平原地區低壓管道輸水灌溉管網優化設計

常 貴 單陸丹 張智韻（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005）

平原地區低壓管道輸水灌溉管網優化設計

常 貴 單陸丹 張智韻
（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005）

本文以淮安地區水稻作物低壓管道灌溉設計為研究方向，重點闡述管道輸水灌溉管網優化設計方法，以管網年費用最小為目標，建立管道輸水灌溉管網優化設計模型，并采用界限流量法求解，推導出相鄰管徑的界限流量的計算公式，從而優化管徑，對合理配套機泵、管道，減少工程投資、降低運行費用，持久發揮管灌工程效益具有重要意義。

低壓管道 管網優化 設計灌水定額 灌水周期

1 低壓管道管網優化布置

管網布置通常分為樹狀管網和環狀管網兩種類型。淮安地區多為平原河網提水灌區，因此在本地農田低壓管道輸水灌溉工程中普遍采用樹狀管網形式。在實際工程設計中為使管網布置更加合理，需要在充分調查灌區基本情況的基礎上，根據取水位置、田塊地形以及道路布置等情況，在實測地形圖上初步布置管網。在水源可選擇的情況下，位置盡可能布置在距離灌區中心處，管網形式盡量呈梳齒式或魚骨式布置（如圖1），以達到減少管道用量、均衡管道壓力和流量、減少管網水力損失以及方便管理等目的。合理的管網布置方案是進行管網后續設計的基礎，是總體規劃設計非常重要的一個環節。

2 基本參數計算

2.1 設計灌水定額

灌水定額是指單位面積一次灌水的灌水量或水層深度。在管網設計中，采用作物生育期內各次灌水量中最大的一次作為設計灌水定額，對于同時種植不同作物的灌區，設計時采用主要作物的最大灌水定額作為設計灌水定額。

針對水稻這一作物，設計灌水定額可根據當地灌溉試驗資料采用泡田期灌水定額。通常，泡田定額根據土壤、地勢、地下水埋深和耕犁深度相似田塊上的實測資料確定。泡田定額也可根據時段初適宜水層上限與時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—計劃濕潤層土壤干容重，kN/m3；

h—計劃濕潤層深度，m；

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

β2—適宜含水量（質量百分比）下限（%），可取田間持水量的60%～65%。

2.2 灌水周期

設計灌水周期和作物種類、灌區面積大小以及農業生產勞動計劃等因素有關，不同作物允許的灌水延續時間不同，灌區面積較大的情況下灌水時間可相對延長。對于大中型灌區，灌溉面積在萬畝以上的，水稻泡田期灌水7～15晝夜，對于灌溉面積較小的灌區，灌水延續時間要相應減小。灌水周期可根據灌水試驗和當地灌水經驗確定，具備必要的基礎資料時也可以通過計算確定：

式中：T—灌水周期，d；

m—灌水定額，mm；

Ed—作物日耗水強度，mm/d。

2.3 灌溉工作制度

圖1 河網提水灌區管網布置示意圖

灌溉工作制度是指管網輸配水及田間灌水的運行方式，分為續灌、輪灌和隨機取水3種方式。其中隨機取水方式適用于灌溉系統面積較大，區內用水單位多并且作物種植結構復雜，取水隨意性大的情況，不適用于本文介紹的情況。

灌水期間，上一級管道同時向所有下一級管道配水的灌水方式稱為續灌；上一級管道按預先劃分好的輪灌組分組向下一級管道配水的灌水方式稱為輪灌。

在地形平坦，灌區面積適中的情況下，設計的時候可以考慮整個管網系統采用續灌的方式。考慮水稻不同于其他作物，需水量較大，在灌區面積確定的情況下采用續灌方式易導致管道取用管徑偏大，對提水首部樞紐也有更高的要求，如此工程投資將大幅提高。根據水稻種植灌溉經驗，采用輪灌方式大可滿足生產需求。

2.4 設計流量

2.4.1 出水口流量

式中：q—出水口設計流量，m3/h；

m—水稻泡田定額，m3/畝；

A—個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時間，d；

t—日工作時間，可取18～22h；

η—灌溉水利用系數，取0.95。

2.4.2 干支管設計流量

式中：Q干—干管設計流量，m3/h；

Q支—支管設計流量，m3/h；

n—支管控制范圍同時開啟的出水口個數；

N—干管控制范圍同時工作的支管條數。

3 管網優化

管網優化包括布置方案優化和管徑優化。在同類型管網（樹狀網或環狀網）的不同布置方式下，最優經濟管徑即為該類型管網最優設計方案。管網管徑的優化通常以工程造價最小和年費用最小為目標函數進行優化。對需要通過加壓系統加壓的灌溉管網優化，采用年費用最小為目標函數進行優化比較適宜。該地區一般采用渠灌或河網提水，管網系統主要采用樹狀網，這里主要介紹以年費用最小為目標函數進行優化管徑的方法。

3.1 管網年費用確定

管網系統投資主要由基建投資和管網的年運行費用兩部分組成。管網布置形式及管材選定后，管徑即成為管網優化設計的主要決策因素。在各級管道管徑的多種組合中，必有一種管徑的最優組合，使管網系統的年費用最小，以此作為管網系統優化設計的目標。

灌溉管網年費用可用下式表示：

式中：W—管網年費用，元；

F—管網基建投資，元；

C—管網年運行費，元；

α—均付因子；

i—社會折現率；

t—經濟計算期（折舊年限），年；

f（Di）—第i管段的工程造價，元/m；

li—第i管段的長度，m；

n—管段數；

a，d—管網造價系數和指數。

由于泵站的工程造價與管網投資相比所占比重較小，并且泵站投資主要與設計流量有關，隨管網揚程變化不明顯，對于確定的管道輸水工程，泵站投資可視為常數，故予以忽略。

管網的年運行費用C包括管網運行的能耗費CE、維修費CU和管理費CM。對于確定的管網系統而言，管理費用差別不大，而且對經濟管徑的影響也不大，故不予考慮。因此管網年運行費可表示為：

系統年能耗費CE，計算：

式中：E—電價，元/kW·h；

Q—管網設計流量，m3/h；

T—水泵年工作時間，h；

H—水泵揚程，m；

η—水泵工作效率。

系統年維修費CU和管理費CM，計算：

式中：P為年維修費率；R為管理費率。

3.2 管網費用目標函數的確定

目標函數可采用水泵揚程H利用下式計算：

圖2 界限流量示意圖

式中：HO—水泵的凈揚程，m；

hf—管網的水頭損失，m；

β—考慮局部水頭損失的系數，一般取1.1左右；

f、m、b—管道的管材系數，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優化管徑進行求解。界限流量是指某一標準管徑所對應的相對經濟的流量范圍，當流量在這一范圍內時選用該管徑都是經濟的。確定界限流量的前提是使相鄰兩檔商品管徑的年費用相等，以此為基礎來推求。假定Dn-1＜Dn＜Dn+1（n＞1）為3個相鄰管徑，給定參數可繪得如圖3條曲線。如圖2所示，qn既是管徑Dn-1的上限設計流量，又是管徑Dn的下限設計流量；qn+1既是管徑Dn的上限設計流量，又是管徑Dn+1的下限設計流量，則凡是管段流量在qn和qn+1之間的，應選用Dn，否則不經濟。

將管徑Dn、Dn+1分別代入式（13）。對于管網中任一管段，其設計流量qi與管網的設計流量Q總是存在如下關系：

使Wn=Wn+1，可得管徑Dn、Dn+1的界限流量為：

在進行推求計算的過程中，根據管網確定的流量Q以及管網系統的工作制度，來選擇一定的值，從而確定管段的流量，與計算得出的界限流量進行比較，以選定合適的管徑。

4 樹狀管網水力計算

4.1 管道水頭損失

管道水頭損失采用下列公式計算：

式中：hf—管道沿程與局部水頭損失之和，m；

L—管道的工作長度，m；

Q—管道設計流量，m3/h；

d—管道的內徑，mm；

k—系數，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，硬塑料管f=0.948×105，m=1.77，b=4.77。

4.2 管網入口工作水頭

管網入口是指管網系統干管進口，設計壓力可按式（6）計算：

式中：Hm—主干管入口工作水頭，m；

Σhf0—計算管線沿程水頭損失，m；

Σhj0—計算管線局部水頭損失，m；

Δz0—設計控制點與管網入口地面高程之差，m；

Hg—設計控制點給水栓工作水頭，m。

5 機泵選型

水泵設計揚程：

式中：H—水泵設計揚程，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。

根據水泵揚程和系統設計流量便可以從水泵類型系列中選取所需水泵型號。為保證所選機泵在高效區運行，對于按照輪灌組運行的管網系統，可根據不同輪灌組的流量和揚程進行比較，選擇合適的泵型；若各輪灌組流量與揚程差別很大且控制面積大，可選擇兩臺或者多臺水泵分別對各個輪灌組提水灌溉。

6 結論

低壓管道輸水系統能有效防止水的滲漏和蒸發損失，可大大提高水的利用率，是一項有效的節水灌溉工程措施。在管道輸水灌溉系統中，管網投資約占總投資的60% ～70%，直接影響工程造價。因此加強對管網設計及管道優化設計的研究，對提高管道輸水灌溉工程設計水平，降低運行費用具有重要意義

（專欄編輯：顧 梅）