低壓管道輸水灌溉技術(shù)灌水均勻性問(wèn)題及對(duì)策

蔣曉紅， 龔志浩

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

“十三五”期間全國(guó)計(jì)劃新增高效節(jié)水灌溉面積666.67 萬(wàn)hm2[1]。低壓管道輸水灌溉(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(duì)較小，運(yùn)行能耗相對(duì)較低，用水管理相對(duì)方便，尤其適合向大田作物推廣，也是符合我國(guó)國(guó)情的一種選擇。

目前，低壓管灌工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常采用經(jīng)濟(jì)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(yáng)程。設(shè)計(jì)結(jié)果未經(jīng)校核，導(dǎo)致管徑偏小，水泵揚(yáng)程偏高，實(shí)際運(yùn)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(wú)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(guó)內(nèi)外對(duì)噴灌和微灌的灌水均勻性研究較多[2-5]，但針對(duì)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(jìn)，低壓管灌系統(tǒng)灌水均勻性問(wèn)題已成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。本文針對(duì)該問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決對(duì)策。

1 問(wèn)題分析

低壓管灌工程灌水不均勻的原因主要是以下幾個(gè)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(dāng)設(shè)計(jì)流量一定時(shí)，導(dǎo)致水頭損失增大的原因：一是管徑過(guò)小，二是管長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)。有時(shí)受水源和地形所限制，配水管長(zhǎng)度難以縮小，此時(shí)對(duì)管道水頭損失起決定性作用的因素則是管徑?？紤]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(jì)過(guò)程中，按規(guī)范[6]要求，配水管最小管徑根據(jù)“首末2個(gè)灌水器工作水頭差不大于設(shè)計(jì)工作水頭的20%”的原則來(lái)確定。而在低壓管灌工程設(shè)計(jì)過(guò)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(jiàn)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(jì)時(shí)，可以根據(jù)工程對(duì)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(duì)應(yīng)的水頭差以確定配水管管徑。值得一提的是，設(shè)計(jì)中往往按等距等流量多孔出流對(duì)配水管水頭損失進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。一般在噴、微灌工程設(shè)計(jì)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(jì)算管道水頭損失誤差較小，而在低壓管灌工程設(shè)計(jì)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(duì)水頭損失進(jìn)行分段校核。

(2)放水口設(shè)計(jì)工作水頭不合理。放水口的設(shè)計(jì)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(shì)能和出流的動(dòng)能。當(dāng)管網(wǎng)布置形式確定后，則勢(shì)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(jì)中有的取值高達(dá)2.0～3.0 m，一方面造成能量浪費(fèi)，另一方面造成田塊沖刷。

(3)放水口實(shí)際出流量與其設(shè)計(jì)流量不匹配。放水口管徑一般根據(jù)設(shè)計(jì)流量按小孔出流公式計(jì)算確定。而實(shí)際運(yùn)行中，由于配水管首端的工作壓力較大，首端的放水口實(shí)際出流量大于設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)工作水頭，m。

對(duì)于自由出流[8]：

(2)

對(duì)于淹沒(méi)出流[8]：

(3)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；L為放水管的長(zhǎng)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(lái)就包含d，式(1)在實(shí)際計(jì)算起來(lái)極為不便。實(shí)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(jì)方法

為了解決上述問(wèn)題，需對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)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(jì)灌水定額、一次灌水延續(xù)時(shí)間、管道工作制度及系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)工作的放水口個(gè)數(shù)，確定放水口設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的工作水頭差，初選配水管管徑。

(5)第5步。利用經(jīng)濟(jì)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(jì)算校核，逐段計(jì)算配水管水頭損失，推算各個(gè)放水口實(shí)際的工作水頭和流量。推算方法如下。

根據(jù)配水管進(jìn)口的能量方程：

(4)

則第t個(gè)放水口的實(shí)際工作水頭為：

(5)

第t個(gè)放水口的實(shí)際出流量為：

(6)

式中：Hd為配水管進(jìn)口水頭，m；Hp為水泵揚(yáng)程，m；ΔH為水源與田面的高差，m；Hin為水泵進(jìn)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(hào)；hwi為第i個(gè)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?dāng)嗝婷娣e，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(jìn)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(jìn)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(jìn)口設(shè)計(jì)流量，m3/s；ε為允許的計(jì)算誤差。

(8)第8步。以同一根配水管上放水口實(shí)際出流量之和作為該配水管進(jìn)口流量，重新確定水泵工況點(diǎn)，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(jì)算，否則，轉(zhuǎn)第2步，重新選擇水泵，重復(fù)以上步驟。

上述過(guò)程適宜編程實(shí)現(xiàn)，流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)方法流程

3 應(yīng)用實(shí)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(chǎng)，面積26.7 hm2，呈長(zhǎng)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(jí)。總干管長(zhǎng)20 m，南北向布置輸水到灌區(qū)，垂直總干管布置2條長(zhǎng)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(zhǎng)900 m。支管雙側(cè)配水，放水口間距50 m，共108個(gè)放水口，各控制一塊50 m×50 m格田。系統(tǒng)布置見(jiàn)圖2。

作物為稻麥輪作，設(shè)計(jì)灌水定額按水稻泡田定額確定，取150 mm，按照農(nóng)場(chǎng)用水習(xí)慣，泡田期取2 d，系統(tǒng)實(shí)施續(xù)灌。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

常規(guī)方法的設(shè)計(jì)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(chēng)壓力均為0.4 MPa。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量1 080 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程6.5 m，選用1臺(tái)16HBC-40混流泵，該泵額定流量1 080 m3/h，額定揚(yáng)程7.8 m，轉(zhuǎn)速730 r/min，配套30 kW電機(jī)。單個(gè)放水口設(shè)計(jì)流量為8.9 m3/h。

根據(jù)該設(shè)計(jì)結(jié)果，校核水泵運(yùn)行工況及各放水口實(shí)際出流情況，見(jiàn)表2。

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

注：①支管3與支管1對(duì)稱(chēng)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(duì)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(chēng)壓力均為0.4 MPa。水泵調(diào)整為1臺(tái)350ZLB-100軸流泵，該泵額定流量1 224 m3/h，額定揚(yáng)程4.5 m，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，配套22 kW電機(jī)。水泵運(yùn)行工況及各放水口實(shí)際出流情況見(jiàn)表3，各支管放水口出流量沿程變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

表3 校核調(diào)整后放水口實(shí)際出流情況

注：①支管3與支管1對(duì)稱(chēng)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(gè)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(yùn)行工況為流量1 150 m3/h，揚(yáng)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(shí)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(shí)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(shì)

4 結(jié) 語(yǔ)

黃海農(nóng)場(chǎng)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(zhǎng)。采用常規(guī)設(shè)計(jì)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(guò)在放水口處設(shè)置閥門(mén)和水表進(jìn)行調(diào)壓控流，改善灌水均勻性，但是人為調(diào)壓耗時(shí)、費(fèi)力、精度低，而且可能出現(xiàn)閥門(mén)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(mén)和水表的情況下，可以保證每個(gè)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(shí)通過(guò)對(duì)水泵和放水口運(yùn)行工況的校核，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度和可靠度。

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