微灌設(shè)計(jì)中管道流量的實(shí)用計(jì)算方法

張中華，李 鳴，朱登平，吳 竹，李銀華，左光燕，覃 通，李 華

(1.上海節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心、華維節(jié)水科技集團(tuán)股份有限公司，上海 金山 201505；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023)

微灌系統(tǒng)的流量計(jì)算是依據(jù)管網(wǎng)布置，按照最不利水力條件的應(yīng)用場(chǎng)景逐段進(jìn)行的，對(duì)地形、管網(wǎng)水力學(xué)運(yùn)行場(chǎng)景等分析條件要求較高，遇到環(huán)狀管網(wǎng)、隨機(jī)運(yùn)行，輪灌制度多變時(shí)，僅采用支狀管網(wǎng)、單一支管或毛管計(jì)算存在一定的誤差。參考文獻(xiàn)[1] 給出了復(fù)雜管網(wǎng)的精確分析計(jì)算方法，參考文獻(xiàn)[2-4,7]都是試圖通過(guò)細(xì)分出管網(wǎng)的管段水力計(jì)算模型得到計(jì)算結(jié)果。模擬真實(shí)運(yùn)行條件下的管道流量、壓力，解決了水力分析中流量確定的問題[5]。

然而，計(jì)算假定的運(yùn)行場(chǎng)景管網(wǎng)水力條件并不是普遍條件，不能夠說(shuō)明其假定條件就是真實(shí)的運(yùn)行條件。對(duì)于灌溉工程來(lái)說(shuō)，管道在運(yùn)行過(guò)程中工作水頭壓力允許有20%的誤差，灌水器出水流量允許有10%的誤差，在這種條件下可以認(rèn)為管道的灌水器流量是不變的或者說(shuō)毛管、支管的流量就是毛管、支管上所有的灌水器的流量總和。

對(duì)于小型灌溉項(xiàng)目，常常會(huì)碰到“以水定地”的問題，以水定地就是有多少水(水源來(lái)水量)灌多少地。假定水源的總來(lái)水量是Q(m3/h)，計(jì)算目標(biāo)就是把這個(gè)水量用完，能夠灌溉多少面積土地。本文利用GB/T 50485-2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》公式(3.2.3-1)的基本概念，給出一種更加方便計(jì)算的、也更加簡(jiǎn)便的基于管道控制的灌溉面積，直接計(jì)算管道的流量計(jì)算方法。

1 計(jì)算公式

GB/T 50485-2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》公式(3.2.3-1)從水量平衡的角度給出了在供水量給定的條件下，如果沒有淋洗要求，灌溉面積A按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：A為灌溉面積，hm2；Qs為供水的流量， m3/h；td為日供水時(shí)間，h；Ia為灌溉供水強(qiáng)度，mm/d，無(wú)淋洗要求時(shí)Ia=Ea，Ea是設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，mm/d；η為灌溉水利用系數(shù)。

文獻(xiàn)[5]公式(2)給出了需要灌溉的面積A1已經(jīng)確定時(shí)，要求計(jì)算水源需水量Qs，或者是水泵的流量、揚(yáng)程的計(jì)算方法。對(duì)上述公式做出變換，給出補(bǔ)充滿足作物一天耗水量的水源需水量的簡(jiǎn)單計(jì)算方法：

(2)

式中：Qs為供水的流量，m3/h；A1為一次灌溉的灌水面積，hm2；t1為一次灌水時(shí)間，h；m1為一次灌溉所需要的灌水定額(灌溉的用水量)，mm/d；η為灌溉水利用系數(shù)；1 000為單位換算系數(shù)。

進(jìn)一步，給出針對(duì)任意灌溉控制面積Ai的灌水需要流量的計(jì)算公式：

(3)

式中：Qi為單元設(shè)計(jì)流量，m3/h；Ai為單元設(shè)計(jì)控制面積，hm2；ti為單元設(shè)計(jì)灌水時(shí)間，h；mi為單元設(shè)計(jì)灌溉定額，mm/d；η為設(shè)計(jì)灌溉水利用系數(shù)。

公式(3)的形式與公式(2)一樣，但是具體的含義已經(jīng)改變。采用公式(3)計(jì)算，就可以計(jì)算出設(shè)計(jì)灌溉單元控制面積Ai對(duì)應(yīng)的Qi，而且mi，ti，η可以采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)單元工作要求的灌水定額和灌水時(shí)間。

應(yīng)當(dāng)特別指出的是，如Ai對(duì)應(yīng)支(毛)管的灌水控制面積，這個(gè)控制面積就是支(毛)管開啟后其通過(guò)的水流能夠達(dá)到區(qū)域的面積，Qi就是支管的設(shè)計(jì)流量。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如Ai對(duì)應(yīng)灌水器，Qi就是灌水器的設(shè)計(jì)流量。至此，利用GB/T 50485-2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》的水量平衡計(jì)算原理，得到管道流量的具體計(jì)算公式。滿足工作壓力及流量均勻度的偏差要求是公式成立的前提條件，也是管道流量計(jì)算精度滿足工程項(xiàng)目計(jì)算要求的關(guān)鍵因素。

2 控制面積

為了更好地說(shuō)明灌溉控制面積的含義，加深對(duì)高效灌溉水力計(jì)算分析實(shí)用方法的理解，這里提出以下基本的概念定義。

定義灌溉單元為：支管、毛管或出水口由單一閘閥控制下的灌溉區(qū)域。

定義灌溉單元控制面積為：?jiǎn)卧喔人髂軌蜻_(dá)到的、單元控制下的所有地塊面積。

定義灌溉單元設(shè)計(jì)流量為：灌溉單元控制面積所需要的灌溉水設(shè)計(jì)流量。

有了以上定義，已知控制面積，采用公式(3)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量就更加容易理解。

如圖1所示，L是灌水器的間距，S是毛管的間距，即對(duì)單一灌水器來(lái)說(shuō)，其灌水控制面積就是L×S。注意這個(gè)控制面積并不是灌水器的濕潤(rùn)面積，它僅僅是表明灌水器能夠分配到的單元面積，含有濕潤(rùn)面積部分，同時(shí)大于濕潤(rùn)面積。基于灌水器控制面積可以計(jì)算出整個(gè)微灌系統(tǒng)使用的灌水器數(shù)量。

圖1 微灌灌水器控制面積

公式(3)的Ai可以是圖1中的灌水器控制面積，也可以是毛管或支管水流能夠到達(dá)區(qū)域的面積。具體來(lái)說(shuō)，可以將其定義為控制閘閥下游的灌水面積。如果，閘閥以下的控制面積是Ai(hm2)，其對(duì)應(yīng)的灌水流量就是公式(3)的Qi，見圖2。

圖2 微灌毛管對(duì)應(yīng)的控制面積

有不少專業(yè)書，特別是農(nóng)業(yè)灌溉的專業(yè)書，采用一次灌溉使土壤田間持水量達(dá)到一個(gè)值，等植物消耗完土壤內(nèi)的有效水分后，再灌溉一次的方法，這就是周期輪灌的思路。而采用一次灌溉滿足植物一天耗水量的設(shè)計(jì)理念，也即一次灌溉的用水量就是作物一天所需水量相對(duì)更加合理。這也是現(xiàn)代微灌特別是自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的作物灌溉計(jì)算場(chǎng)景的假定條件。

這里應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)物質(zhì)的質(zhì)量不變定律，無(wú)論是一次灌水滿足作物一天耗水量，還是一次灌水滿足作物T天的耗水總量，面積Ai上同等時(shí)段內(nèi)兩種方法的滿足植物耗水需求的灌水總量Qi是一樣的，也即其需要的灌水總時(shí)間是不變的。

3 計(jì)算實(shí)例

廣西右江某地塊地圖測(cè)量得到面積為106.5 hm2，種植凈面積為105.0 hm2，見圖3。作物為柑桔，株距2.0 m, 行距為6.0 m ，設(shè)計(jì)采用滴灌管，滴頭間距為0.5 m，滴頭流量為2.0 L/h，每行果樹布置兩條滴灌管，其部分計(jì)算結(jié)果見表1及表2。

因?yàn)楸疚闹挥懻撐⒐嗝娣e與其對(duì)應(yīng)流量的計(jì)算方法及其依據(jù)和實(shí)用的計(jì)算公式，計(jì)算過(guò)程在這里不做詳細(xì)介紹。

圖3 微灌工程計(jì)算實(shí)例局部圖

表1 百色右江地塊設(shè)計(jì)特性表

表2 百色右江地塊灌溉制度

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT50485-2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》2009[6]公式(3.2.3-1)進(jìn)行變換，得到本文的公式(3)。把支管、毛管或出水口由單一閘閥控制下的灌溉區(qū)域定義為灌溉單元。灌溉單元控制面積是指灌溉單元控制下水流能夠到達(dá)的地塊面積。那么灌溉單元設(shè)計(jì)需要的灌溉水流量可由公式(3)計(jì)算。這個(gè)公式可以推廣到依據(jù)灌水器、支管、干管等控制面積，從而計(jì)算進(jìn)水口端對(duì)應(yīng)的管道過(guò)水總流量，更進(jìn)一步，在微灌工程上還可以利用灌水器控制面積的大小，計(jì)算出灌溉控制面積內(nèi)的所有灌水器的數(shù)量，甚至于灌溉使用的支(毛)管的數(shù)量。