和開(kāi)采合宜的水源來(lái)解決，對(duì)于解決飲水安全的問(wèn)題極為迫切。

2 項(xiàng)目區(qū)供需平衡分析

2.1 改造的必要性

該農(nóng)場(chǎng)干旱缺水，地表水水量不足及易受污染，而該農(nóng)場(chǎng)地下水蘊(yùn)藏量較豐富，地下水水質(zhì)較好，符合生活用水標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)場(chǎng)農(nóng)村電網(wǎng)改造全部完成，電力十分充足，可滿足項(xiàng)目工程需要。 區(qū)域內(nèi)縣道、鄉(xiāng)道交錯(cuò)，道路四通八達(dá)，交通條件極為便利。

2.2 農(nóng)業(yè)區(qū)水資源利用現(xiàn)狀和供需分析

該農(nóng)場(chǎng)飲水建設(shè)項(xiàng)目涉及的隊(duì)區(qū)有場(chǎng)部、5隊(duì)、35隊(duì)、36-37隊(duì)共5個(gè)隊(duì)區(qū),設(shè)計(jì)總口數(shù)為10360人?？疾靺^(qū)域范圍內(nèi)的取水用戶，核驗(yàn)了區(qū)內(nèi)的用水參數(shù)。其主要參數(shù)如下：

1)設(shè)計(jì)年限。根據(jù)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展形式核定，該農(nóng)場(chǎng)飲水工程設(shè)計(jì)年限為15a。

2)設(shè)計(jì)人口：

P=P0(1+γ)n+P1

(1)

式中：P為設(shè)計(jì)人口數(shù)；P0為供水范圍內(nèi)的現(xiàn)狀常住人口數(shù)，其中包括無(wú)當(dāng)?shù)貞艏某Ｗ∪丝冢籔1為各村的設(shè)計(jì)年限內(nèi)人口的機(jī)械增長(zhǎng)人口規(guī)劃，以及近年來(lái)流動(dòng)人口和戶籍遷移人口的變化情況，本項(xiàng)目取現(xiàn)狀供水人口數(shù)的5%計(jì)算；γ為設(shè)計(jì)年限內(nèi)各村人口的自然增長(zhǎng)率，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟陙?lái)的人口自然增長(zhǎng)率確定為6.65‰；n為工程設(shè)計(jì)年限，選15a。

表1 供水區(qū)域現(xiàn)有人口調(diào)查匯總表

經(jīng)計(jì)算農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)人口為12015人。

3)居民生活用水量：

Qd1=Pq/1000

(2)

式中：Qd1為村居民生活用水量，m3/d；P為設(shè)計(jì)用水各村居民人數(shù)；q為最高日居民生活用水定額，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，本項(xiàng)目取值為100L/d·人。

4)公共建筑用水：

Q2=Qd1×20%

(3)

農(nóng)場(chǎng)養(yǎng)殖畜禽主要有豬、羊，雞，用水定額分別為豬(40L/d)、 羊(10L/d)和雞(1L/d)、鴨(2L/d)，各隊(duì)畜禽數(shù)量通過(guò)調(diào)查確定；

6)管網(wǎng)漏失及未預(yù)見(jiàn)水量：

Q4=(Q1+Q2+Q3)×10%

(4)

7)最高日用水量：最高日用水量：

Qd= Qd1+Q2+Q3+Q4 (5)

3 供水體系設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》SL310-2019規(guī)定，農(nóng)場(chǎng)人畜飲水工程均為V型。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011)，工程主要建筑物、構(gòu)筑物地震設(shè)防按7度設(shè)計(jì)。

1)水質(zhì)和水源上，部分水源地對(duì)水質(zhì)技術(shù)處理能力不足的區(qū)域，應(yīng)對(duì)水質(zhì)要求滿足《農(nóng)村實(shí)施<生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)>準(zhǔn)則》中的規(guī)定。

2)注重供水點(diǎn)的合理性，規(guī)劃集中供水點(diǎn)在種植戶密集的區(qū)域；若種植戶分布離散，則在村部修建公用給水栓[7]。

3)服務(wù)水壓，供水水壓應(yīng)滿足配水管網(wǎng)中用戶接管點(diǎn)的最小服務(wù)水頭要求，必要時(shí)可采取局部加壓的方式。本次項(xiàng)目的生產(chǎn)隊(duì)房屋大都為兩層或者以下的平房，本次設(shè)計(jì)考慮供水壓力為12m。

整體上供水對(duì)象為該農(nóng)場(chǎng)2020-2021年人畜飲水建設(shè)項(xiàng)目涉及的隊(duì)區(qū)有場(chǎng)部、5隊(duì)、35隊(duì)、36-37隊(duì)共5個(gè)隊(duì)區(qū)。

在外來(lái)業(yè)主的帶動(dòng)下，村民們積極投入鄉(xiāng)村旅游住宿接待服務(wù)。專合社將村民們家里長(zhǎng)期空余的、愿意對(duì)外搞接待的房間一間一間統(tǒng)籌起來(lái)，將團(tuán)隊(duì)客人依次給各接待戶分配客源。為了提高接待質(zhì)量，專合社幫助村民統(tǒng)一采購(gòu)床上用品，指導(dǎo)村民按照70或80元/間·晚⑥的標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)。目前，星光村共有40多戶，50多個(gè)房間可供住宿接待。

農(nóng)場(chǎng)人畜飲水建設(shè)項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容為：建設(shè)100m3高20m水塔1座，100m3高15m水塔1座，新建機(jī)井4口，大口井1口，新建凈水設(shè)備1套，安裝水泵5臺(tái)，新建泵房5座，鋪設(shè)PVC-U管共計(jì)6660m，架設(shè)低壓線520m。

3.1 水源工程設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)場(chǎng)地形和水文地質(zhì)特點(diǎn)，采用地下水為水源，本次在場(chǎng)部、5隊(duì)、35隊(duì)、36-37隊(duì)共5個(gè)隊(duì)區(qū)新建5口水井，其中場(chǎng)部新建2口400m深機(jī)井，5隊(duì)1口200m深機(jī)井，36-37隊(duì)1口255m深機(jī)井，35隊(duì)新打20m深2m口徑大口水井1口。

3.1.1 機(jī)井設(shè)計(jì)

水源工程可根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況或參考周邊已建機(jī)井施工和出水情況確定。本次機(jī)井設(shè)計(jì)參考項(xiàng)目區(qū)附近已建機(jī)井確定：新建機(jī)井井孔的鉆孔直徑為0.273m，深200-400m。井管采用無(wú)縫鋼管，分上、中、下三部分設(shè)計(jì)，上部井管選用ф219×6mm無(wú)縫鋼管，中部和下部為花崗巖層，上部鉆孔100m深，孔徑220mm，下部鉆孔80-280m深，孔徑165mm，均不需套管。成井時(shí)可采用焊接或絲扣方法連接井管。地下水水質(zhì)應(yīng)按照GB5749等要求確定水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，受當(dāng)?shù)貤l件限制的，無(wú)法完成必要的檢測(cè)指標(biāo)的檢測(cè)時(shí)，可委托市級(jí)水質(zhì)檢測(cè)中心或其他有水質(zhì)檢測(cè)資質(zhì)的單位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水源水質(zhì)不符合上述要求時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的特殊凈化工藝處理。

3.1.2 大口井設(shè)計(jì)

在35隊(duì)采用大口井，初步確定本工程大口井采用井深為20m井直徑2.0m，單井涌水量20m3/h，日出水量200m3左右，本隊(duì)采用的水源為淺層地下水，水質(zhì)較差，不符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，需增設(shè)一套一體化凈水系統(tǒng)，在大口井四周設(shè)置圍墻。大口井井壁采用C25鋼筋混凝土，井壁厚250mm，設(shè)置10m長(zhǎng)橫洞兩條。井口管比泵房室內(nèi)地坪高0.5m，井口封閉采用鋼筋混凝土蓋板固定于井口，以保證安全及井水不受污染。

3.1.3 水泵泵房設(shè)計(jì)

本工程水泵均選用并用潛水泵，配套功率9.2kW。每口水井相應(yīng)建取水泵房，建筑面積為6m2，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為磚混結(jié)構(gòu)，頂部為混凝土現(xiàn)澆板，在泵房機(jī)井中央處設(shè)有縱橫各兩道“T”型梁，并在垂直于井軸線處設(shè)置天窗，用于起吊水泵，以便于安裝，維修水泵[8]。本次設(shè)計(jì)為場(chǎng)部、5隊(duì)、35隊(duì)、36-37隊(duì)共5個(gè)隊(duì)區(qū)配建泵房5座。本工程泵房消防安全布局、建筑物構(gòu)筑物的燃燒性能和耐火極限依據(jù)《水電工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》( GB50872-2014)并參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016-2014(2018年版))進(jìn)行設(shè)計(jì)，泵站采用D-B單元接線形式，即由變壓器通過(guò)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線連入低壓配電箱，再由低壓配電箱引線連入潛水泵自耦減壓?jiǎn)?dòng)器后接入潛水泵電動(dòng)機(jī)。

3.2 管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)

3.2.1 供水管網(wǎng)布設(shè)

設(shè)計(jì)管網(wǎng)時(shí)，按運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工管理便利的原則，根據(jù)各村實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算確定主管直徑。供水管網(wǎng)根據(jù)各村供水點(diǎn)地形進(jìn)行布置。管網(wǎng)布置方案為干管、支管、分戶管三級(jí)，公稱壓力均為1.0MPa。干管為外徑90mm，壁厚4.3mm的PVC-U給水管；支管外徑63mm，壁厚3.0mm的PVC-U給水管。在分支管上預(yù)留外徑32mm的PVC-U給水管用戶接口，以方便用戶取水。分戶管為外徑32mm，壁厚2.0mm的PVC-U管。

3.2.2 管網(wǎng)壓力計(jì)算

1)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，最高日最高時(shí)用水量。

(6)

式中：Q設(shè)為設(shè)計(jì)供水能力，按最高日用水量計(jì)算；Kh為時(shí)變化系數(shù)，村鎮(zhèn)供水管網(wǎng)一般采用2.5。

2)配水管網(wǎng)中各管段的設(shè)計(jì)流量，采用人均綜合當(dāng)量計(jì)算法：

(7)

式中：q0為人均綜合用水當(dāng)量，m3/h·人；Q配為配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，m3/h；∑Q集為企業(yè)、機(jī)關(guān)、學(xué)校等用水大戶最高時(shí)用水量之和(m3/h)，取0；P為設(shè)計(jì)用水人口，人。

經(jīng)計(jì)算人均綜合用水當(dāng)量q0為0.0083m3/h·人。

3)管徑計(jì)算。設(shè)計(jì)管道供水流量，按照設(shè)計(jì)供水標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算出了各供水點(diǎn)的輸水流量，由下向上計(jì)算各級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量，農(nóng)村各供水點(diǎn)的自由水頭，最低≥4m。

經(jīng)濟(jì)管徑的計(jì)算采用公式為：

(8)

式中：D為經(jīng)濟(jì)管徑(管內(nèi)徑m)；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；V為經(jīng)濟(jì)流速，取值為0.6-1.8m/s， 本工程取0.8 m/s。

輸水主干管及配水支管全部采用PVC-U給水管。各地區(qū)供水工程主管道的設(shè)計(jì)流量、計(jì)算管徑及采用管徑經(jīng)計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 各供水點(diǎn)管網(wǎng)水力計(jì)算表

3.3 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 供水系統(tǒng)工藝流程

項(xiàng)目以地下水為水源，深水井符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，35隊(duì)采用淺層地下水水質(zhì)較差，增設(shè)一體化凈水設(shè)備，根據(jù)當(dāng)?shù)厝罕娪盟?xí)慣，幾乎每戶都自備有儲(chǔ)水(池)箱，且各供水點(diǎn)供水范圍內(nèi)各村莊地面高差不大，各供水點(diǎn)實(shí)行定時(shí)供水，由此選擇供水工藝流程如圖1所示。

圖1 供水工藝流程圖

3.3.2 配水系統(tǒng)

管網(wǎng)布置合理，系統(tǒng)排布在整個(gè)用水區(qū)，滿足村鎮(zhèn)相關(guān)建設(shè)規(guī)劃；本工程所有的供水點(diǎn)均布置成樹(shù)枝狀管網(wǎng)；管道沿現(xiàn)有道路或規(guī)劃道路路邊布置；配水管道與建(構(gòu))筑物及管線間的最小水平凈距，取1m。不同非生活飲用水管網(wǎng)的供水系統(tǒng)連接。

4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

飲水工程建成后，平均五口(每戶按4人計(jì)算)之家每年用于挑水的工日可節(jié)省40個(gè)，本工程解決10360人，每年可節(jié)省工日10.36萬(wàn)個(gè)，節(jié)省的勞力和時(shí)間可用于勞務(wù)輸出，也可投入生產(chǎn)和其他創(chuàng)收活動(dòng)。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)每個(gè)勞動(dòng)力平均每個(gè)工日創(chuàng)造的價(jià)值以12元計(jì)，該項(xiàng)目節(jié)省的勞動(dòng)力創(chuàng)造的價(jià)值共124.32萬(wàn)元。在飲水安全問(wèn)題解決的地區(qū)，每人每年由于發(fā)病率降低而節(jié)約的醫(yī)藥開(kāi)支為100元。本項(xiàng)目共解決10360多人的飲水安全問(wèn)題，共計(jì)減少年醫(yī)藥費(fèi)支出約25.90萬(wàn)元。以上經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)為150.22萬(wàn)元。

該項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為21.24%，>8%，效益費(fèi)用比1.34>1，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為302.02萬(wàn)元，>0?？梢?jiàn)，項(xiàng)目的投資和效益對(duì)內(nèi)部收益率、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比合理，此工程的抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。

5 結(jié) 論

文章主要廣東某農(nóng)場(chǎng)灌溉區(qū)供水平衡不足，地表水體不健康、淺表水體營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題，對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行供需平衡分析。提升改造了基于水源工程、供水管網(wǎng)的一體化供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。改善了農(nóng)業(yè)區(qū)用水條件，對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)的環(huán)境、水土、經(jīng)濟(jì)帶了很大的效益。農(nóng)業(yè)區(qū)的建設(shè)不僅需要科學(xué)地規(guī)劃建設(shè)和改造，更需要智慧化的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，這也是今后研究建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌區(qū)的重要發(fā)展方向。