井灌區(qū)枝狀和環(huán)狀管網(wǎng)灌溉模式經(jīng)濟(jì)優(yōu)選

金　麗，石偉南，薛　雁

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水利外資項(xiàng)目服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014）

井灌區(qū)枝狀和環(huán)狀管網(wǎng)灌溉模式經(jīng)濟(jì)優(yōu)選

金麗1，石偉南2，薛雁1

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水利外資項(xiàng)目服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014）

從管網(wǎng)的優(yōu)化布置出發(fā)，分析了環(huán)狀管網(wǎng)和枝狀管網(wǎng)特點(diǎn)，對(duì)其運(yùn)行工況進(jìn)行了比較，并以典型的管網(wǎng)布置形式為例，從投資費(fèi)用分析出發(fā)，對(duì)環(huán)狀與枝狀管網(wǎng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)優(yōu)選分析。

管網(wǎng)；投資費(fèi)用；優(yōu)選；水力計(jì)算

1　枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)的特點(diǎn)

枝狀管網(wǎng)形如樹枝狀，只有一個(gè)水源，由一條管道供水。即輸送至某一管段的灌溉水只能由一個(gè)方向供給，每個(gè)給水栓的水只能來自一個(gè)方向。主干來水，如枝條伸向各個(gè)給水栓，因此，管網(wǎng)每一段的輸轉(zhuǎn)流量只有一個(gè)數(shù)值。與枝狀管網(wǎng)不同的是，環(huán)狀管網(wǎng)如同一個(gè)封閉的環(huán)，由一個(gè)封閉成環(huán)的管道組成，可由兩個(gè)或多個(gè)方向供水，輸送到某管段的水同時(shí)可由一條或幾條管道供給。灌溉水由幾條管道輸送到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而每條管道達(dá)到該節(jié)點(diǎn)的水量完全可以任意分配。

2　枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)運(yùn)行工況比較

由于環(huán)狀管網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少可由2個(gè)或多個(gè)方向提供流量，因此，在環(huán)狀管網(wǎng)中的任意一點(diǎn)發(fā)生斷裂而切斷所在管段流量時(shí)，由于管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的瞬間壓力不同，會(huì)重新分配各個(gè)管段中的流量和流動(dòng)方向，以便保證各節(jié)點(diǎn)的流量供應(yīng)。因此，環(huán)狀管網(wǎng)從安全供水的角度看可靠性較高。而枝狀管網(wǎng)中的某點(diǎn)若斷開，將會(huì)影響局部的正常灌溉。特別是如果枝狀管網(wǎng)中發(fā)生事故的管道是干管，則影響范圍會(huì)更大。

其次，環(huán)狀管網(wǎng)內(nèi)壓力相對(duì)趨于均衡，各節(jié)點(diǎn)壓力受源點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間多條輸水管路影響，使節(jié)點(diǎn)間的壓差縮小，提高了節(jié)點(diǎn)間壓力分布的均勻程度。當(dāng)其發(fā)生水錘時(shí)，水錘峰值明顯低于樹狀管網(wǎng)的水錘峰值，起到了保護(hù)管網(wǎng)的作用。因此對(duì)于管網(wǎng)來說，較均衡的節(jié)點(diǎn)壓力意味著更穩(wěn)定的運(yùn)行工況、更安全的供水和對(duì)下一級(jí)管網(wǎng)設(shè)備更好的保護(hù)。因此，從管網(wǎng)運(yùn)行工況的角度來說，環(huán)狀管網(wǎng)方案優(yōu)于枝狀管網(wǎng)方案。

3　枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)投資分析

若對(duì)2種管網(wǎng)固定管道系統(tǒng)進(jìn)行投資經(jīng)濟(jì)比較，就需分析兩種系統(tǒng)的投資與效益狀況，假定相同地塊，合理灌溉條件下農(nóng)作物種植效益是一定的，因此經(jīng)濟(jì)比較只需對(duì)管道系統(tǒng)投資進(jìn)行比較。管道輸水灌溉投資包括管道系統(tǒng)基建投資和管網(wǎng)運(yùn)行、管理費(fèi)。對(duì)于不同布置型式的管網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)流量一定時(shí)，如允許的管網(wǎng)水頭損失不變，即可分析出在相同的運(yùn)行費(fèi)用條件下，僅由于管道布置型式不同而引起的造價(jià)差異。由于管網(wǎng)布置型式不同，所需管道長(zhǎng)度、直徑及管道附件數(shù)量亦不同，埋管土方量也不同，但他們的費(fèi)用相對(duì)較小，所以這里僅比較不同布置型式固定管道的投資。而影響投資的主要是管徑和管道長(zhǎng)度。

在井灌區(qū)低壓管灌系統(tǒng)中，三條支管的枝狀管網(wǎng)與“曰”字形環(huán)狀管網(wǎng)是常見的布置型式，如圖1、圖2示。在此對(duì)稱單一出水口條件下枝狀管網(wǎng)與雙環(huán)管網(wǎng)兩種布置型式的管道投資進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。

在假定單給水栓出流、選擇單一管材管徑的基礎(chǔ)上，由圖1、圖2知，設(shè)管路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為B，單環(huán)或單枝寬度為0.5B，設(shè)a=B/L，表示管網(wǎng)系統(tǒng)的長(zhǎng)寬比。考慮現(xiàn)狀井灌區(qū)的實(shí)際設(shè)計(jì)及施工要求，均采用同一直徑PVC管。假定采用相同型號(hào)的水泵，水泵提供給不同布置管網(wǎng)系統(tǒng)管路的水頭損失相同，兩種管網(wǎng)水力計(jì)算如下：

3.1枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算

如圖1所示，假定以枝狀管網(wǎng)最不利的點(diǎn)III為控制點(diǎn)，由農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范（GB/T20203-2006）知，總水頭損失計(jì)算公式為：

圖1三條支管的枝狀管網(wǎng)示意圖

圖2“曰”字形環(huán)狀管網(wǎng)示意圖

式中：H為水頭損失，m；K為沿程阻力系數(shù)；Q為機(jī)井出水量，m3/h；m為流量指數(shù)；n為管徑指數(shù)。則枝狀管網(wǎng)系統(tǒng)管道直徑計(jì)算公式為：

當(dāng)a給定后，即可應(yīng)用求解管網(wǎng)的直徑。

3.2“曰”字形雙環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算

如圖2所示，“曰”字形雙環(huán)狀管網(wǎng)出水口位于三條支管中的某一條支管上。為了與枝狀管網(wǎng)對(duì)比需要，假設(shè)位于支3上的III點(diǎn)由“管段1”、“管段2”、“管段3”、“管段4”共4個(gè)管段3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。若以3條管段中的流量為未知量，則3個(gè)節(jié)點(diǎn)流量平衡方程為：

對(duì)“曰”字形雙環(huán)狀管網(wǎng)的兩個(gè)環(huán)，根據(jù)式（1），分別列出其能量方程（環(huán)方程），設(shè)式中的B 為B/L，L取1，且可同時(shí)除以KL/Dn，得到：

將a=B/L代入（6）、（7）式，同時(shí)（3）、（4）、（5）、（6）、（7）式同除以Qm得到方程組：

式中RHi=QHi/Q，為各管段i的流量分配系數(shù)。當(dāng)a給定后，即可應(yīng)用以上方程組求解管網(wǎng)各管段的流量。在求解時(shí)，解析法求解較為復(fù)雜，可以將方程組中的非線性方程線性化，然后用迭代法逐步逼近其數(shù)值解。本研究采用matlab求解。取m=1.77，上述方程組求解結(jié)果見表1。

表1“曰”字形雙環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果

為與枝狀管網(wǎng)進(jìn)行比較，同樣以圖2所示點(diǎn)III為控制點(diǎn)，同理得“曰”字形雙環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)管道直徑為：

3.3“曰”字形雙環(huán)狀與枝狀管網(wǎng)投資經(jīng)濟(jì)比較

1）固定管道投資經(jīng)濟(jì)比較。固定管道投資跟管徑D及管長(zhǎng)L有關(guān)。通過調(diào)研統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行相關(guān)分析得到，通常情況下，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13664-2006）的PVC管道單價(jià)P與管徑D的關(guān)系可用冪函數(shù)式表示，見圖3示。

設(shè)r為管道的造價(jià)指數(shù)，則PVC管道單價(jià)P與管徑D的關(guān)系為：

圖3PVC-U低壓灌溉用管單價(jià)（1m）與管徑D統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖

由圖3知：r=1.96。假設(shè)管道總長(zhǎng)為l，則固定管道投資為：P＝PL=λDrL，根據(jù)前文管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果，則“曰”字形環(huán)狀網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)固定管道投資比為：

當(dāng)r=1.96，m=1.77，n=4.77，a取(0，1）區(qū)間中不同的值時(shí)，計(jì)算PH/PZ值列于表2。由表2可知，在一定條件下，“曰”字形雙環(huán)管網(wǎng)比相應(yīng)的枝狀管網(wǎng)管道節(jié)省投資。

2）管網(wǎng)年運(yùn)行管理費(fèi)用經(jīng)濟(jì)比較。根據(jù)相關(guān)研究及實(shí)際工程實(shí)踐，在管材管網(wǎng)布置型式和管網(wǎng)流量一定的條件下，年費(fèi)用僅隨管徑變化而變化，因此使費(fèi)用達(dá)到最小的管徑即為最優(yōu)管徑?！霸弧弊中苇h(huán)狀管網(wǎng)比相應(yīng)的枝狀管網(wǎng)管道年運(yùn)行管理費(fèi)用要稍經(jīng)濟(jì)。但年運(yùn)行管理費(fèi)用因素較多，社會(huì)、人為主觀因素影響較多，總體來說，管網(wǎng)年運(yùn)行管理費(fèi)用環(huán)狀管網(wǎng)與相應(yīng)的枝狀管網(wǎng)區(qū)別不大，因此這部分本研究暫不考慮。

表2環(huán)狀網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)固定管道投資比

4　研究結(jié)論

研究結(jié)果表明，環(huán)狀管網(wǎng)從安全供水角度看可靠性較枝狀管網(wǎng)高。從運(yùn)行工況來說，環(huán)狀管網(wǎng)方案優(yōu)于枝狀管網(wǎng)方案；通過對(duì)“曰”字形雙環(huán)狀與枝狀管網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)選分析，結(jié)果顯示對(duì)井灌區(qū)常采用的單一出水口的輪灌模式下，一般“曰”字形雙環(huán)狀管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)優(yōu)于枝狀管網(wǎng)。

課題名稱：山東省淮河流域平原洼地排灌區(qū)運(yùn)行與管理模式研究（編號(hào)：sd-zx-06）。

（責(zé)任編輯遲明春）

S 274

B

1009-6159（2015）-12-0024-03

金麗（1963—），女，研究員