鴻業市政管線軟件在滴灌工程設計中的應用

李建國，賈冬梅，田浩業，車洪軍

（1.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300171；2.天津市排水管理事務中心第七排水管理所，天津 300400；3.華北水利水電工程集團有限公司，天津 300171）

滴灌是近年發展起來的一項高效節水灌溉技術，其利用塑料管道將水通過直徑約10 mm 毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉，是干旱缺水地區最有效的一種節水灌溉方式，可將水的利用率提高到95%。滴灌系統主要由首部樞紐、管路和滴頭3個部分組成，其中首部樞紐包括水泵（及動力機）、施肥罐、過濾器、控制與測量儀表等，其作用是抽水、施肥、過濾，以一定的壓力將一定數量的水送入干管；管路系統包括干管、支管、毛管以及必要的調節設備（如壓力表、閘閥、流量調節器等），其作用是將加壓水均勻地輸送到滴頭；滴頭的作用是使水流經過微小的孔道，形成能量損失，減小其壓力，使其以點滴的方式滴入土壤中。

在整個滴灌設計中管網水力計算是重要的一環。通過管網水力計算確定水源點壓力，進而確定水泵的選型。目前，市面上專門用于滴灌設計的商業軟件并不多見，在進行滴灌設計時，多數技術人員主要還是依據《微灌工程技術標準》（GB/T50485-2020）從末級滴頭工作水頭計算起來，逐級匯總計算毛管、支管、干管端部壓力，在滴灌設計中為避免流量過于集中，在制定灌溉制度時需設置輪灌組。在確定水源點壓力時，需以不同輪灌組為對象進行控制計算，并以最大的水源點壓力作為選泵的依據。因此，往往需要經過多次重復計算才能得到最后的結論，此時如能使用軟件進行計算，則可大幅提高工作效率。

1 研究方法

鴻業市政管線軟件是鴻業科技開發的建筑類系列CAD 軟件產品之一，是國內最早研制并推出的專業市政管線類軟件，目前主要用于給水管網平差、雨水計算、污水計算等，計算數據可自動從圖面上提取，把設計人員的計算工作量降至最低[1]。與給水管網計算不同的是，滴灌工程中的輪灌組設計要求每次僅開啟一個或幾個輪灌組，而給水管網則要求所有管道同時開啟，因此在滴灌管網建模時僅需將同時開啟的輪灌組作為模型即可，兩者在反算水源點壓力上程序是一致的，區別僅在于控制運行方式有所不同，這便為鴻業市政管線軟件在滴灌設計中進行應用提供了可能。值得注意的是，在布置管線時通常做到支管一級，根據《微灌工程技術標準》（GB/T50485-2020），滴頭正常工作通常應滿足不低于10 m 水頭，支管末端最低控制水頭通常需要根據毛管控制段長度并結合相關經驗進行判斷，出于安全性考慮，通常要求支管末端控制點水頭應不低于15 m。另外，管徑的確定也是一個關鍵問題。管徑選得太大，一定程度上會降低管道水頭損失，從而降低水泵揚程，但相應會增加工程投資；管徑選得太小，盡管能較大程度地降低管網投資，但相同過流條件下，由于管道流速增大，勢必會增加水泵揚程，同樣會增加后期運行成本[2-4]。為了使投資和運行費用更合理化，《建筑給水排水設計標準》（GB50019-2019）規定了不同管徑下的合理給水流速，這一流速通常被稱為經濟流速。

2 實例分析

2.1 工程概況

某高標準農田地處華北平原，地塊面積約26.67 hm2，主要種植作物為果樹，種植走向為南北向。由于當地屬典型的缺水地區，為提高農業用水效率，擬投資建設高效節水灌溉工程，考慮種植作物為果樹，灌溉方式擬采用滴灌，灌溉水源選用當地水源井。

2.2 控制性輪灌組的確定

根據滴灌系統規劃，本片區共規劃8 個灌水小區，每個灌水小區控制灌溉面積約為3.33 hm2，為滿足作物正常灌水周期需求，計劃每個灌水小區作為一個輪灌組。控制性輪灌組的確定一般考慮2個方面因素：①距離水源點最遠的輪灌組，由于管線較長，引起沿程水頭損失增大；②地面高程較高的輪灌組，其高程越高，就需要更高的水頭來滿足滴頭壓力[5]。由于本片區地勢平坦，故可按平坡設計，在確定控制性輪灌組時，主要考慮距水源點最遠的輪灌組作為控制性輪灌組，如圖1所示。

圖1 控制性輪灌組布置

2.3 管網平差計算

2.3.1 管網計算模型構建

在確定控制性輪灌組后，下一步需進行管線布置，本工程中干管為水源點至輪灌組沿線主管，分干管垂直干管布置，支管垂直分干管布置，毛管垂直支管布置，干管、分干管均采用地埋敷設，埋深根據當地凍土層厚度確定，支管、毛管布置于地表。在完成管線布置后，導入鴻業市政管線軟件生成管網計算模型，利用軟件完成各節點編號，結果如圖2所示。

圖2 管網計算模型

2.3.2 水源點壓力反算

在鴻業市政管線軟件中，需定義各節點流量，本項目中管網模型計算到支管一級，支管節點流量根據該支管控制灌溉流量確定。模型中定義節點1為水源點，則節點1流量即為管網系統總流量，為避免水源點流量重復計算，在軟件中僅賦予外部節點（如BQ7）流量值，而內部節點（如BQ6）流量值則賦為0。為確保控制性輪灌組內所有節點均能正常灌溉，需對模型中最低控制水頭進行賦值，本項目按最低水頭15 m 控制。另外，管徑采用經濟流速法確定，經計算，干管計算管徑為350～315 mm，分干管計算管徑為200 mm，支管計算管徑為90 mm，模型計算結果詳見表1—2。

表1 管道參數計算結果

2.4 結果分析

根據模型計算結果，水源點計算流量為111.041 L/s，水源點計算壓力為29.637 m，管道計算流速相對合理，基本位于經濟流速范圍，計算流量、水壓可用于水泵的選型。此外，通過鴻業市政管線軟件的節點編號及管線長度提取功能，借助Excel的SUMIF 及VLOOKUP 等函數可以較為便捷地獲得管道工程量，從而較大幅度提高設計工作效率[6]。

表2 節點參數計算結果

3 結語

筆者結合自身在供水管網設計中的實踐經驗，通過對比分析供水管網與滴灌工程設計的相同點和不同點，結合滴灌設計特性，首次將鴻業市政管線軟件用于滴灌工程設計，在管網平差計算中，通過軟件可以更加快捷地計算水源點壓力，避免了公式計算的重復進行，同時計算結果的準確性更佳。另外，鴻業市政管線軟件的節點編號及管線長度提供功能對于管網工程量的統計也更為便捷，有助于滴灌工程設計效率的提高。