低壓管道灌水均勻性的影響因素及對策

王洪俊

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400）

1 低壓管道輸水灌溉技術的特點和適用條件

低壓管道輸水灌溉技術指的是借助管道進行輸水和配水，在田間通過軟管或者閘管系統、傳統地面灌溉技術所開展的灌溉技術。其中“低壓”指的是末級水管的出水壓力相比于滴灌系統、噴灌系統，遠小于灌水器工作壓力，通常情況下出水壓力低于3 kPa，平原提水灌區，系統的工作壓力低于0.10 MPa，丘陵區域，工作壓力低于0.20 MPa。低壓管道輸水灌溉技術具有省工、節時、節能、節水、適用性較強優勢。但是低壓管道輸水灌溉技術應用所需要的相關設備以及管件較多，多泥沙水進行灌溉時還將導致泥沙淤積問題。在不考慮建設水源因素時，低壓管道輸水灌溉系統的造價成本為100～150元/hm2，滿足中國農村經濟發展狀況，適用于低含沙量渠水與機井抽水灌溉。

2 低壓管道輸水灌溉系統組成

此案例低壓管道輸水灌溉系統主要由水源、取水樞紐、灌水系統、輸水管、配水管、給水設備、保護裝置組成。其中，水源是井水，但只要滿足灌溉需求，水渠、水庫、河湖都可以作水源，如果水源中含有較多的雜質和沙量，需要首先進行沉沙等處理再使用。取水樞紐主要為動力機、水泵和相關配套設施。輸水、配水管網，因為農業種植面積較大，通常情況下，低壓管道輸水灌溉系統的設置為多級管網，使用機井進行灌溉時，通常選擇單級管道進行輸水、灌水，輸水、配水管網的設置選擇對地埋式鋪設方式。在整個低壓管道輸水灌溉系統建設中輸水、配水管網的設計鋪設投資占總項目投資50%以上。所以，需要在正式開展管網鋪設前對當前的情況加以全面考察，因地制宜，確保設計方案的科學性、經濟性。現階段，輸水、配水管網多選用混凝土管、水泥管、PVC管或者PE管。在低壓管道輸水灌溉系統中，灌水系統主要包括兩種：第一種，借助田間移動或者固定管網，通過退水管法進行澆地；第二種，借助田間的明渠進行溝灌、畦灌。給水系統包括在低壓管道輸水灌溉系統的各級管道設置配水閘門、分水井等，并在豎管的出口位置設置出水口。附件則主要為保護裝置，在特殊位置安裝調節閥、排氣閥等裝置，避免管道輸水過程中局部受到水擊而出現破裂等情況。為計算灌溉水量安裝水表和防凍、泄水口、沖砂閘等。

3 低壓管道輸水灌溉技術灌水均勻性影響因素

3.1 壓力差影響

當低壓管道輸水灌溉系統首端和末端水口壓力差比較大時，水頭損失大將對灌水均勻性產生影響。設計流量為固定值時，造成水頭損失的主要原因包括兩點：①管道管徑較小；②管道長度過長。在實際低壓管道輸水灌溉系統建設中，因為受到地形和水源因素影響，無法有效縮減管道長度，則控制水頭損失的主要措施需要從管徑方面著手。因為考慮到系統的工作壓力均衡問題，一般情況下采用控制首端和末端灌水器工作壓力，對管道管徑加以合理設計，按照設計要求，管道的最小管徑按照首端、末端灌水器水頭差不超過設計水頭20%計算。但是在低壓管道輸水灌溉系統設計中，在同一管道中首端和末端放水口流量應當符合qmin≥0.75qmax，流量差和水頭差關系見表1。

低壓管道輸水灌溉系統設計，應當結合項目實際需求，確保灌水均勻性，結合投資、流量差等因素合理設計，通過計算校驗確定最佳管道管徑。另外，需要注意，系統設計時需要結合等距、等流量、多孔出流簡化計算水頭損失。一般情況下，微灌、噴灌項目中，同一配水管首、末端流量差應當小于10%，因此利用多口系數進行計算損失誤差比較小；但是在低壓管道輸水灌溉系統設計時，因為首、末端流量差比較大，造成計算誤差增加，所以，在初步確定管徑之后需要分段校核水頭損失。

3.2 放水口工作水頭設計不合理

放水口工作水頭設計指的是水流于該位置具備能量，能量部分與出水管路水頭損失，其余部分轉換為出流動能和勢能。確定管網的布置形式后，勢能變化固定，如果放水口水頭較大，相應流速、出流量也較大。通常情況下放水口的水頭設定為0.30～0.50 m，但在實際系統設計中部分取值達2～3 m，導致大量的能量損失，并可能因為水頭過大對田塊造成沖刷。

3.3 實際出流量和設計流量不匹配

放水口管徑流量設計通常按照小孔出流公式計算，實際運行時配水管首端的工作壓力較大，因為放水口首端出流量應當大于設計流量，造成末端出流量較小，甚至存在不出水情況。管徑計算公式為：

式中：d 表示放水口的內徑，m；q 表示放水口的設計流量，33/s；μ表示流量系數；g表示重力加速度，取值為9.80 m/s2；h表示放水口的設計水頭，m。

4 設計方法和對策

為有效解決以上存在問題，需要對常規的設計結果合理性實施校驗與調整，在實際過程中需要按照以下步驟進行。

第一，大量收集和整理土壤、水源等相關資料，進行管網、放水口的合理布置，設計放水口結構形式。第二，明確灌水定額，確定一次灌水設計的流量、具體的延續時間及管道制度等，按照水位和田塊高差，初步選定水泵型號。第三，按照同時工作放水口數量，明確放水口流量，計算放水口水頭，初步選定放水口管徑。第四，明確同一配水管的放水口最大流量差和工作水頭差，初步確定配水管管徑。第五，通過經濟流速法初步確定干管等輸水管道管徑。第六，校驗管網水力，對配水管水頭損失情況進行逐段計算，推算各放水口的實際水頭與流量。具體推算過程如下。按照配水管的進口能量方程公式計算：

得出第t個位置的放水口實際工作水頭是：

因此第t個位置的放水口實際的出流量是：

式（2）（3）（4）中，Hd是配水管的進口位置水頭（m）；Hp是水泵的揚程（m）；△H是水源和田面具有的高差距離（m）；Hin是水泵進水管路位置水頭的損失（m）；Ht是輸水管路位置水頭的損失（m）；i是放水口、配水管具體管段的編號；A是放水口位置出水斷面的面積（m2）；hωi是第i數量的管段具有水頭的損失，主要包括了沿程、局部的水頭損失（m）。

第七，校驗配水管放水口出流量之和以及配水管進口流量誤差是否符合精度要求，按照連續方程，同一根配水管上所有放水口出流量之和應與配水管進口流量相等。此連續方程表示為：

第八，以同一根配水管放水口的實際出流量之和作為配水管進口流量，反復確認水泵的工況點，之后轉為第六步計算流程，如果此時最大校驗次數符合精度要求，則確定為低壓管道輸水灌溉系統管道參數，并完成計算；如果不符合精度要求，則重新進行第二步操作，并對水泵重新選擇，直至符合精度要求。

5 結語

綜上所述，農業灌溉中選擇使用低壓管道輸水灌溉技術，因為受地形、水源等因素的影響，導致配水管的設置長度較長，選擇使用常規的設計方式導致出水流量不均、末端不出水等情況，無法實現有效的農業灌溉。通過設置水表、閥門等調壓控流能夠對灌水均勻性加以有效改善，但需要消耗大量的人力，并且隨著時間的推移，閥門會出現汽蝕情況。文章對低壓管道輸水灌溉技術中灌水不均勻問題提出相應的策略，通過調整輸水管管徑，合理選擇水泵型號，校驗放水口、水泵工況，提升系統設計可靠度和精度。