EPANET軟件在噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王利紅，袁新明，侯 苗，張小林

(1.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；2.溧陽市水利局，江蘇 溧陽 213300)

0 引 言

噴灌主要是通過管網(wǎng)將灌溉水運(yùn)送并分配到田間，經(jīng)噴頭噴射到空中后形成霧狀水，均勻地灑落在農(nóng)田上，以供農(nóng)作物吸收。噴灌系統(tǒng)具有高效、節(jié)水、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的管道灌溉方式，在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用越來越多。噴灌系統(tǒng)中的管道水力計(jì)算是噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要計(jì)算各級管道的水頭損失，以此來進(jìn)行水泵選型和泵站設(shè)計(jì)。目前較常用的方法是基于GB50085-2007《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[1]中的計(jì)算公式進(jìn)行人工計(jì)算，而人工計(jì)算效率低，且易于出錯(cuò)。

EPANET軟件是一款由美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)開發(fā)的用于管網(wǎng)分析的軟件，可進(jìn)行有壓管網(wǎng)的水力和水質(zhì)特性模擬計(jì)算，具有管網(wǎng)分析、管網(wǎng)平差、運(yùn)行模擬、信息管理等功能。EPANET具有強(qiáng)大的水力計(jì)算模塊功能和易于操作的圖形界面，目前該軟件主要用于供水管網(wǎng)、消防系統(tǒng)等方面，在噴灌系統(tǒng)水力計(jì)算中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。筆者運(yùn)用EPANET軟件的管網(wǎng)分析和管網(wǎng)平差功能進(jìn)行實(shí)例校核，探討了EPANET在噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 計(jì)算方法

1.1 沿程水頭損失計(jì)算

EPANET中提供Hazen-William公式、Darcy-Weisbach公式、Chezy-Manning公式三種管道沿程水頭損失公式，其中Hazen-William公式適于較光滑的圓管滿管紊流計(jì)算，對于給水管道水力計(jì)算計(jì)算精度較高，公式為：

(1)

式中：q為流量，m3/s；l為管道長度，m；Cw為Hazen-William系數(shù)(無量綱)；D為管徑，m。

1.2 局部水頭損失計(jì)算

局部水頭損失用下式計(jì)算：

(2)

式中：hm為局部水頭損失，m；v為流速，m/s；ζ為局部阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

在EPANET中通過賦給管道或組件一個(gè)局部水頭損失系數(shù)來考慮。

1.3 流量計(jì)算

在EPANET中無專門的噴頭組件可用，但其中的擴(kuò)散器可用于模擬噴嘴系統(tǒng)。擴(kuò)散器是與連接節(jié)點(diǎn)相關(guān)的設(shè)備，通過噴嘴或者控制模擬流量排向大氣[2]。通過擴(kuò)散器的流量是節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的函數(shù)：

q=Cpγ

(3)

式中：q為流量，L/s；C為流量系數(shù)；p為噴嘴處水頭，m；γ為壓強(qiáng)指數(shù)。

對于噴嘴，γ采用0.5。

由廠家提供流量系數(shù)的數(shù)值[2]。

1.4 模型的建立

先將AutoCAD管網(wǎng)圖輸出為文本文件，再將文本文件轉(zhuǎn)換為EPANET輸入文件，將其導(dǎo)入EPANET中。為方便設(shè)置管段、節(jié)點(diǎn)的屬性，可將EPANET的管網(wǎng)導(dǎo)出為文本文件。對于節(jié)點(diǎn)較多，管網(wǎng)復(fù)雜的情況，管網(wǎng)基本信息的輸入，不僅工作量大，而且容易出錯(cuò)，EPANET的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能解決了這個(gè)問題并提高了繪圖效率。

1.5 控制點(diǎn)的確定

管網(wǎng)水力分析有兩個(gè)前提條件，一是已知參與水力分析的管段的水力特性，二是管網(wǎng)中必須至少有一個(gè)定壓節(jié)點(diǎn)，滿足這兩個(gè)條件才能使恒定流方程組可解。在泵站未設(shè)計(jì)之前，泵站的水力特性是未知的，泵站水力特性是其所在管段水力特性的一部分，所以其管段的水力特性也是未知的。為了進(jìn)行水力分析，可以暫時(shí)將該管段刪除，暫時(shí)不計(jì)算與之相關(guān)的管段能量方程[3]。對于設(shè)計(jì)工況水力分析而言，由于泵站所在管段暫時(shí)刪除，使水庫與管網(wǎng)分離，所以管網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)水頭均未確定。為了解決這一問題，可以假設(shè)一個(gè)壓力控制點(diǎn)，設(shè)定管網(wǎng)供水壓力條件。由此引入兩個(gè)概念：①節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭----節(jié)點(diǎn)地面高程加上節(jié)點(diǎn)所連接用戶的最低供水壓力。②控制點(diǎn)----給水管網(wǎng)中用水壓力最難滿足的節(jié)點(diǎn)。先任意假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)為控制點(diǎn)，令其節(jié)點(diǎn)水頭等于服務(wù)水頭，使之成為定壓節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行水力分析，輸出各節(jié)點(diǎn)自由水壓，通過節(jié)點(diǎn)自由水壓比較，找到用水壓力最難滿足的節(jié)點(diǎn)----真正的控制點(diǎn)。在滿足控制點(diǎn)的服務(wù)水頭情況下，管網(wǎng)入口壓力加泵站內(nèi)部水頭損失即為泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

2 實(shí)例分析

2.1 區(qū)域概況

圖1 項(xiàng)目區(qū)管道布置圖(單位：m)Fig.1 Pipeline layout of the project area

2.2 輸入管網(wǎng)信息

以AutoCAD繪制的管網(wǎng)圖為基礎(chǔ)，建立EPANET管網(wǎng)模型，流量單位選擇LPS(升每秒)，管道水頭水頭損失按Hazen-William公式計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中給出的管材的粗糙系數(shù)：鍍鋅鐵管Cw=120，塑料管Cw=140～150。本例中豎管Hazen-William系數(shù)Cw取120，其他管道Cw取140。γ采用文獻(xiàn)[2]中推薦值取0.5。本例中噴頭廠家未提供流量系數(shù)的數(shù)值，故將噴頭設(shè)計(jì)流量0.22 L/s，工作壓力20 m，γ=0.5，帶入公式(3)計(jì)算得到流量系數(shù)C=0.049 1。已知泵站進(jìn)水池節(jié)點(diǎn)水頭為29 m，管網(wǎng)要求最低供水壓力為20 m(噴頭的工作壓力要求)。各節(jié)點(diǎn)高程在地形圖上讀取，選取最不利工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算輪灌組的管網(wǎng)如圖2所示，主要管段參數(shù)見表1。

圖2 計(jì)算輪灌組的管網(wǎng)圖Fig.2 The network diagram of wheel irrigation group

2.3 水泵選型

根據(jù)輪灌制度，確定同時(shí)工作的噴頭數(shù)，按噴頭的設(shè)計(jì)流量，粗略確定水泵的設(shè)計(jì)流量。本工程，同時(shí)工作的噴頭數(shù)為93個(gè)，每個(gè)噴頭的設(shè)計(jì)流量為0.21 L/s，則水泵的設(shè)計(jì)流量初定為19.5 L/s。管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)如表2、表3所示。

將泵站所在管段刪除，并將泵站的設(shè)計(jì)流量合并到節(jié)點(diǎn)1中，設(shè)定其需水量為19.5 L/s，在任意節(jié)點(diǎn)添加一水庫，設(shè)置水庫的總水頭等于節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭，可設(shè)置連接水庫的管段長度和直徑為任意值。運(yùn)行程序，確定灌溉最遠(yuǎn)區(qū)域(分干管11下支管1～13工作時(shí))最不利配水點(diǎn)為支管13上最高點(diǎn)，滿足該點(diǎn)服務(wù)水頭時(shí)，管道入口壓力為57 m；灌溉最高區(qū)域(分干管13下支管1～12工作時(shí))最不利配水點(diǎn)為支管12上最高點(diǎn)，滿足該點(diǎn)服務(wù)水頭時(shí)，管道入口壓力為66 m。考慮管道損失，根據(jù)管道入口計(jì)算流量19.5 L/s，入口壓力66 m，選用SG100-90-70型離心泵一臺，流量25 L/s，揚(yáng)程70 m。

表1 管段信息表

表2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

表3 管網(wǎng)設(shè)計(jì)分支管數(shù)據(jù)

注：表中支管上的節(jié)點(diǎn)僅列出支管上最高處噴頭位置，軟件計(jì)算中考慮所有噴頭的節(jié)點(diǎn)參數(shù)。

2.4 結(jié)果對比與分析

確定泵站性能參數(shù)后，執(zhí)行分析，輸出管網(wǎng)平差結(jié)果。每個(gè)計(jì)算區(qū)域選取兩根典型支管，列出噴頭工作流量和壓力見表4。從表4中可以看出：噴頭的流量和壓力并不是均勻的，主要是因?yàn)榈匦魏臀恢貌町悾词怪Ч苌蠂婎^數(shù)相同，各個(gè)支管的工作壓力和流量也是不同的。為找出流量壓力不均勻?qū)λτ?jì)算的影響，沿程水頭損失公式仍選公式(1)，取典型支管作為代表進(jìn)行水頭損失計(jì)算，按噴頭平均流量進(jìn)行人工計(jì)算。從表4得出：分干管11下典型支管上噴頭平均流量為0.28 L/s；分干管13下典型支管上噴頭平均流量為0.25 L/s。軟件平差結(jié)果與手算結(jié)果對比見表5。

從表5中可以看出：按平均噴頭流量計(jì)算的管道流量比軟件平差結(jié)果偏小，相對偏差最大超過18%。手算的水頭損失和軟件平差結(jié)果偏差較大，手算的干管損失比軟件平差結(jié)果偏小，而分干管和支管的水頭損失比軟件平差結(jié)果偏大。根據(jù)公式(1)可知，水頭損失隨著流量的減小而減小，輪灌組工作時(shí)干管水流只有一個(gè)出口，所以干管流量是均勻的，手算的流量偏小，對于干管手算和軟件計(jì)算的偏差主要是流量偏小的影響。手算的分干管和支管水頭損失比軟件平差結(jié)果偏大，主要是因?yàn)楦鱾€(gè)位置流量壓力不均勻的影響。分干管、干管手算的流量偏小會導(dǎo)致水頭損失偏小，但手算的水頭損失卻偏大，可見流量壓力分布不均勻?qū)λ^損失的有一定的影響。最高區(qū)域工作時(shí)，水頭損失相對偏差較大，最大接近32%，從管道布置圖中可知，最高區(qū)域較最遠(yuǎn)區(qū)域地形起伏更大，支管上噴頭分布也更不均勻?？梢?，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力流量分布越不均勻，按噴頭平均流量計(jì)算流量和水頭損失偏差越大。

表4 噴頭工作情況

注：支管上噴頭按水流流動(dòng)方向從1開始編號。

表5 軟件平差與手算結(jié)果對比

軟件計(jì)算的水泵損失較小，僅考慮了局部水頭損失，泵站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水泵吸水管路的沿程損失之和以及水源至干管入口所有局部水頭損失之和。一般泵站總水頭損失取5 m，本工程水泵吸水管道穿堤而過，長度較長，損失較大，考慮實(shí)際情況總水頭損失取6.5 m比較合理。將水泵揚(yáng)程降低5 m，按設(shè)計(jì)流量25 L/s，揚(yáng)程65 m進(jìn)行修正，修正結(jié)果對比見表6。從表6可得修正后水泵運(yùn)行工況點(diǎn)更貼近設(shè)計(jì)工況，軟件計(jì)算的水頭損失與手算結(jié)果偏差減小，噴頭壓力峰值降低，壓力更加均勻。

表6 水泵揚(yáng)程修正結(jié)果對比

3 結(jié) 論

(1)EPANET具有較強(qiáng)的有壓管道水力計(jì)算功能，利用其擴(kuò)散器組件可實(shí)現(xiàn)噴灌系統(tǒng)的水力模擬。

(2)在EPANET中，管道水頭損失計(jì)算公式選用Hazen-William公式是可行的。EPANET軟件可以反復(fù)試算，確定每一處的流量及壓力，EPANET模擬的噴頭壓力和流量是不均勻的，比較符合實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)情況。

(3)EPANET考慮的水泵損失偏小，實(shí)際應(yīng)用中可對泵站揚(yáng)程進(jìn)行修正，增加一定的安全度。

(4)采用EPANET軟件對噴灌系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算或校核是可行的，易于操作，可為發(fā)展管道灌溉技術(shù)及同類工程提供一定的參考。

□