低壓管道輸水灌溉技術(shù)灌水均勻性問題及對策

蔣曉紅， 龔志浩

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

“十三五”期間全國計劃新增高效節(jié)水灌溉面積666.67 萬hm2[1]。低壓管道輸水灌溉(以下簡稱“低壓管灌”)作為高效節(jié)水灌溉技術(shù)之一，同噴、微灌等相比，基建投資相對較小，運行能耗相對較低，用水管理相對方便，尤其適合向大田作物推廣，也是符合我國國情的一種選擇。

目前，低壓管灌工程在設(shè)計過程中通常采用經(jīng)濟流速法確定管徑，以滿足最不利管線的工作壓力確定水泵揚程。設(shè)計結(jié)果未經(jīng)校核，導(dǎo)致管徑偏小，水泵揚程偏高，實際運行中出現(xiàn)配水管首端的放水口水急量大，而末端的放水口則出流量較小甚至無水可放的現(xiàn)象，造成田間灌水不均，影響作物正常用水。目前國內(nèi)外對噴灌和微灌的灌水均勻性研究較多[2-5]，但針對低壓管灌的灌水均勻性研究卻鮮有人涉及。隨著高效節(jié)水灌溉建設(shè)的不斷推進，低壓管灌系統(tǒng)灌水均勻性問題已成為一個亟需解決的問題。本文針對該問題提出了相應(yīng)的解決對策。

1 問題分析

低壓管灌工程灌水不均勻的原因主要是以下幾個方面。

(1)首末放水口工作壓力差較大，即配水管水頭損失較大。當設(shè)計流量一定時，導(dǎo)致水頭損失增大的原因：一是管徑過小，二是管長過長。有時受水源和地形所限制，配水管長度難以縮小，此時對管道水頭損失起決定性作用的因素則是管徑。考慮系統(tǒng)工作壓力的均衡，通常需要控制首末灌水器的工作壓力差，合理確定配水管管徑。在噴、微灌工程設(shè)計過程中，按規(guī)范[6]要求，配水管最小管徑根據(jù)“首末2個灌水器工作水頭差不大于設(shè)計工作水頭的20%”的原則來確定。而在低壓管灌工程設(shè)計過程中，按規(guī)范[7]要求，同一配水管上首末放水口出流量應(yīng)滿足qmin≥0.75qmax。流量差與水頭差的關(guān)系見表1。

表1 灌水器流量差與水頭差的關(guān)系 %

低壓管道系統(tǒng)設(shè)計時，可以根據(jù)工程對灌水均勻性的要求，結(jié)合投資等因素，合理確定允許的放水口流量差，從而查出對應(yīng)的水頭差以確定配水管管徑。值得一提的是，設(shè)計中往往按等距等流量多孔出流對配水管水頭損失進行簡化計算。一般在噴、微灌工程設(shè)計中，同一根配水管上首末灌水器流量差不大于10%，故引入多口系數(shù)計算管道水頭損失誤差較小，而在低壓管灌工程設(shè)計中，因首末灌水器流量差較大而導(dǎo)致誤差增加，因此初選管徑后有必要對水頭損失進行分段校核。

(2)放水口設(shè)計工作水頭不合理。放水口的設(shè)計工作水頭，也即水流在該位置所具有的能量。這些能量一部分消耗于出水管路的水頭損失，另一部分則轉(zhuǎn)化為勢能和出流的動能。當管網(wǎng)布置形式確定后，則勢能變化一定，若放水口工作水頭大，出流量和流速就大。規(guī)范[7]推薦的放水口工作水頭為0.3～0.5 m，而工程設(shè)計中有的取值高達2.0～3.0 m，一方面造成能量浪費，另一方面造成田塊沖刷。

(3)放水口實際出流量與其設(shè)計流量不匹配。放水口管徑一般根據(jù)設(shè)計流量按小孔出流公式計算確定。而實際運行中，由于配水管首端的工作壓力較大，首端的放水口實際出流量大于設(shè)計流量，導(dǎo)致配水管尾端放水口出流量偏小甚至不出水。放水口管徑計算公式如下：

(1)

式中：d為放水口內(nèi)徑，m；q為放水口設(shè)計流量，m3/s；μ為流量系數(shù)，根據(jù)式(2)和式(3)確定；g為重力加速度，9.81 m/s2；h為放水口設(shè)計工作水頭，m。

對于自由出流[8]：

(2)

對于淹沒出流[8]：

(3)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；L為放水管的長度，m；ξ為局部水頭損失系數(shù)。

由于流量系數(shù)的公式中本來就包含d，式(1)在實際計算起來極為不便。實際上，由于管道規(guī)格有限，可以采用試算法，先確定放水口口徑，再根據(jù)小孔出流公式校核放水口出流量是否滿足要求。

2 設(shè)計方法

為了解決上述問題，需對常規(guī)設(shè)計方法的設(shè)計結(jié)果進行校核和調(diào)整，具體步驟如下。

(1)第1步。收集水源、土壤等基本資料，布置管網(wǎng)及放水口，確定放水口結(jié)構(gòu)形式。

(2)第2步。確定設(shè)計灌水定額、一次灌水延續(xù)時間、管道工作制度及系統(tǒng)設(shè)計流量，結(jié)合水位與田塊的高差，初選水泵。

(3)第3步。根據(jù)同時工作的放水口個數(shù)，確定放水口設(shè)計流量；合理確定放水口工作水頭，初選放水口管徑。

(4)第4步。合理確定同一配水管上放水口允許流量差及其對應(yīng)的工作水頭差，初選配水管管徑。

(5)第5步。利用經(jīng)濟流速法初選干管等輸水管道的管徑。

(6)第6步。管網(wǎng)水力計算校核，逐段計算配水管水頭損失，推算各個放水口實際的工作水頭和流量。推算方法如下。

根據(jù)配水管進口的能量方程：

(4)

則第t個放水口的實際工作水頭為：

(5)

第t個放水口的實際出流量為：

(6)

式中：Hd為配水管進口水頭，m；Hp為水泵揚程，m；ΔH為水源與田面的高差，m；Hin為水泵進水管路水頭損失，m；Ht為輸水管路水損失，m；i為放水口和配水管管段編號；hwi為第i個管段的水頭損失，包括沿程和局部水頭損失，m；A為放水口出水斷面面積，m2；其余變量含義同前。

(7)第7步。校核配水管上放水口出流量之和與配水管進口流量的誤差是否滿足精度要求。根據(jù)連續(xù)性方程，同一根配水管上所有放水口出流量之和應(yīng)與配水管進口流量相等，即：

(7)

式中：n為同一根配水管上放水口的數(shù)量；Qd為配水管進口設(shè)計流量，m3/s；ε為允許的計算誤差。

(8)第8步。以同一根配水管上放水口實際出流量之和作為該配水管進口流量，重新確定水泵工況點，并轉(zhuǎn)第6步。若在最大校核次數(shù)內(nèi)令式(7)滿足精度要求，則結(jié)束計算，否則，轉(zhuǎn)第2步，重新選擇水泵，重復(fù)以上步驟。

上述過程適宜編程實現(xiàn)，流程圖見圖1。

圖1 設(shè)計方法流程

3 應(yīng)用實例

3.1 中德示范區(qū)基本情況

中德示范區(qū)位于江蘇省黃海農(nóng)場，面積26.7 hm2，呈長方形狀，東西方向300 m，南北方向900 m。作物為稻麥輪作，田面平均高程2.5 m，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，七排河為水源，正常水位1.5 m，水質(zhì)和水量均能滿足灌溉要求。

3.2 系統(tǒng)規(guī)劃布置

灌溉管網(wǎng)共分3級。總干管長20 m，南北向布置輸水到灌區(qū)，垂直總干管布置2條長100 m的干管向東西方向分水。布置3條支管配水到田頭，支管間距100 m，每條支管長900 m。支管雙側(cè)配水，放水口間距50 m，共108個放水口，各控制一塊50 m×50 m格田。系統(tǒng)布置見圖2。

作物為稻麥輪作，設(shè)計灌水定額按水稻泡田定額確定，取150 mm，按照農(nóng)場用水習慣，泡田期取2 d，系統(tǒng)實施續(xù)灌。

3.3 設(shè)計結(jié)果與分析

常規(guī)方法的設(shè)計結(jié)果：總干管選用DN400的PVC-M管，干管、支管均選用DN315的PVC-M管，放水管選用DN50的PE管，公稱壓力均為0.4 MPa。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計流量1 080 m3/h，設(shè)計揚程6.5 m，選用1臺16HBC-40混流泵，該泵額定流量1 080 m3/h，額定揚程7.8 m，轉(zhuǎn)速730 r/min，配套30 kW電機。單個放水口設(shè)計流量為8.9 m3/h。

根據(jù)該設(shè)計結(jié)果，校核水泵運行工況及各放水口實際出流情況，見表2。

由表2可知：在續(xù)灌工作制度下，水泵的運行工況為流量1 260 m3/h，揚程6.8 m，轉(zhuǎn)速730 r/min。此工況下，支管1、3第1-8個放水口實際出流量遠大于設(shè)計流量，而從第9個放水口開始，放水口的實際出流量已不能滿足灌溉要求，第10-18個放水口甚至出現(xiàn)不出水的情況。同樣，支管2第1-7個放水口實際出流量遠大于設(shè)計流量，而第9-18個放水口則出現(xiàn)不出水的情況。

注：①支管3與支管1對稱布置，故放水口出流情況同支管1；②支管雙向配水，表中出流量為雙側(cè)出水口的出流量。

采用本文所述方法對上述設(shè)計方案進行校核和調(diào)整，總干管、干管、支管均選用DN400的PVC-M管，放水管選用DN50的PE管，公稱壓力均為0.4 MPa。水泵調(diào)整為1臺350ZLB-100軸流泵，該泵額定流量1 224 m3/h，額定揚程4.5 m，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，配套22 kW電機。水泵運行工況及各放水口實際出流情況見表3，各支管放水口出流量沿程變化趨勢見圖3。

表3 校核調(diào)整后放水口實際出流情況

注：①支管3與支管1對稱布置，故放水口出流情況同支管1；②支管雙向配水，故同一個位置的放水口流量乘以2。

由表3和圖3可知：方案調(diào)整后，在續(xù)灌工作制度下，水泵的運行工況為流量1 150 m3/h，揚程3.58 m，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，葉片安放角度-2°。此工況下，各放水口實際出流量均能滿足灌溉要求。由于支管流量沿程分出，管道水頭損失逐漸減小，放水口工作水頭及實際出流量從首到尾逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，同一支管上放水口最大和最小流量差控制在合理范圍，為37.2%左右，灌水均勻性大大提高。

圖3 各支管放水口流量變化趨勢

4 結(jié) 語

黃海農(nóng)場中德示范區(qū)由于受水源、地形等因素的限制，配水支管較長。采用常規(guī)設(shè)計方法，放水口出流量不均，出現(xiàn)尾端放水口不出水現(xiàn)象，不能滿足灌溉要求。雖然可以通過在放水口處設(shè)置閥門和水表進行調(diào)壓控流，改善灌水均勻性，但是人為調(diào)壓耗時、費力、精度低，而且可能出現(xiàn)閥門汽蝕的情況。本文提出的校核和調(diào)整方法在不設(shè)置閥門和水表的情況下，可以保證每個放水口都能正常放水，且系統(tǒng)的灌水均勻性得到了有效提高，同時通過對水泵和放水口運行工況的校核，提高了系統(tǒng)設(shè)計的精度和可靠度。

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