平原地區(qū)低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

常 貴 單陸丹 張智韻（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005）

平原地區(qū)低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

常 貴 單陸丹 張智韻
（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005）

本文以淮安地區(qū)水稻作物低壓管道灌溉設(shè)計(jì)為研究方向，重點(diǎn)闡述管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以管網(wǎng)年費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并采用界限流量法求解，推導(dǎo)出相鄰管徑的界限流量的計(jì)算公式，從而優(yōu)化管徑，對(duì)合理配套機(jī)泵、管道，減少工程投資、降低運(yùn)行費(fèi)用，持久發(fā)揮管灌工程效益具有重要意義。

低壓管道 管網(wǎng)優(yōu)化 設(shè)計(jì)灌水定額 灌水周期

1 低壓管道管網(wǎng)優(yōu)化布置

管網(wǎng)布置通常分為樹(shù)狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩種類型?；窗驳貐^(qū)多為平原河網(wǎng)提水灌區(qū)，因此在本地農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程中普遍采用樹(shù)狀管網(wǎng)形式。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中為使管網(wǎng)布置更加合理，需要在充分調(diào)查灌區(qū)基本情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)取水位置、田塊地形以及道路布置等情況，在實(shí)測(cè)地形圖上初步布置管網(wǎng)。在水源可選擇的情況下，位置盡可能布置在距離灌區(qū)中心處，管網(wǎng)形式盡量呈梳齒式或魚骨式布置（如圖1），以達(dá)到減少管道用量、均衡管道壓力和流量、減少管網(wǎng)水力損失以及方便管理等目的。合理的管網(wǎng)布置方案是進(jìn)行管網(wǎng)后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是總體規(guī)劃設(shè)計(jì)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2 基本參數(shù)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)灌水定額

灌水定額是指單位面積一次灌水的灌水量或水層深度。在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，采用作物生育期內(nèi)各次灌水量中最大的一次作為設(shè)計(jì)灌水定額，對(duì)于同時(shí)種植不同作物的灌區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)采用主要作物的最大灌水定額作為設(shè)計(jì)灌水定額。

針對(duì)水稻這一作物，設(shè)計(jì)灌水定額可根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔仍囼?yàn)資料采用泡田期灌水定額。通常，泡田定額根據(jù)土壤、地勢(shì)、地下水埋深和耕犁深度相似田塊上的實(shí)測(cè)資料確定。泡田定額也可根據(jù)時(shí)段初適宜水層上限與時(shí)段末適宜水層下限之差確定：

m=1000γsh（β1-β2）（1）

式中：m—灌水定額，m3/hm2；

γs—計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤干容重，kN/m3；

h—計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m；

β1—適宜含水量（質(zhì)量百分比）上限（%），可取田間持水量的85%～100%；

β2—適宜含水量（質(zhì)量百分比）下限（%），可取田間持水量的60%～65%。

2.2 灌水周期

設(shè)計(jì)灌水周期和作物種類、灌區(qū)面積大小以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)計(jì)劃等因素有關(guān)，不同作物允許的灌水延續(xù)時(shí)間不同，灌區(qū)面積較大的情況下灌水時(shí)間可相對(duì)延長(zhǎng)。對(duì)于大中型灌區(qū)，灌溉面積在萬(wàn)畝以上的，水稻泡田期灌水7～15晝夜，對(duì)于灌溉面積較小的灌區(qū)，灌水延續(xù)時(shí)間要相應(yīng)減小。灌水周期可根據(jù)灌水試驗(yàn)和當(dāng)?shù)毓嗨?jīng)驗(yàn)確定，具備必要的基礎(chǔ)資料時(shí)也可以通過(guò)計(jì)算確定：

式中：T—灌水周期，d；

m—灌水定額，mm；

Ed—作物日耗水強(qiáng)度，mm/d。

2.3 灌溉工作制度

圖1 河網(wǎng)提水灌區(qū)管網(wǎng)布置示意圖

灌溉工作制度是指管網(wǎng)輸配水及田間灌水的運(yùn)行方式，分為續(xù)灌、輪灌和隨機(jī)取水3種方式。其中隨機(jī)取水方式適用于灌溉系統(tǒng)面積較大，區(qū)內(nèi)用水單位多并且作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，取水隨意性大的情況，不適用于本文介紹的情況。

灌水期間，上一級(jí)管道同時(shí)向所有下一級(jí)管道配水的灌水方式稱為續(xù)灌；上一級(jí)管道按預(yù)先劃分好的輪灌組分組向下一級(jí)管道配水的灌水方式稱為輪灌。

在地形平坦，灌區(qū)面積適中的情況下，設(shè)計(jì)的時(shí)候可以考慮整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)采用續(xù)灌的方式。考慮水稻不同于其他作物，需水量較大，在灌區(qū)面積確定的情況下采用續(xù)灌方式易導(dǎo)致管道取用管徑偏大，對(duì)提水首部樞紐也有更高的要求，如此工程投資將大幅提高。根據(jù)水稻種植灌溉經(jīng)驗(yàn)，采用輪灌方式大可滿足生產(chǎn)需求。

2.4 設(shè)計(jì)流量

2.4.1 出水口流量

式中：q—出水口設(shè)計(jì)流量，m3/h；

m—水稻泡田定額，m3/畝；

A—個(gè)給水栓控制的田塊面積，畝；

T—灌水高峰期作物一次灌水延續(xù)時(shí)間，d；

t—日工作時(shí)間，可取18～22h；

η—灌溉水利用系數(shù)，取0.95。

2.4.2 干支管設(shè)計(jì)流量

式中：Q干—干管設(shè)計(jì)流量，m3/h；

Q支—支管設(shè)計(jì)流量，m3/h；

n—支管控制范圍同時(shí)開(kāi)啟的出水口個(gè)數(shù)；

N—干管控制范圍同時(shí)工作的支管條數(shù)。

3 管網(wǎng)優(yōu)化

管網(wǎng)優(yōu)化包括布置方案優(yōu)化和管徑優(yōu)化。在同類型管網(wǎng)（樹(shù)狀網(wǎng)或環(huán)狀網(wǎng)）的不同布置方式下，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)管徑即為該類型管網(wǎng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。管網(wǎng)管徑的優(yōu)化通常以工程造價(jià)最小和年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)需要通過(guò)加壓系統(tǒng)加壓的灌溉管網(wǎng)優(yōu)化，采用年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化比較適宜。該地區(qū)一般采用渠灌或河網(wǎng)提水，管網(wǎng)系統(tǒng)主要采用樹(shù)狀網(wǎng)，這里主要介紹以年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化管徑的方法。

3.1 管網(wǎng)年費(fèi)用確定

管網(wǎng)系統(tǒng)投資主要由基建投資和管網(wǎng)的年運(yùn)行費(fèi)用兩部分組成。管網(wǎng)布置形式及管材選定后，管徑即成為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要決策因素。在各級(jí)管道管徑的多種組合中，必有一種管徑的最優(yōu)組合，使管網(wǎng)系統(tǒng)的年費(fèi)用最小，以此作為管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

灌溉管網(wǎng)年費(fèi)用可用下式表示：

式中：W—管網(wǎng)年費(fèi)用，元；

F—管網(wǎng)基建投資，元；

C—管網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)，元；

α—均付因子；

i—社會(huì)折現(xiàn)率；

t—經(jīng)濟(jì)計(jì)算期（折舊年限），年；

f（Di）—第i管段的工程造價(jià)，元/m；

li—第i管段的長(zhǎng)度，m；

n—管段數(shù)；

a，d—管網(wǎng)造價(jià)系數(shù)和指數(shù)。

由于泵站的工程造價(jià)與管網(wǎng)投資相比所占比重較小，并且泵站投資主要與設(shè)計(jì)流量有關(guān)，隨管網(wǎng)揚(yáng)程變化不明顯，對(duì)于確定的管道輸水工程，泵站投資可視為常數(shù)，故予以忽略。

管網(wǎng)的年運(yùn)行費(fèi)用C包括管網(wǎng)運(yùn)行的能耗費(fèi)CE、維修費(fèi)CU和管理費(fèi)CM。對(duì)于確定的管網(wǎng)系統(tǒng)而言，管理費(fèi)用差別不大，而且對(duì)經(jīng)濟(jì)管徑的影響也不大，故不予考慮。因此管網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)可表示為：

系統(tǒng)年能耗費(fèi)CE，計(jì)算：

式中：E—電價(jià)，元/kW·h；

Q—管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，m3/h；

T—水泵年工作時(shí)間，h；

H—水泵揚(yáng)程，m；

η—水泵工作效率。

系統(tǒng)年維修費(fèi)CU和管理費(fèi)CM，計(jì)算：

式中：P為年維修費(fèi)率；R為管理費(fèi)率。

3.2 管網(wǎng)費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)的確定

目標(biāo)函數(shù)可采用水泵揚(yáng)程H利用下式計(jì)算：

圖2 界限流量示意圖

式中：HO—水泵的凈揚(yáng)程，m；

hf—管網(wǎng)的水頭損失，m；

β—考慮局部水頭損失的系數(shù)，一般取1.1左右；

f、m、b—管道的管材系數(shù)，硬塑料管f=0.948×105，m=1.77，b=4.77。

將式（7）、（8）、（9）、（10）、（11）、（12）分別代入（5）式可得：

3.3 求解方法探討

本文選用界限流量法對(duì)優(yōu)化管徑進(jìn)行求解。界限流量是指某一標(biāo)準(zhǔn)管徑所對(duì)應(yīng)的相對(duì)經(jīng)濟(jì)的流量范圍，當(dāng)流量在這一范圍內(nèi)時(shí)選用該管徑都是經(jīng)濟(jì)的。確定界限流量的前提是使相鄰兩檔商品管徑的年費(fèi)用相等，以此為基礎(chǔ)來(lái)推求。假定Dn-1＜Dn＜Dn+1（n＞1）為3個(gè)相鄰管徑，給定參數(shù)可繪得如圖3條曲線。如圖2所示，qn既是管徑Dn-1的上限設(shè)計(jì)流量，又是管徑Dn的下限設(shè)計(jì)流量；qn+1既是管徑Dn的上限設(shè)計(jì)流量，又是管徑Dn+1的下限設(shè)計(jì)流量，則凡是管段流量在qn和qn+1之間的，應(yīng)選用Dn，否則不經(jīng)濟(jì)。

將管徑Dn、Dn+1分別代入式（13）。對(duì)于管網(wǎng)中任一管段，其設(shè)計(jì)流量qi與管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量Q總是存在如下關(guān)系：

使Wn=Wn+1，可得管徑Dn、Dn+1的界限流量為：

在進(jìn)行推求計(jì)算的過(guò)程中，根據(jù)管網(wǎng)確定的流量Q以及管網(wǎng)系統(tǒng)的工作制度，來(lái)選擇一定的值，從而確定管段的流量，與計(jì)算得出的界限流量進(jìn)行比較，以選定合適的管徑。

4 樹(shù)狀管網(wǎng)水力計(jì)算

4.1 管道水頭損失

管道水頭損失采用下列公式計(jì)算：

式中：hf—管道沿程與局部水頭損失之和，m；

L—管道的工作長(zhǎng)度，m；

Q—管道設(shè)計(jì)流量，m3/h；

d—管道的內(nèi)徑，mm；

k—系數(shù)，取局部水頭損失為沿程水頭損失的10%，則k=1.1；

f、m、b—管道的管材系數(shù)，硬塑料管f=0.948×105，m=1.77，b=4.77。

4.2 管網(wǎng)入口工作水頭

管網(wǎng)入口是指管網(wǎng)系統(tǒng)干管進(jìn)口，設(shè)計(jì)壓力可按式（6）計(jì)算：

式中：Hm—主干管入口工作水頭，m；

Σhf0—計(jì)算管線沿程水頭損失，m；

Σhj0—計(jì)算管線局部水頭損失，m；

Δz0—設(shè)計(jì)控制點(diǎn)與管網(wǎng)入口地面高程之差，m；

Hg—設(shè)計(jì)控制點(diǎn)給水栓工作水頭，m。

5 機(jī)泵選型

水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程：

式中：H—水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m；

Hm—主干管入口工作水頭；m；

Σhf—水泵吸水管路的沿程水頭損失之和，m；

Σhj—水源到主干管入口所有局部水頭損失之和，m；

Δz—水泵安裝高程與水源水位之高差，m。

根據(jù)水泵揚(yáng)程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量便可以從水泵類型系列中選取所需水泵型號(hào)。為保證所選機(jī)泵在高效區(qū)運(yùn)行，對(duì)于按照輪灌組運(yùn)行的管網(wǎng)系統(tǒng)，可根據(jù)不同輪灌組的流量和揚(yáng)程進(jìn)行比較，選擇合適的泵型；若各輪灌組流量與揚(yáng)程差別很大且控制面積大，可選擇兩臺(tái)或者多臺(tái)水泵分別對(duì)各個(gè)輪灌組提水灌溉。

6 結(jié)論

低壓管道輸水系統(tǒng)能有效防止水的滲漏和蒸發(fā)損失，可大大提高水的利用率，是一項(xiàng)有效的節(jié)水灌溉工程措施。在管道輸水灌溉系統(tǒng)中，管網(wǎng)投資約占總投資的60% ～70%，直接影響工程造價(jià)。因此加強(qiáng)對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)及管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，對(duì)提高管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)水平，降低運(yùn)行費(fèi)用具有重要意義

（專欄編輯：顧 梅）