平移式噴灌機供水明渠底坡設計

賀 城，廖 娜

(1.中工國際工程股份有限公司，北京 100080；2.中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

平移式噴灌機是實現現代節水灌溉農業、實現農業灌溉機械化的重要裝備之一。平移式噴灌機的供水方式有封閉式供水和開放式供水2種。封閉式供水是指將供水軟管直接接在平移式噴灌機的中心塔架車上，通過供水軟管為平移式噴灌機供水。開放式供水是指通過天然河道或修建人工明渠為平移式噴灌機供水。當有條件使用天然河道取水時，由于天然河道的水深遠大于平移式噴灌機進水口取水最低水位要求，因而可采用浮動式進水口。然而，由于平移式噴灌機一般要求直線行走，天然河道很難具備平移式噴灌機的取水條件，更多情況是需要修建人工明渠進行取水。采用人工明渠對平移式噴灌機進行供水時，平移式噴灌機一般使用滾輪行走式進水口進行取水，進水口安裝在滾輪上，滾輪沿著明渠渠底隨平移式噴灌機一起行走。當明渠水位高于平移式噴灌機進水口頂部時，啟動平移式噴灌機的真空泵對進水管道抽空氣，使進水管道達到負壓狀態，明渠里的水在外界氣壓的作用下會自動進入噴灌機進水管道內，再啟動平移式噴灌機的離心泵將進水管道內的水輸送至噴灌機各個噴頭噴出。

明渠底坡設計是明渠設計的一項重要內容。明渠底坡有順坡、平坡和逆坡3種。順坡和平坡明渠在一般的給排水工程中被廣泛使用。平移式噴灌機供水明渠對其水面線有一定的要求，應當在設計中予以考慮：明渠全程水面線應高于平移式噴灌機進水口頂部，以保證噴灌機的取水要求；明渠渠高設計不應過大，以確保明渠修建的經濟性；明渠渠高設計不應過小，應避免水漫渠頂事故；應將灌渠的時間控制在合理范圍；應根據噴灌機的流量設計明渠流量。

本文提供平移式噴灌機供水明渠常見的流量和渠長范圍，在確定了渠底寬度、粗糙系數、邊坡系數的情況下，比較明渠底坡采用順坡和平坡設計對明渠水面線的影響，并給出結論，為工程應用提供參考。

1 理論與方法

1.1 平移式噴灌機相關參數

水渠流量取決于噴灌機需水量，而噴灌機的需水量由噴灌機跨數、單跨噴頭個數和單個噴頭流量決定，因而可根據常用平移式噴灌機流量界定平移式噴灌機供水明渠的流量范圍。本文以配有非旋轉低壓噴頭的平移式噴灌機為例，經計算可知單跨流量約為0.01 m3/s。據此計算，當明渠流量為0.1 m3/s時，可給總計10跨的平移式噴灌機供水，以此類推，當明渠流量為0.3 m3/s時，可給總計30跨的平移式噴灌機供水，噴灌機各跨體可根據地形情況，以每5至20跨的方式組裝成單臺噴灌機，在一條長直明渠上可布置一臺或多臺噴灌機。從流量上看，平移式噴灌機供水人工明渠在規模上均為小型渠道。本文考察明渠流量分別為0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 m3/s時的水面線。

1.2 明渠相關設計參數

對于使用人工明渠供水的平移式噴灌機，其取水裝置一般為在渠底使用滾輪行走的方式，明渠和平移式噴灌機進水口示意圖如圖1所示。

圖1 明渠和平移式噴灌機進水口示意圖Fig.1 Schematic drawing of open channel and water inlet of lateral irrigation machine

對明渠的設計，一方面要保證明渠水面線要高于平移式噴灌機進水口的頂部，保證取水裝置在水渠的任何位置以及任何時間都能順利地抽水；另一方面要對明渠的斷面形式、渠高、底坡進行優化設計，使修筑明渠的工程量達到最少，以減少建設成本。由于平移式噴灌機進水口頂部以下的水需要快速壅高，以減少明渠的灌水時間，因此明渠斷面宜采用梯形斷面，本文明渠邊坡系數m取1；明渠底寬應根據平移式噴灌機進水口尺寸以及明渠流量要求進行設計，本文渠底寬b為0.35 m；本文假設平移式噴灌機供水明渠全部為混凝土現場澆筑或混凝土襯砌，且為斷面形狀及尺寸沿程不變的棱柱形順直平整人工明渠，粗糙系數n取0.014[1]；平移式噴灌機進水口高0.60 m，定義明渠工作時最低水位為0.62 m。假設渠高為0.90 m，渠高的設置僅作觀察水面線的相對位置，并不參與明渠水面線及灌水時間的計算。

平移式噴灌機的最大移動速度一般設計得很低，且在最大移動速度范圍內根據百分比計時器來控制其移動速度。本文所述平移式噴灌機的最大移動速度約為4.1 m/min，假設單臺平移式噴灌機的灌溉區域長度為1.5 km，則走完單程至少耗時6.1 h，這意味著單臺噴灌機的行走距離不宜太長。一條明渠可給一臺或多臺平移式噴灌機供水，明渠設計過短，影響噴灌機和明渠的使用效率；明渠設計過長，對明渠水面線影響很大，從而影響了噴灌機的使用。本文對明渠長度分別為3.0和4.5 km時的水面線進行研究，這個長度范圍適宜布置2至4臺平移式噴灌機。

本文考察明渠流量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 m3/s，明渠底坡分別為順坡(i=0.000 1)和平坡(i=0)，渠長分別為3.0 和4.5 km時的水面線。

1.3 水面線計算方法

順坡明渠采用下式計算正常水深h0：

(1)

式中：Q為流量；A為過水斷面面積；C為謝才系數，C= 1/nR；R為水力半徑；i為底坡；n為粗糙系數。

順坡和平坡明渠采用下式計算臨界水深hk：

(2)

式中：B為水面寬；g為重力加速度；α為動能修正系數，其值為1。

為了使明渠達到平移噴灌機進水口的水位要求，明渠末端需要設置擋水坎，對明渠水位進行壅高。經計算可知，底坡采用順坡設計且水位達到工作狀態時，明渠水面線為壅水曲線；采用平底坡方案且水位達到工作狀態時，明渠水面線為降水曲線。

按照明渠恒定非均勻流、采用分段試算法計算明渠水面線，計算公式為：

(3)

在工程應用中，平移式噴灌機使用真空泵和離心泵從水渠中取水，因此在平移式噴灌機抽水工作之前，水渠的水面必須完全淹沒平移式噴灌機的入水口。從水渠開始灌水到水渠水面線滿足平移式噴灌機工作要求的這段時間為水渠灌水時間T，其計算公式為：

(4)

2 結果與討論

圖2為當明渠流量為0.10 m3/s時的水面線。圖2(a)所示當底坡為0.000 1、 渠長為3.0 km時，渠首水深為0.62 m、渠末水深為0.89 m，此時若采用渠高0.9 m的設計，則明渠末端水漫渠頂的風險增大。若降低整體水面線高度，則會導致明渠渠首段達不到平移噴灌機最低水位要求。從圖2(b)可以看出，當采用平底坡設計時，水渠全程都能保持較為水平的理想水面線，且渠頂與水面線之間有一定的高差。繼續增大明渠長度，當明渠長度為4.5 km時[見圖2(c)和圖2(d)]，圖2(c)渠末的水一定會漫過渠頂，當采用渠高為0.9 m的設計時，渠首無法達到平移噴灌機的最低水位要求，渠首的一段距離內噴灌機無法取水灌溉。在采用底坡為0.000 1的設計時，為了達到噴灌機的使用要求，需要增加渠高，則增大了明渠的施工成本。由圖2(d)可以看出即使當水渠長度增加至4.5 km，平底坡設計仍然能產生符合平移式噴灌機使用要求的水面線。從圖2可以看到，由于明渠流量小、水渠較長，水渠灌水時間都很長，水渠灌水的最短時間為6.2 h。如果是采用水泵給明渠灌水，則在灌水時應考慮增開泵的數量，以縮短水渠灌水時間，待明渠水面線達到要求時再將增開的泵關閉，穩定運行時泵的流量應與平移式噴灌機的需水量保持一致。圖2渠長相同但水渠灌水時間不一樣，是因為水面線高度不同所致。

圖3為當明渠流量為0.15 m3/s時的水面線。圖3(a)所示當底坡為0.000 1、 渠長為3.0 km時，渠首水深為0.63 m、渠末水深為0.83 m，此時水面線能夠滿足噴灌機使用要求。圖3(b)所示，當采用平底坡設計時，水渠全程能保持較為水平的水面線，渠首水深為0.67 m、渠尾水深為0.77 m，此時水面線也能夠滿足噴灌機使用要求，且其水面線比圖3(a)更佳。繼續增大明渠長度，當明渠長度為4.5 km時[見圖3(c)和圖3(d)]，圖3(c)渠首和渠末水深分別為0.61和0.90 m，此時明渠渠末水漫渠頂的風險很大。圖3(d)可以看出即使當水渠長度增加至4.5 km，平底坡設計仍然能產生符合平移式噴灌機使用要求的水面線。從圖3可以看到，由于明渠流量較小、水渠較長，水渠灌水時間都較長，水渠灌水最短時間達到了4.3 h。如果在使用時需要縮短灌水時間，同樣需要在灌水時考慮增開泵的數量，以縮短水渠灌水時間，待明渠水面線達到使用要求時再將增開的泵關閉，穩定運行時泵的流量與平移式噴灌機的需水量保持一致。

圖2 明渠流量為0.10 m3/s時的水面線Fig.2 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.10 m3/s

圖3 明渠流量為0.15 m3/s時的水面線Fig.3 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.15 m3/s

圖4為當明渠流量為0.20 m3/s時的水面線。圖4(a)所示當底坡為0.000 1、 渠長為3.0 km時，渠首水深為0.67 m、渠末水深為0.80 m，此時水面線能夠滿足噴灌機使用要求。圖4(b)所示，當采用平底坡設計時，渠首水深為0.83 m、渠末水深為0.69 m，此時水面線也能夠滿足噴灌機使用要求。繼續增大明渠長度，當明渠長度為4.5 km時[見圖4(c)和圖4(d)]，圖4(c)渠首和渠末水深分別為0.67和0.88 m，圖4(d)渠首和渠末水深分別為0.86和0.65 m，這兩種情況下的水面線都能夠滿足噴灌機使用要求，但水漫渠頂的風險都增加了。

從水面線的情況看，在明渠不斷地有水被灌入、噴灌機不斷地從明渠抽水時，底坡設計為0.000 1和采用平底坡設計時水面線效果沒有明顯差異。但當水泵和噴灌機同時停止時，由于水渠的水面會在重力作用下自行恢復到水平狀態，圖4(c)所示情況下，渠末端有可能會出現水漫渠頂事故。圖4(b)和圖4(d)采用平坡設計的水渠則不會有渠末水漫渠頂的風險。因此在當流量為0.20 m3/s時，平坡方案更優。

圖5為當明渠流量為0.25 m3/s時的水面線。圖5(a)所示當底坡為0.000 1、 渠長為3.0 km時，渠首水深為0.73 m、渠末水深為0.80 m，此時水面線能夠滿足噴灌機使用要求。圖5(b)所示，當采用平底坡設計時，渠首水深為0.86 m、渠末水深為0.64 m，此時水面線也能夠滿足噴灌機使用要求，但渠首段渠頂與水面線之間的高差很小，水漫渠頂風險較大。繼續增大明渠長度，當明渠長度為4.5 km時[見圖5(c)和圖5(d)]，圖5(c)渠首和渠末水深分別為0.80和0.72 m，水面線能夠滿足噴灌機的使用要求。但圖5(d)渠首和渠末水深分別為0.92和0.62 m，在渠首會產生水漫渠頂事故。綜合4種條件下的水面線表現，當明渠流量為0.25 m3/s時，采用底坡為0.000 1的方案較優。

圖4 明渠流量為0.20 m3/s時的水面線Fig.4 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.20 m3/s

圖5 明渠流量為0.25 m3/s時的水面線Fig.5 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.25 m3/s

圖6為當明渠流量為0.30 m3/s時的水面線。當底坡為0.000 1、 渠長為3.0 km時，渠首和渠末水深分別為0.77和0.79 m[見圖6(a)]；當底坡為0.000 1、 渠長為4.5 km時，渠首和渠末水深分別為0.78和0.84 m[見圖6(c)]，兩種條件下的水面線均能夠滿足噴灌機使用要求。當采用平底坡、渠長為3.0 km時，渠首和渠末水深分別為0.91和0.62 m[見圖6(b)]；當采用平坡、渠長為4.5 km時，渠首和渠末水深分別為0.97和0.62 m[見圖6(d)]，2種條件下水渠渠首均會產生水漫渠頂事故。從結果可以看出當明渠流量為0.30 m3/s時，采用底坡為0.000 1的方案較優。

圖6 明渠流量為0.30 m3/s時的水面線Fig.6 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.30 m3/s

3 結 語

水面線是明渠設計的重要依據。本文依據平移式噴灌機供水明渠的常用流量和渠長范圍，結合平移式噴灌機對其供水明渠水面線的具體要求，研究了當明渠底坡為0.000 1和采用平底坡設計時的水面線變化規律。結果顯示在本文的設計參數下，當明渠流量不大于0.20 m3/s、渠長不大于4.5 km時明渠宜采用平底坡設計。當明渠流量大于0.20 m3/s時，還應根據具體的流量、渠長和粗糙系數對渠高和底坡進行設計。粗糙系數對明渠水面線有重要影響，明渠施工時應注意渠道施工質量會對粗糙系數產生影響。明渠使用過程中過多的泥沙和垃圾沉積會增大明渠粗糙系數，亦會影響平移式噴灌機的吸水性能，在明渠管理中注意及時清理明渠中的泥沙和垃圾。

[1] 王 開，魏加華，王光謙．大型渠道糙率系數設計取值的不確定性及影響分析[J]. 應用基礎與工程科學學報，2008，16(6)：870-878．

[2] 吳持恭．水力學[M]. 4版．北京：高等教育出版社，2008．