基于經濟流速取值的滴灌系統優化設計與應用

郭 龍

(大禹設計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

長期以來，高標準農田(高效節水)建設項目建設標準偏低，多數項目難以同步實施。土地整理工程、土壤改良工程、灌溉工程、田間道路工程、農田防護與生態環境保護工程，農田輸配電工程以及科技推廣與建后管護等措施，工程建設效益難以得到充分發揮。綜合考慮工程基礎設施建設與耕地質量提升同步推進的要求、不同地區投入狀況差異以及高標準農田建設難度加大、成本增加等諸多因素。依據甘肅省2022年“藏糧于地，藏糧于技”[1]專項(高標準農田建設項目)中央預算內投資下達103.9萬畝任務，高標準農田建設執行統一建設標準(主要涉及田、土、水、路、林、電、技、管8個方面)、統一組織實施、統一上圖入庫等原則，本次已統籌安排中央和省級高標準農田建設補助資金，平均每畝約1200元。這對于干旱區農業生產無疑是一個精細賬。

由此可見，在建設項目規劃設計過程中，合理的選取經濟流速，對灌溉系統進行優化設計，以降低灌溉系統初期成本，將節省出來的這部分資金充分利用到項目建設的其他工程措施中，顯得尤為重要[2]。

滴灌技術是現階段最節水的現代化精準灌溉的代表[3]，滴灌主要是通過灌溉系統將水分(肥液和農藥)通過灌水器(穩流器)輸送到作物根部的局部灌溉，在作物全生育期內持續保持土壤濕潤良好生長的微環境，從而達到節水增產的目效果。滴灌系統配水管網優化設計的主要目的是確定各級管道的直徑、管材的承壓等級以及管網系統的布置方式，各級管道的直徑是根據各級管道的配水流量和流速來確定，在流量已定的情況下，需先確定流速才能確定管徑[4]，所以，管段流速的選取決定整個配水管網的設計。在一定設計流量下，管道設計流速選取的小，相應管徑就會較大，項目建設初期投資較高，但管路水損較小，灌溉系統后期運行維護費用較低。相反，如果管道設計流速取得大，相應管徑較小，項目建設初期造價較低，但管路水損也會增大，導致灌溉系統運行維護費用較大。因此，必然存在一個流速，使灌溉系統初期造價與后期系統運行維護費用，即整個工程的造價最低[5]。可見，經濟流速的合理取值對技術先進、經濟合理和運行可靠的灌溉系統設計具有十分重要的意義。

1 灌水小區畝均投資計算實例

本文以河西地區大田玉米為例，根據當地農戶以往的種植模式，大田玉米的株距為0.3m、行距為0.8m，項目區內覆膜玉米的種植模式定為“一膜三行雙管”，即滴灌帶均行鋪設間距為0.8m，灌水器間距為0.3m。〔注：滴管帶選用內鑲貼片式滴灌帶Φ16×0.2×300-2.0L，0.25MPa；PE軟帶選用Φ75×1.4mm，0.25MPa。〕

灌水小區控制面積(滿足灌溉均勻度)[6]相關計算公式參見GB/T 50485—2020《微灌工程技術標準》，不在一一列出，限于篇幅，本文只計算了Φ75PE軟帶在不同經濟流速對應鋪設長度和灌水小區控制面積，計算成果見表1。

表1 不同經濟流速對應PE軟帶Φ75鋪設長度和灌水小區控制面積

上表計算結果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(系統流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區控制灌溉面積隨經濟流速的增大而變大，支管的鋪設長度也隨經濟流速的增大而變長。

參照甘肅省水利廳甘水規計發[2013]1號文頒發的《甘肅省水利水電工程設計概(估)算編制規定》計算本工程各項費用，投資概算編制的價格水平采用2022年第二季度。可以計算出不同經濟流速對應灌水小區地面材料畝均投資，文中只列了v=1.35m/s對應灌水小區地面材料(軟帶、滴管帶及配件)的數量與單價，計算結果見表2。

表2 不同經濟流速對應灌水小區地面材料畝均投資

上表計算結果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(系統流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區導致畝均投資隨經濟流速的增大而變小。

2 水頭損失計算

灌溉系統管網水頭損失計算參見GB/T 50485—2020。

(1)

各級管道流量可由理想管徑對應的經濟流速的確定[7]，其計算公式為：

(2)

由公式(1)和式(2)可得：

(3)

式中,hf—沿程水頭損失；f—磨阻系數，聚乙烯管[8]取0.505；A—過水斷面面積，mm2；Q—流量，m3/h；d—內徑，mm；L—管段長度，m；v—經濟流速，m/s；m，b—流量指數和管徑指數，聚乙烯管取m=1.75，b=4.75；

多滴頭支管沿程水頭損失按下式計算：

hf=F·hf

(4)

(5)

式中,hf—沿程水頭損失，m；F—多口系數；N—出水孔個數；m—流量指數，m=1.75。

局部水頭損失根據經驗按管道沿程水頭損失的10%計算，即：

hj=10%hf

(6)

式中,hj—各級管道局部水頭損失，m。

本項目滴灌系統首部水頭損失按13m計算，各級管道承壓為0.8MPa，不同經濟流速對應的滴灌系統水力計算結果(滴灌系統中最不利管路水損)詳見表3。

由式(3)、式(4)和式(5)可以計算出不同經濟流速對應灌水小區最不利管路水損及水泵揚程，文中只列了v=1.35m/s對應各級管道水損計算值。

表3計算結果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(系統流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區導致管路水損也隨著經濟流速取值的變大而變大。

表3 不同經濟流速對應灌水小區管路水損及水泵揚程

3 系統運行動力費用計算

依據灌溉系統流量和計算出來的不同經濟流速對應灌水小區管路水損，選定不同經濟流速對應滴灌系統選用水泵型號，并計算出對應經濟流速的運行動力費用,見表4。

表4計算結果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(系統流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區導致水泵型號也有差異，導致水泵功率隨經濟流速增大而變大，從而導致日運行費用和年運行費用隨著經濟流速的增大而增加。灌溉系統設計不合理會浪費很多的項目建設資金，單從設計角度難以解決這個問題，還須考慮經濟因素，即考慮項目初期建設投資成本，也要考慮后期灌溉系統整體的運行費用，使項目初期建設投資與后期灌溉系統運行費用之和達到最小[9]。在灌溉系統的設計使用周期內，總會存在項目初期建設投資與后期灌溉系統運行費用之和達到最小的一個值，此時灌溉系統將達到了最合理的狀態。

表4 不同經濟流速對應滴灌系統選用水泵型號及運行動力費

總費用表達式：采用姜海波等建立的枝狀管網灌溉系統量化的總費用函數[10]，公式如下：

Ct=Cr+Ce+Cl+Cb

(7)

式中,Cr—系統運行費用：系統運行費用與水泵功率和設備累計運行時間成正比；Ce—動力設備(通常為水泵)購置費，但設備購置費用在整個項目投資中占比不大，可忽略此項費用的影響；Cl—管道的敷設費用以管道材料費用為主，由于項目區范圍和水源工程確定后，灌溉系統整個地下管網系統設計(管道級別)隨之確定。灌水小區控制灌溉面積大小會對出水口布置形式(間距和個數)產生影響，結合前面經濟流速和灌水小區控制灌溉面積之間的關系，流速越大，灌水小區控制灌溉面積越大，整個系統布設出水口數量也會減少，地下主管網布置形式視項目區現地情況而定(征求農戶意見為主)，這里只考慮受經濟流速影響較為敏感的地面材料畝均投資；Cb—項目初期建設投資費用主要包括水源工程、泵站及附屬構筑物的建設費用，灌溉系統較小的設計變動對該項建設費用沒有明顯影響，可認為是常數。

不同經濟流速對應滴灌系統總費用計算成果見表5。

表5 不同經濟流速對應滴灌系統總費用計算成果

表5計算結果顯示，經濟流速取值范圍在1.2～1.5m/s之間總費用最低，當v=1.35m/s時總費用最低。，本文只分析了對畝均投資影響較為敏感的灌水小區(地面材料和單個出水口控制的灌溉面積)和同等灌溉系統條件下對動力費用影響較為敏感的管路水損所對應的灌溉系統正常工作水頭及水泵型號(功率)，對于總成本費用(折舊費+年運行費+攤銷費)和可變成本不在贅述，本文建議在高標準農田(高效節水)建設項目設計時宜采用經濟流速的范圍值為1.2～1.5m/s。

4 結語

(1)在高標準農田(高效節水)建設項目設計中，對于灌溉工程和農田輸配電工程而言，經濟流速的取值直接影響灌溉系統的管徑、管材承壓等級、灌水小區的布置方式、水泵型號(功率)以及變壓器容量的選取。

(2)管網優化設計旨在設計出技術先進、經濟合理和運行可靠的灌溉系統，且在項目造價上做到總費用最小。

(3)管道直徑的確定和經濟流速的選取是管網水力計算最為重要的問題，既有經濟問題，又有安全問題。此外計算發現，項目初期建設投資和后期系統運行動力費用隨經濟流速的取值相差較大。可見，要選擇合理的經濟流速和滴灌系統灌水小區的優化設計，設計者的經驗十分重要。