蘇北稻區(qū)低壓管灌工程優(yōu)化設計中若干關鍵問題研究

王 剛 徐鵬飛 代 晴 王海波 張麗萍 牛平平

（1.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221002 2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223000 3.安徽華邦工程設計有限公司 淮北 235000）

1 問題的提出

由于江蘇省水資源時空分布極不均勻，北方水少地多，南方水多地少，蘇北有限的水資源嚴重制約著水稻事業(yè)的發(fā)展。因此，研究水稻節(jié)水灌溉技術，對保障區(qū)域糧食安全、緩解區(qū)域水資源供需矛盾和推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程和實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有十分重要的意義。

低壓管灌技術是目前公認的高效節(jié)水灌溉方式之一，其具有節(jié)水、節(jié)地、省工、輸水速度快、地形適應能力強、便于實現(xiàn)水肥一體化、自動化和智能化等優(yōu)點，目前在北方旱作物井灌區(qū)推廣應用面積較大，但對于具有灌溉面積大、灌水量多和灌水集中等特點的稻區(qū)低壓管灌優(yōu)化設計的研究較少。目前，在蘇北地區(qū)低壓管灌工程設計中對于管材選擇、管網(wǎng)布置形式、灌溉制度、最優(yōu)單站控制灌溉面積、管道經(jīng)濟流速、附屬設施的優(yōu)化布置等若干關鍵問題認識仍不夠深入。為充分發(fā)揮低壓管灌工程的技術優(yōu)勢，促進管灌技術在水稻節(jié)水灌溉中更好地推廣應用，有必要對稻區(qū)低壓管灌工程優(yōu)化設計中的若干問題開展系統(tǒng)的研究。

2 低壓管灌系統(tǒng)優(yōu)化設計關鍵問題研究

蘇北稻區(qū)低壓管灌系統(tǒng)組成包括：水源工程（泵站）、輸配水管網(wǎng)、田間灌水系統(tǒng)和附屬設施等，由此可見影響系統(tǒng)優(yōu)化設計的因素較多。在解決此問題時，首先應對影響系統(tǒng)設計的各個因素進行分析，找出主要因素，按照由主到次的順序逐步優(yōu)化。本文以泵站和灌溉管網(wǎng)相關設計規(guī)范為基礎，建立以年均畝成本最小為目標函數(shù)，采用分層優(yōu)化方法、并利用Matlab中的優(yōu)化工具箱進行優(yōu)化分析，逐步解決低壓管灌工程優(yōu)化設計若干關鍵問題。

2.1 目標函數(shù)的建立

本文建立以一定折舊年限內(nèi)年均畝成本最小的目標函數(shù)如下：

式中：Wmin為年均畝成本（元/畝·年）；C為系統(tǒng)總造價（元）；T為折舊年限（年）；M為年運行費用（元），包括工程維護費用、管理費用、固定資產(chǎn)保險、抽水電費和水資源費等；A為單站控制灌溉面積（畝）。

2.2 管材優(yōu)化選擇

管道是水流輸送的載體，選擇應以經(jīng)濟合理、安全可靠、便于施工等為目標進行綜合確定。目前，可用于管灌工程的管材主要有：鋼筋混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、PVC-U管和PE管等，技術定性分析可知PE管和PVC-U管具有安裝、運輸、施工方便，投資省和水損小的明顯優(yōu)勢，目前在灌溉工程上得到了廣泛應用。相同管徑的PE管價格約為PVC-U管價格的1.5倍，本著工程造價最低的目標，管徑≤DN500管選用PVC-U管，管徑＞DN500選用球墨鑄鐵管，同時建議國家推進大口徑管材研發(fā)，供工程選擇使用。

2.3 管網(wǎng)布置形式及輪灌組優(yōu)化選擇

低壓管灌工程管網(wǎng)形式一般為樹狀和環(huán)狀管網(wǎng)，環(huán)狀管網(wǎng)造價明顯高于樹狀管網(wǎng)。輪灌組數(shù)越多，各支管所需管徑越大。因此就目標函數(shù)最低來講，設計推薦采用樹狀管網(wǎng)，輪灌組盡量少，本文建議2～3組為宜。

2.4 最優(yōu)控制灌溉面積的確定

蘇北地區(qū)稻區(qū)低壓管灌單站控制灌溉面積以多少為最優(yōu)，一直困擾著工程設計和管理人員，直接關系到工程投資和運行管理。為得到最優(yōu)單站控制灌溉面積，此次灌溉系統(tǒng)設計采用同一設計邊界條件，僅考慮單站控制灌溉面積變化對目標函數(shù)的影響，邊界條件如下：

（1）管網(wǎng)布置：低壓管灌管網(wǎng)一般在原渠系的基礎上進行改造升級，渠系一般以梳齒形和豐字形布局居多，本次以梳齒形布置形式進行管網(wǎng)布置。根據(jù)《高標準農(nóng)田建設標準》平原地區(qū)斗渠間距宜為400～800m；末級固定渠道（農(nóng)渠）長度宜為400～800m，間距宜為100～200m。此次模擬田塊長度取400m，寬度取100m，灌溉面積以60畝為基本單元遞增布置，管網(wǎng)布置示意如圖1所示。

表1 年運行費用計算方法及相關參數(shù)的選取表

圖1 田塊管網(wǎng)布置示意圖

圖2 面積與年均畝成本關系曲線圖

圖3 流速與年固定投資和運行費關系曲線圖

圖4 流速與年均畝成本關系曲線圖

（2）流量的確定和灌溉制度：灌溉流量計算采用《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范》（GB/T20203-2006）中的流量計算公式，灌水定額泡田期85m3/（5天·畝），灌溉水利用系數(shù)0.85，采用2個輪灌組。

（3）根據(jù)規(guī)范GB/T20203-2006，初估管道流速塑料管取1～1.5m/s。

（4）泵站土建、水機和電氣設計參照現(xiàn)行規(guī)范，電氣配置僅考慮變壓器（不含）以下部分。

（5）年運行費用：根據(jù)規(guī)范SL72-2013附錄C，折舊年限T=20年；年運行費用為表1中項目之和，各單項計算方法和依據(jù)如表1所示。

根據(jù)以上邊界條件，計算不同灌溉面積系統(tǒng)的固定資產(chǎn)投資、年運行費用和年均畝成本，并采用Matlab對單站面積和年均畝成本進行擬合，擬合曲線為4次多項式（y =1.926×10-09x4-4.414×10-06x3+0.003669x2-1.291x+344.8），關系曲線如圖2所示，采用優(yōu)化工具箱中的最優(yōu)化方法求得最優(yōu)控制灌溉面積為367.9畝，建議單站控制灌溉面積為300～400畝。

2.5 管道經(jīng)濟流速分析

為避免懸浮物在管道中沉積和防止管網(wǎng)因水錘造成破壞，供水管網(wǎng)流速范圍為0.6～3.0m/s，可見技術上允許的流速幅度較大。為確定適用于蘇北地區(qū)的塑料管道最優(yōu)流速，本文采用接近最優(yōu)控制面積的360畝田塊管網(wǎng)布置為基礎，僅改變管道平均流速。并將管道流速與年運行費用、年均固定投資和年均畝成本等計算成果的關系進行擬合，得到關系曲線如圖3和圖4所示。

由圖3可知流量相同時，流速越小，灌溉系統(tǒng)年固定投資越大；年運行費用隨著流速的逐步增大先減少后增加，這是由于流速增大，造成水頭損失增加，從而使經(jīng)常性抽水電費增加。管內(nèi)平均流速和年均畝成本關系曲線為4次多項式（y =16.11x4-135.1x3+419.9x2-561.7x+453.3），采用優(yōu)化工具箱中最優(yōu)化方法分析得最優(yōu)管內(nèi)流速為1.44m/s，對應年均畝成本最小值為181.0元/畝·年。本文管道流速建議取值1.2～1.5，并宜取大值。

2.6 附屬設施優(yōu)化布置

管道附屬設施包括出水口、安全保護裝置、分取水裝置和排水裝置。目前工程設計對附屬設施設計重視不夠，從而導致工程事故頻發(fā)。本文經(jīng)過長期實踐提供一些經(jīng)驗供設計者參考：（1）管灌工程灌水器主要為出水口，其選擇直接關系整個管網(wǎng)的灌水效率和使用安全。由于農(nóng)業(yè)機械化程度的提高，農(nóng)機極易對出水口造成破壞，因此宜選用具有地埋式和耐銹蝕的產(chǎn)品，同時應加強出水口的消能防沖設計；（2）干、支管入口應設置必要的閥門，若閥門數(shù)量過少，一旦發(fā)生事故，不但延誤搶修時間，浪費水源，供水無法保障，還會因水量外泄形成次生災害；（3）由于塑料管自身特性易產(chǎn)生爆管，水泵啟停設備宜選用變頻控制等軟啟動方式，管網(wǎng)應配備安全閥和足夠的自動進排氣閥，防止因水錘和氣錘造成破壞；（4）在輸水管線的最低點和管道末端應布置泄水閥，并設置排污井或接入河道，以便排除管內(nèi)沉淀物；冬季和檢修時放空管內(nèi)積水。

3 結語

本文通過分層優(yōu)化方法，對蘇北稻區(qū)低壓管灌工程優(yōu)化設計中若干關鍵問題進行了研究分析，有如下經(jīng)驗供類似工程借鑒：（1）設計推薦管徑＞DN500選用球墨鑄鐵管，管徑≤DN500管選用PVC-U管；（2）建議管網(wǎng)采用樹狀管網(wǎng)，輪灌組建議2～3組為宜；（3）最優(yōu)控制灌溉面積367畝左右，建議單站控制灌溉面積300～400畝為宜；（4）管道流速建議采用1.2～1.5m/s，宜取大值；（5）管道附屬設施是管網(wǎng)能否長久運行的關鍵，應加強合理布置和優(yōu)化設計，并制定明確安全的運行方案，確保工程安全、高效運行。目前稻區(qū)低壓管灌工程在徐州地區(qū)得到了大面積應用，取得了較好的效果，為蘇北稻區(qū)低壓管灌工程規(guī)劃設計提供了一些經(jīng)驗依據(jù)，也為國內(nèi)其他相似灌區(qū)設計提供了一定的經(jīng)驗借鑒■