中低壓管道輸水在智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

楊 慧，黃 偉，王文杰，薛麗敏

(徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

近年來，隨著城市化和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度加快，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水需求不斷增加。與此同時(shí)，受水資源浪費(fèi)等現(xiàn)象的影響，水資源短缺的問題已經(jīng)逐漸暴露出來。在此種背景下，智能節(jié)水灌溉成為農(nóng)業(yè)灌溉的主要趨勢(shì)[1]。中低壓管道輸水技術(shù)以適用性廣泛和密封性較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)著稱，是一種較為常見的節(jié)水灌溉技術(shù)。伴隨著人工智能技術(shù)的不斷興起，智能化作業(yè)成為農(nóng)業(yè)灌溉的主要模式[2-3]。智慧灌區(qū)指的就是結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，輔以傳感器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化決策。同時(shí)，智能節(jié)水灌溉對(duì)農(nóng)作物以及灌溉區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)依賴性較強(qiáng)，主要體現(xiàn)在對(duì)土壤墑情的預(yù)測(cè)以及配水決策數(shù)據(jù)的精確度要求方面。由于農(nóng)業(yè)發(fā)展直接影響著民生及國情，因此，對(duì)中低壓管道輸水在智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉的應(yīng)用展開研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

以徐州市邳州市東北部某灌溉區(qū)為例，據(jù)資料顯示其地形主要以平原為主，土地總面積為200.7km2左右，通過換算，該區(qū)域耕地折合約30.1萬畝。該智能灌溉區(qū)始建于2016年，土質(zhì)肥沃并且氣候分明，適合大部分農(nóng)作物的耕種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)耕地面積19.2萬畝，耕地率63.8%，總體地勢(shì)為北高南低，地面高程在27～33m范圍內(nèi)。在總灌溉面積14.2萬畝的覆蓋范圍中，土壤多見砂礓黑土和黃潮土，并依據(jù)實(shí)際耕作條件，劃分為東部、西部和北部片區(qū)，主要耕作參數(shù)見表1。

表1 片區(qū)耕作參數(shù)

在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，3個(gè)片區(qū)根據(jù)降水量以及灌溉需求，制定了適宜區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的灌溉體系以及排澇體系。但受水資源短缺的大環(huán)境影響，該智能灌溉區(qū)仍然需要在節(jié)水方面進(jìn)一步優(yōu)化。

2 智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉技術(shù)

2.1 獲取中低壓管道輸水二相流參數(shù)

中低壓管道在輸水過程中，受時(shí)間條件的影響，管道內(nèi)流速的基本特征是由大到小依次遞減。此時(shí)管道內(nèi)泥沙的淤積狀態(tài)也會(huì)出現(xiàn)一系列的變化。當(dāng)水流速度較大的時(shí)候，管道內(nèi)沉積的泥沙與輸水?dāng)嚢柙谝黄鸷缶托纬闪四嗨旌蠣顟B(tài)的渾水，此時(shí)的淤泥大部分都是處于均勻懸浮在管道內(nèi)部的狀態(tài)。當(dāng)水流速度不斷減小時(shí)，渾水的紊動(dòng)頻率也隨之變?nèi)?，而此時(shí)的泥沙狀態(tài)也逐漸變得不均勻，呈現(xiàn)出非均勻的懸浮狀態(tài)[4-5]。而后，當(dāng)中低壓管道輸水作業(yè)完成后，管道內(nèi)的流速不斷降低，管底的推移運(yùn)動(dòng)特征變得更加顯著。當(dāng)水流經(jīng)過河床時(shí)，通常情況下砂石顆粒的粗糙表面會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力。在摩擦力方向與水流方向保持一致的情況下，水流拖曳力的計(jì)算公式為：

(1)

式中，λ—阻力系數(shù)；E—泥沙在管道中的投影面積，cm2；ρ—水的密度，g/cm3；h—水流作用于床面沙粒上的流速，m/s。在中低壓管道內(nèi)，當(dāng)水流處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，砂石顆粒的頂部速度基本等同于管道內(nèi)的水流速度。同時(shí)，對(duì)于體積較小的砂石顆粒而言，運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的粘結(jié)力與砂石粒徑的有效接觸面積成正比例關(guān)系，由此得出薄膜水壓力的計(jì)算公式為：

f≈φ(g+?)×W1.28

(2)

式中，φ—水流的上舉力，kg/m3；g—砂石底部流速，m/s；?—砂石顆粒之間的空隙厚度，cm；W表—砂石顆粒雷諾數(shù)。則此時(shí)泥沙之間的粒間離散力的計(jì)算公式為：

(3)

式中，S—砂石在輸水過程中產(chǎn)生的阻力，N；σ—砂石之間的最小距離，cm。當(dāng)砂石顆粒能夠以推移運(yùn)動(dòng)的方式與管道內(nèi)壁分離，不但會(huì)導(dǎo)致拖曳力急劇增加，還會(huì)造成水流上舉力幾乎消失。

2.2 調(diào)整智慧罐區(qū)輸水定額

智慧灌區(qū)的輸水定額是涉及到農(nóng)作物灌溉的灌水次數(shù)、時(shí)間以及具體降水量等項(xiàng)目的1項(xiàng)重要參數(shù)。以邳州市東北部某灌溉區(qū)中的小麥為例，其用水量變化主要體現(xiàn)在泡田期和生育期2個(gè)階段[6]。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，分別計(jì)算這兩個(gè)階段的用水定額，具體如下：

Y=0.667×(φ+α+β)

(4)

Un=Un-1+Tn+L-V

(5)

式中，φ—耕作時(shí)田間所需水層厚度，cm；α—小麥的泡田期水流滲漏量，h·km；β—泡田期持續(xù)時(shí)間，min；U—水田田面平均蒸發(fā)強(qiáng)度，kg/m2h；n—生育期天數(shù)，d；L—小麥需水量，mL/kg；V—排水量，mL/kg。同時(shí)，作物的需水量與當(dāng)?shù)亟邓亢屯寥缐勄閰?shù)息息相關(guān)，但是受生產(chǎn)實(shí)踐過程中的不確定因素影響，部分農(nóng)作物的需水量需要以估算的形式展開，具體如下：

(6)

式中，ψ—采樣周期內(nèi)的水面蒸發(fā)量，kg/(m2·h)；K—總體需水量與區(qū)域內(nèi)水層深度的比值。此外，智慧灌區(qū)的田間滲透量也是影響節(jié)水灌溉效率的重要指標(biāo)，只有田間持水量大于土壤含水率時(shí)，才能基本滿足節(jié)水灌溉的需求。

2.3 規(guī)劃智能節(jié)水灌溉布置模式

中低壓管道在應(yīng)用過程中對(duì)于輸水壓力也有一定的要求，必須結(jié)合實(shí)際的灌溉工程布局與規(guī)劃，選擇地表水加壓還是機(jī)井加壓。結(jié)合以往的種植經(jīng)驗(yàn)可知，根系作物的根系活動(dòng)層儲(chǔ)水量與智慧灌區(qū)內(nèi)的有效儲(chǔ)水量存在關(guān)聯(lián)[7-8]。在智能節(jié)水的灌溉模式下，土壤含水率既要滿足作為的生長需要，又要符合不發(fā)生深層滲漏的標(biāo)準(zhǔn)。則土體有效儲(chǔ)水量的數(shù)學(xué)表達(dá)公式為：

(7)

式中，l—農(nóng)作物根系活動(dòng)層的扎根深度，cm；m—土體初始含水率，%；z—灌溉區(qū)域的平均降水量，mm；d表示蓄水上限。一般而言，智能節(jié)水灌溉作業(yè)中，中低壓管道輸水網(wǎng)能夠占總投資的75%～85%。同時(shí)，智能節(jié)水灌溉是綜合了相間布置以及交錯(cuò)布置兩種模式的綜合灌溉方式。面對(duì)地勢(shì)相對(duì)較高的區(qū)域，設(shè)置大于等于3的灌排兩用渠。而針對(duì)單相灌水的區(qū)域，則可以采取排灌相鄰的模式。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算智慧灌區(qū)的灌水率：

(8)

式中，e—農(nóng)作物的種植比例；r—水泵輸水利用率，%；t—灌水持續(xù)時(shí)間，min；i—農(nóng)作物種類。此外，在同一種布置模式下，開敞式與封閉式灌溉作業(yè)之間的差異可以忽略，在田塊規(guī)格和溝管路長度方面加以調(diào)整。同時(shí)，渠道水的利用系數(shù)在綜合輸水損失和渠道長度等各項(xiàng)因素后，需要在保留智慧灌區(qū)原有的渠系控制條件下，設(shè)計(jì)不同形式的管道化改造策略。尤其是在管線布置環(huán)節(jié)，必須與地形地勢(shì)相得益彰，以實(shí)現(xiàn)降低水頭壓力的目的。針對(duì)灌溉區(qū)的3個(gè)片區(qū)地勢(shì)特征以及復(fù)種指數(shù)，分別制定更加具有針對(duì)性的節(jié)水灌溉方案。

3 實(shí)例研究

3.1 管材選擇及管網(wǎng)布局

根據(jù)本次研究選取的試驗(yàn)田基本參數(shù)以及農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，需要在本次研究開始之前，選擇相應(yīng)管材以及開展管網(wǎng)布局。尤其是對(duì)于智慧罐區(qū)來說，為了確保在后續(xù)若干年內(nèi)土體仍然能夠順利流轉(zhuǎn)，必須在滿足當(dāng)前灌溉需求的前提下，保證土壤的蓄水力。同時(shí)，為了保證本次研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)田的耕作層土壤中的有機(jī)質(zhì)含量需保證每公斤土體在20～25g及以上。同時(shí)，耕作厚度和有效土層厚度，分別在22cm和55cm左右。同時(shí)，對(duì)于相應(yīng)的灌溉、排澇以及降漬作業(yè)都要達(dá)到及格線以上。智慧灌區(qū)的中低壓管道材質(zhì)主要包括PE、PVC-U、玻璃鋼夾砂管以及混凝土管4種類型。考慮到智慧灌區(qū)對(duì)技術(shù)水平的要求以及造價(jià)和耐久性等因素，本次研究的中低壓管材選擇PE材質(zhì)。此外，在低壓管道布置時(shí)，必須充分考慮灌溉區(qū)的面積和管道長度，本次研究主要以“工字型”和“豐字形”相結(jié)合的方式為主。根據(jù)工程的具體灌溉面積以及布局條件限制，本次施工的中低壓管道的管徑應(yīng)該在140～180mm之間。在完成上述步驟后，展開結(jié)果分析的步驟。

3.2 結(jié)果分析

由于在實(shí)際施工過程中，涉及到灌排渠道淤積嚴(yán)重的問題，因此，需要充分考慮中低壓管道中的含沙量以及泥沙密度等影響因素。根據(jù)物理能量理論，水流能量與砂石顆粒推移運(yùn)動(dòng)之間存在一定關(guān)聯(lián)。此外，由于管道的公稱外徑能夠直接影響灌溉效率，因此通過泥沙中的顆粒下沉速度，選出其中最適合標(biāo)本項(xiàng)工程的管材直徑。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算泥沙中的顆粒下沉速度，具體如下：

(9)

式中，η—砂石含沙量，kg/m3；H—校正系數(shù)；μ—粘性摩阻，kg/(m·s)；G—砂石的粒徑，mm。以含沙量上限12%為約束條件，在公式(9)的基礎(chǔ)上，得出不同的中低壓管道公稱外徑工況下，泥沙的顆粒下沉速度。具體見表2。

表2 中低壓管道公稱外徑與顆粒下沉速度

由表2能夠看出，中低壓管道公稱外徑數(shù)值越大，顆粒下沉速度越快。但是根據(jù)研究選取的工程參數(shù)可知，本次施工的中低壓管道的管徑應(yīng)該在140～180mm之間。同時(shí)，考慮到含沙量上限12%的限制，由公式(9)可以推導(dǎo)出，最適宜智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉項(xiàng)目的中低壓管道公稱外徑為140mm。

4 結(jié)語

在水資源短缺日益嚴(yán)重的背景下，智能節(jié)水灌溉成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。本文站在節(jié)能推廣的視角，將邳州市東北部某灌溉區(qū)作為研究對(duì)象，詳細(xì)描述了中低壓管道輸水技術(shù)在智慧灌區(qū)的應(yīng)用。除了能夠真實(shí)地反映出該地區(qū)灌溉需求特征之外，還通過智能化手段避免了盲目試錯(cuò)造成資源浪費(fèi)。并通過水流拖曳力、薄膜水壓力和泥沙之間的粒間離散力一系列計(jì)算，獲取中低壓管道輸水二相流參數(shù)，估算農(nóng)作物的需水量，調(diào)整智慧罐區(qū)輸水定額，得出智能節(jié)水灌溉涉及的精確數(shù)值，確保工程能夠順利推進(jìn)。未來將融入更多農(nóng)作物種類的數(shù)據(jù)，以完善此次研究成果。