通南高沙土區(qū)低壓管道灌區(qū) 控制面積優(yōu)化研究

姜國華， 單媛媛

(1.如皋市水利建筑安裝工程有限公司， 江蘇 南通 226500； 2.如皋經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)水利服務(wù)站， 江蘇 南通 226576)

通南高沙土區(qū)位于長江三角洲北緣，含泰州、南通、揚州市的8個縣(市)，耕地面積22.33萬hm2。近年來，該地區(qū)積極推進(jìn)以管道灌溉為主的高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)，實施了一大批管道灌溉工程。已建項目后評價表明，部分管道灌區(qū)一次性投資成本太大、耗電過高，對后期管道灌溉的大面積推廣造成一定影響。開展控制面積優(yōu)化研究，可降低工程建設(shè)成本和運行成本，更好地指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計工作[1-2]。

1 研究路線

以通南高沙土地區(qū)控制灌溉面積13.33 hm2、16.67 hm2、20 hm2為例，進(jìn)行管灌系統(tǒng)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行典型灌區(qū)裝置效率、管網(wǎng)工程單位面積投資、單位面積年耗電費用3項技術(shù)指標(biāo)計算與評價。

2 管灌系統(tǒng)設(shè)計

規(guī)劃區(qū)域為長方形，長寬比為2∶1。灌溉水源取自河道，取水泵站位于長方形區(qū)域的角點，設(shè)計凈揚程3.5 m。

結(jié)合如皋本地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，泡田期灌溉定額m取1 500 m3/hm2，灌水周期T取2 d，日工作時間t=15 h。根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 20203—2006)要求，取管道水利用系數(shù)η管=0.95，田間水利用系數(shù)η田=0.95[3-4]。

2.1 設(shè)計流量推求

根據(jù)設(shè)計灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天的灌水時間，按式(1)計算灌溉設(shè)計流量：

(1)

式中：Q0為管灌系統(tǒng)的灌溉設(shè)計流量，m3/h；αi為灌水高峰期第i種作物的種植比例，取1.0；mi為灌水高峰期第i種作物的設(shè)計灌水定額，項目區(qū)主要作物為稻麥輪作，mi按水稻泡田定額計，取1 500 m3/hm2；e為灌水高峰期的作物種類，取1.0；η=η管×η田=0.903；T為設(shè)計灌水周期，取T=2 d；t為每天灌水時間，取15 h；A為灌溉面積，hm2。

2.2 灌溉管網(wǎng)布置

管道系統(tǒng)按樹狀管網(wǎng)布置，采用地埋式干、支兩級固定管道，支管上布置全塑出水口出水。管材選用硬聚氯乙烯PVC-U管材。管徑采用經(jīng)濟(jì)流速法確定，計算公式如下：

(2)

式中：D為設(shè)計管徑，mm；Q為管道設(shè)計流量，m3/h；v為經(jīng)濟(jì)流速，塑料管中一般為1.0～1.5 m/s，取1.2 m/s。

經(jīng)過比選，選擇干、支管管徑。

干管：13.33 hm2的管灌區(qū)采用Φ450 mm、Φ280 mm兩種規(guī)格，16.67 hm2的管灌區(qū)采用Φ500 mm、Φ280 mm兩種規(guī)格，20 hm2的管灌區(qū)采用Φ560 mm、Φ315 mm兩種規(guī)格。

支管：全部采用Φ250 mm、Φ160 mm兩種規(guī)格。

2.3 管道系統(tǒng)設(shè)計工作水頭

(1)管道沿程水頭損失hf

管道沿程水頭損失hf計算式為

(3)

式中：hf為沿程水頭損失，m；f為管材摩阻系數(shù)，塑料管取f=0.948×105；Q為管道設(shè)計流量，m3/h；D為管內(nèi)徑，mm；m為流量指數(shù)，塑料管取m=1.77；b為管徑指數(shù)，塑料管取b=4.77；L為管道長度，m。

由于干、支管沿程流量逐漸變化，管路損失需按各段實際流量逐一分段計算。對于支管，為簡化水頭損失計算過程，可采用考慮多口系數(shù)的修正沿程損失公式計算。

(2)局部水頭損失

為簡化計算，局部水頭損失可按沿程水頭損失的10%～15%考慮。此處取沿程水頭損失的15%作為局部水頭損失。

(3)管道系統(tǒng)最大、最小工作水頭

管道系統(tǒng)最大、最小工作水頭分別按以下公式計算：

Hmax=Z2-Z0+ΔZ2+∑hf2+∑hj2+h0

(4)

Hmin=Z1-Z0+ΔZ1+∑hf1+∑hj1+h0

(5)

式中：Hmax、Hmin分別為管道系統(tǒng)最大、最小工作水頭，m；Z1為參考點1的地面高程，m，在平原地區(qū)參考點1一般為距水源最近的給水栓；Z2為參考點2的地面高程，m，在平原地區(qū)參考點2一般為距水源最遠(yuǎn)的給水栓；Z0為管道系統(tǒng)進(jìn)口高程，取-0.7 m；ΔZ1、ΔZ2分別為參考點1、2處給水栓出口中心線與地面的高差，給水栓出口中心線的高程應(yīng)為其控制的田間最高地面高程加0.15 m，考慮田塊內(nèi)部的高差0.05 m，取ΔZ1、ΔZ2為0.2 m；∑hf1，∑hf2為管道系統(tǒng)進(jìn)口至參考點1、2給水栓的管路沿程水頭損失，m；∑hj1，∑hj2為管道系統(tǒng)進(jìn)口至參考點1、2給水栓的管路局部水頭損失，m；h0為給水栓工作水頭，取0.4 m。

(4)管道系統(tǒng)設(shè)計工作水頭

需設(shè)水泵加壓的管道灌溉系統(tǒng)，其設(shè)計工作水頭宜按最大和最小工作水頭的平均值近似取用，計算式為

(6)

式中：H0為管道系統(tǒng)設(shè)計工作水頭，m。

2.4 水泵選型及動力機(jī)配套

(1)水泵揚程計算

水泵設(shè)計揚程計算式為

Hp=H0+Z0-Zd+∑hf0+∑fj0

(7)

式中：Hp為灌溉系統(tǒng)水泵的設(shè)計揚程，m；H0為管道系統(tǒng)設(shè)計工作水頭，m；Z0為管道系統(tǒng)進(jìn)口高程，取-0.7 m；Zd為泵站前池水位，取-3.5 m；∑hf0、∑fj0為水泵吸水管進(jìn)口至壓水管出口之間的管道沿程水頭損失與局部水頭損失，m。

其中，水泵壓水管出口與前池水位高差取3.5 m，水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的水頭損失按該高差的25%取值為0.87 m。

(2)水泵及電機(jī)選擇

根據(jù)設(shè)計揚程、設(shè)計流量，查變頻控制條件下低揚程水泵選型成果表，選擇水泵型號和電動機(jī)配套功率。

通過計算水泵管路阻力參數(shù)S1、管網(wǎng)阻力參數(shù)S2，求得裝置需要的揚程曲線，以此進(jìn)行工況點校核。確保在變頻控制條件下，所選水泵型號在設(shè)計揚程、最小揚程和最大揚程工況時均在高效區(qū)運行，流量滿足灌溉用水要求，同時進(jìn)行電機(jī)功率復(fù)核。

電動機(jī)配套功率計算式為

Pd=KpPz/ηc

(8)

式中：Pd為動力機(jī)功率配套值，kW；Kp為動力機(jī)功率備用系數(shù)，取1.15；Pz為水泵軸功率，kW；ηc為傳動效率，直接傳動方式取1.0。

水泵及電機(jī)選擇結(jié)果：13.33 hm2的灌區(qū)水泵選用300HW-8混流泵(轉(zhuǎn)速970 r/min)，配22 kW電機(jī)；16.67 hm2的灌區(qū)水泵選用350HW-8混流泵(轉(zhuǎn)速980 r/min)，配30 kW電機(jī)；20 hm2的灌區(qū)水泵選用400HW-7混流泵(轉(zhuǎn)速730 r/min)，配30 kW電機(jī)。

3 技術(shù)指標(biāo)計算

3.1 裝置效率

(1)管路效率η管

管路效率可以用管路的輸出和輸入功率之比求得。設(shè)計工況下管路的輸出功率為ρgHstQ，輸入功率為水泵的有效功率即ρgHpQ,其中Hp和Hst分別為水泵設(shè)計揚程和凈揚程，故管路效率η管計算公式為

(9)

式中：Hp為設(shè)計揚程，m；Δh為水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的管道水頭損失。

(2)傳動效率η傳

傳動方式為直接傳動，取η傳=1.0。

(3)動力機(jī)效率η動

根據(jù)所選電動機(jī)的型號查詢η動。

(4)水泵效率η泵

根據(jù)水泵設(shè)計工況，查性能曲線得出η泵。

(5)裝置效率η

裝置效率計算公式為

η=η管η傳η動η泵

(10)

3.2 管網(wǎng)工程單位面積投資

計算管網(wǎng)工程總投資G，管網(wǎng)工程單位面積投資C的計算式為

C=G/A

(11)

式中：G為總投資，元；A為灌溉面積，hm2。

3.3 單位面積年耗電費用

提水電費即為泵站向管網(wǎng)輸水并且滿足灌溉所需壓力的動力費用，泵站所消耗電量計算式為

(12)

根據(jù)計算電量，電單價取0.52元，可計算出單位面積年耗電費用。

4 技術(shù)指標(biāo)評價

針對通南高沙土地區(qū)不同控制灌溉面積的灌區(qū)典型設(shè)計，以裝置效率、管網(wǎng)工程單位面積投資和單位面積年耗電費用為評價指標(biāo)(表1)，確定管道灌區(qū)適宜控制面積。其中，電費中的灌溉定額根據(jù)實地考察采用1 200 m3/hm2。

表1 通南高沙土區(qū)不同控制面積管道灌區(qū)的技術(shù)指標(biāo)

(1)節(jié)能指標(biāo)

裝置效率是管道灌溉項目的節(jié)能指標(biāo)。從表1可以看出，通過優(yōu)化管路布局和水泵選型，不同控制面積的典型灌區(qū)的泵站裝置效率均大于65%，其中控制面積為20 hm2的裝置效率最高。從節(jié)能角度看，單機(jī)單泵控制面積在20 hm2左右節(jié)能效果較佳。

(2)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

管網(wǎng)工程單位面積投資和單位面積年耗電費用作為管道灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行評價。從表1可以看出，當(dāng)控制面積為13.33 hm2時，管網(wǎng)工程單位面積投資為50 928元/hm2，在三者中最低；當(dāng)控制面積為16.67 hm2時，管網(wǎng)工程單位面積投資為52 494元/ hm2，為三者中最高。從單位面積年耗電費用指標(biāo)看，不同控制面積情況下的單位面積年耗電費用成本差別不大，且單位面積年耗電費用成本與管網(wǎng)工程單位面積投資相比，在總成本中所占比重很小。按工程使用15年考慮，當(dāng)控制面積在13.33 hm2左右時，所需成本最低，工程的經(jīng)濟(jì)效益最好。

綜合以上對管道灌區(qū)的節(jié)能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析，建議低壓管道灌區(qū)單機(jī)單泵的控制灌溉面積控制在13.33 hm2左右。管網(wǎng)布置優(yōu)先采用樹狀管網(wǎng)，設(shè)2～3級固定管道，出水口口徑宜選用110 mm。

5 結(jié) 語

低壓管道灌溉具有節(jié)水、節(jié)地、省工等優(yōu)點，具有廣闊的使用前景。管道灌區(qū)控制面積優(yōu)化研究成果近年已在如皋市推廣應(yīng)用，實踐證明管網(wǎng)工程單位面積投資及單位面積年耗電費用指標(biāo)明顯下降。該研究成果可為通南高沙土區(qū)管道灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)支撐和示范引領(lǐng)，項目研究符合一定的社會需求，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。