引黃灌區(qū)管道灌溉輸水工程優(yōu)化方案研究

任國(guó)勇

（山東省陽(yáng)谷縣水利局，山東 聊城 252300）

0 項(xiàng)目背景

陶城鋪引黃灌區(qū)位于山東省聊城市南部，黃河下游，涉及陽(yáng)谷縣的18 個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、辦事處），耕地總面積71.66 千hm，設(shè)計(jì)灌溉面積49.33 千hm。地跨東經(jīng)115°39’～116°06′、北緯35°55′～36°19′。區(qū)域南北長(zhǎng)32km，東西寬39km，總?cè)丝?1 萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口62.80 萬(wàn)人，850 個(gè)自然行政村，16 個(gè)居委會(huì)。全縣生產(chǎn)總值達(dá)到314.5 億元，年均增長(zhǎng)10.9%；一般公共預(yù)算收入12.34 億元，年均增長(zhǎng)25.6%；社會(huì)消費(fèi)品零售總額達(dá)到149.7 億元，年均增長(zhǎng)14.6%。城鎮(zhèn)居民人均可支配收入達(dá)到23720 元、農(nóng)民人均純收入達(dá)到11038 元。

灌區(qū)所在的陽(yáng)谷縣是山東省重要的糧食生產(chǎn)縣，糧食生產(chǎn)一直是該縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的重要來(lái)源。全縣糧食總產(chǎn)達(dá)到14.51 億斤，多次被評(píng)為全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣。境內(nèi)的陶城鋪引黃灌區(qū)南、北干渠，渠道襯砌率達(dá)73.5%，現(xiàn)有機(jī)井8 千余眼，完好率85%，大型水利工程改造率達(dá)81%，小型水利工程改造率達(dá)到60%。全縣連續(xù)多年發(fā)展高效節(jié)水灌溉工程，面積達(dá)17.60 千hm，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；B片，取得顯著增產(chǎn)，對(duì)提升整合能力及項(xiàng)目區(qū)環(huán)境起到積極作用，廣大群眾極為歡迎。下一步縣高效節(jié)水項(xiàng)目項(xiàng)目規(guī)劃涉及的85 個(gè)行政村全部召開(kāi)了村民代表大會(huì)，對(duì)建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了集體表決，一致同意實(shí)施項(xiàng)目縣建設(shè)內(nèi)容?？h政府與項(xiàng)目區(qū)所在鎮(zhèn)政府簽訂目標(biāo)責(zé)任書(shū)，將項(xiàng)目建設(shè)納入年度目標(biāo)管理考核，督促項(xiàng)目落實(shí)。項(xiàng)目所在3 個(gè)鎮(zhèn)政府全部承諾做好項(xiàng)目建設(shè)組織協(xié)調(diào)工作，保證按照項(xiàng)目建設(shè)要求實(shí)施。陽(yáng)谷縣已建農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目工程合格率達(dá)100%，優(yōu)良率達(dá)95%以上，3 年內(nèi)未發(fā)生質(zhì)量安全事故。

同時(shí)，灌區(qū)水資源供求十分緊張，黃河引水指標(biāo)逐年減少，黃河水可用而不可靠，對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)來(lái)講，實(shí)施節(jié)水灌溉是非常必要的。在實(shí)施了多期高效節(jié)水管道灌溉項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，為了增加資金使用效率，研究管道輸水工程的優(yōu)化實(shí)施方案是十分必要的。

1 模型優(yōu)化方法分析，確定數(shù)學(xué)模型參數(shù)

1.1 灌溉用水量

灌區(qū)需水量是指滿(mǎn)足灌區(qū)農(nóng)作物正常生長(zhǎng)需要灌溉的水量。陶城鋪灌區(qū)內(nèi)共種植了S 類(lèi)作物，分析計(jì)算不同種類(lèi)各時(shí)段內(nèi)農(nóng)作物需要灌溉水定額，利用加權(quán)平均值求的陶城鋪灌區(qū)需水量，作為計(jì)算范圍的綜合灌水定額。

式中：—農(nóng)作物種類(lèi)；k—灌水次數(shù)；—灌區(qū)綜合凈灌水定額（m/hm）；α—第類(lèi)農(nóng)作物占灌區(qū)灌溉面積的比例；m—第類(lèi)農(nóng)作物一次灌水定額（m/hm）。

則灌區(qū)全年灌溉需要的水量按照公式（2）計(jì)算。

式中：——灌溉次數(shù)；——灌區(qū)全年灌溉用水量（m）；W——灌區(qū)第u 次灌溉用水量（m）；——灌區(qū)全年灌水次數(shù)。

1.2 不淤流速的問(wèn)題

陶城鋪灌區(qū)進(jìn)行管道灌溉設(shè)計(jì)，需要考慮黃河水泥沙含量大的前提，使管道不能淤積堵塞是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，為了使管道內(nèi)水流順暢流動(dòng)，就要選擇科學(xué)合理的流速，這個(gè)流速學(xué)術(shù)上統(tǒng)稱(chēng)為不淤流速。那么，不淤流速的界定就成了重要課題。不淤流速取值小，必然能夠減少工程投資和運(yùn)行管理的費(fèi)用，但是會(huì)增加管道內(nèi)泥沙淤積的風(fēng)險(xiǎn)；不淤流速大了，就需要增加提水泵站的參數(shù)，水泵需要流量大、揚(yáng)程大，配套設(shè)施也需要增加，就會(huì)增加工程投資和以后的運(yùn)行管理費(fèi)用。關(guān)于不淤流速的問(wèn)題有3 個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式比較可靠，分別是B.C 科諾羅茲公式、何武全經(jīng)驗(yàn)公式、張英普經(jīng)驗(yàn)公式，下面簡(jiǎn)要敘述。

當(dāng)≤0.07mm 時(shí)；

當(dāng)＜0.4mm ≤1.5mm 時(shí)；式中：d—泥沙平均粒徑（mm）；V—臨界不淤流速（m/s）；—相對(duì)密度修正系數(shù)，=（ρ-1）/1.7；ρ—泥沙密度（g/cm）；C—質(zhì)量含沙量（%）；—管道內(nèi)徑（m）。

式中：——重力加速度（m/s）；S—重量含沙量（%）；—水的密度（g/cm）；—泥沙自由沉降速度（m/s）；—管道灌溉形式修正系數(shù)，當(dāng)為加壓管道灌溉系統(tǒng)時(shí)=1。

參數(shù)同上。

上述公式表明，由于泥沙含量增加，不淤流速增大，變化的方向是隨著含沙量的增加不淤流速的變化速度表現(xiàn)為先快后慢的規(guī)律，尤其是含沙量在0%～1%時(shí)，不淤流速隨泥沙含量的變化速度最快。當(dāng)泥沙含量大于1%時(shí)，不淤流速的增大速度變得平順，這就說(shuō)明泥沙含量是影響不淤流速的一個(gè)重要原因。在泥沙含量相同的情況下，各個(gè)公式計(jì)算的不淤流速隨輸水管道管徑的增加而加快，例如含沙量在 0.213%時(shí)，管徑為 150mm、125mm、100mm、75mm 時(shí)，計(jì)算的不淤流速分別為0.5070 m/s、0.4957 m/s、0.4821 m/s、0.4651 m/s，這就說(shuō)明輸水管徑對(duì)不淤流速也有較大影響。在黃河記錄的泥沙觀(guān)測(cè)資料基礎(chǔ)上用這3 個(gè)公式進(jìn)行試算，分別對(duì)不同管徑的不淤流速進(jìn)行計(jì)算，相同條件下何武全經(jīng)驗(yàn)公式得出的數(shù)值較大，B.C 科諾羅茲公式的計(jì)算值較小；張英普經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值比較適中，所以采用張英普經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

2 管道壓強(qiáng)、流速和距離關(guān)系分析

管道輸水灌溉的優(yōu)點(diǎn)是減少輸水損失，提高灌溉水利用系數(shù)，節(jié)水效益顯著，土地利用率高，適應(yīng)性強(qiáng)，維修養(yǎng)護(hù)省工省時(shí)管理方便；灌水及時(shí)方便。但是也存在一些不足之處，如需要的材料和設(shè)備較多，投資費(fèi)用較高，規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容較復(fù)雜，對(duì)水源水質(zhì)要求較高等。為了使管道輸水灌溉工程健康平穩(wěn)地運(yùn)行，發(fā)揮灌區(qū)的最大效益，需要對(duì)管道灌溉進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中包括管道灌溉時(shí)的壓力分布和流速在不同壓力條件下與距離的關(guān)系。

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

駱駝巷北泵站位于陶城鋪灌區(qū)北干渠右岸，控制灌溉面積192.6km，涉及駱駝巷北部、閻胡村、二郎廟村各村，鋪設(shè)PVC 管道1.95 萬(wàn)m，設(shè)置出水栓347 個(gè)。泵站功率為150km，流量為1540m3/h，揚(yáng)程25m，泵站共投資299.65 萬(wàn)元。

駱駝巷北泵站的管道鋪設(shè)和管道選擇為主管道的管徑為560mm，支管道的管徑分別為500mm、400 mm、315 mm、200 mm，而且在支管不同的位置設(shè)定了出水口，灌區(qū)設(shè)置的出水口都分布在管徑為200mm 的輸水管道處，其他管徑的輸水管沒(méi)有出水口設(shè)置。

2.2 試驗(yàn)原理和方案

有壓管道在計(jì)算壓力和流速的關(guān)系前，須首先計(jì)算管道的比阻，如果是舊鑄鐵管或舊鋼管，可用舍維列夫公式（6）或者公式（7）計(jì)算管道比阻，查詢(xún)有關(guān)表格得到管道的比阻。見(jiàn)表1。

表1 塑料管的單位長(zhǎng)度摩阻的取值

管道灌溉是通過(guò)管道首末端的壓力或者水頭差進(jìn)行液體的傳輸，根據(jù)管道兩端的壓力表來(lái)確定管道兩端的作用水頭差?？梢圆捎檬剑?）計(jì)算：

如果有水平落差（指管道首端比末端高出），則：

式中：是管道兩端的水頭差，m；為管道兩端的壓強(qiáng)差（不是某一斷面的壓強(qiáng)），Pa；下面可以通過(guò)采用下面的方程計(jì)算管道內(nèi)的流量和流速。

式中：—流量，m/s；—管道起端與末端的水頭差，m；—管道起端至末端的長(zhǎng)度，m。

根據(jù)低壓管道關(guān)于壓強(qiáng)、流速和距離的關(guān)系，分別根據(jù)研究目標(biāo)制定了下面3 個(gè)研究方案。

管道流量和距離關(guān)系試驗(yàn)方案如下：第一利用駱駝巷北泵站，首先設(shè)定主管道的壓力值為0.14MPa。第二，在灌區(qū)管道上分別選擇不同位置（與灌區(qū)泵站的距離分別是142m、400m、781m、915m、1170m、2134m、2956m），安置給水栓，使用相關(guān)設(shè)備測(cè)量各位置處的流量。

管道壓強(qiáng)和距離關(guān)系試驗(yàn)方案如下：第一利用駱駝巷北泵站，首先調(diào)節(jié)主管道的壓力使其達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為0.14MPa。第二，在灌區(qū)管道上分別選擇與灌區(qū)泵站的距離分別是0m、142m、400m、584m、781m、860m、915m、1170m、1192m、2134m 的閘閥井內(nèi)安裝壓力表，讀取相應(yīng)位置的壓力值。

管道壓強(qiáng)和速度關(guān)系試驗(yàn)方案如下：第一，利用駱駝巷北泵站，首先調(diào)節(jié)主管道的壓力使其達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為0.14MPa。第二，在灌區(qū)管道上分別選擇不同位置（與灌區(qū)泵站的距離分別是142m、400m、781m、915m、1170m、2134m），安裝壓力表和給水栓，讀取相應(yīng)位置的壓力值和管道內(nèi)流速。

3 結(jié)果與分析

當(dāng)泵站主管道處的壓強(qiáng)維持在0.14MPa，流量和距離試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了流量與距離關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1 所示。

圖1 流量和距離的關(guān)系圖（壓力為0.14MPa）

表2 不同距離處的流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在泵站壓強(qiáng)恒定的情況下，隨著距離的增大，出水口的流量逐漸減少。在0m～781m，管道內(nèi)流量隨著距離增大下降幅度較大，通過(guò)采用最小二乘法計(jì)算得出該段的下降比率為0.00001。其主要原因是：隨著距離的增加，管道水頭損失增加，流速就會(huì)變慢，流量變?。坏枪艿纼?nèi)多為有壓輸水，流速變化較明顯。而在781m～2956m，管道內(nèi)流量隨著距離基本沒(méi)有變化，而是在0.16 m/s 附近來(lái)回震蕩。其主要原因：由于泵站壓強(qiáng)為0.14MPa，而在這段距離內(nèi)管道的壓強(qiáng)均為0.1MPa，管道內(nèi)水為無(wú)壓出流，因此管內(nèi)流量基本維持在1.6m/s。由此可知，為了滿(mǎn)足灌區(qū)末尾處灌溉流量要求，可以采用增加泵站壓強(qiáng)、使用管徑逐級(jí)遞減、分區(qū)輪灌等措施來(lái)增加給水栓的出水流量。

4 輸水管道經(jīng)濟(jì)參數(shù)

管道節(jié)水工程中的管網(wǎng)占投資比重很大，在滿(mǎn)足農(nóng)田灌溉輸水要求時(shí)，由于面積增加，因此主管道的壓強(qiáng)也增大，那么主管道的管徑也增加，支管道的管徑也增加。根據(jù)山東華信泰格管道有限公司U-PVC 輸水管在不同壓力條件的有關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員繪制了在不同管道壓力條件下，管徑和管道價(jià)格關(guān)系圖，如圖2 所示。根據(jù)圖2 可知，在不同管道允許壓力條件下，隨著管道外徑的增加，管道價(jià)格也隨之增加，的但是增加幅度不一樣。在不同壓強(qiáng)情況下輸水管道的管徑價(jià)格之間表現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，通過(guò)回歸分析方法表明，確定各情況下關(guān)系式和R2。設(shè)單價(jià)為，管徑為，則在允許壓力分別為0.6MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.25 MPa 時(shí)，、參數(shù)分別為0.0018、2.0127；0.0023、2.0106；0.003、1.998；0.0041、1.9754。由此可以依次確定出低壓管道灌溉工程中不同位置所需管道的單價(jià)，可以采用=×計(jì)算。

圖2 管道壓力為0.8MPa 時(shí)，管徑和管道價(jià)格關(guān)系圖

遺傳算法（genetic algorithms，GA）是一種模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的尋優(yōu)方法，它是建立在達(dá)爾文的生物進(jìn)化論和孟德?tīng)柕倪z傳學(xué)說(shuō)基礎(chǔ)上的算法?；螂s交和基因突變可能產(chǎn)生對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的后代，通過(guò)優(yōu)勝劣汰的自然選擇，適應(yīng)值高的基因結(jié)構(gòu)就保存下來(lái)。遺傳算法就是模仿了生物的遺傳、進(jìn)化原理，并引用了隨機(jī)統(tǒng)計(jì)原理而形成的。由于它采用種群的方式組織搜索，這使它可以同時(shí)搜索解空間內(nèi)的多個(gè)域，而且用種群組織搜索的方式使它特別適合大規(guī)模并行。經(jīng)比較，灌區(qū)規(guī)模優(yōu)化模型采用遺傳算法計(jì)算求解，通過(guò)與工具箱（Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox）優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和MATLAB 7.0 Version 遺傳算法。參數(shù)設(shè)定完畢后，計(jì)算結(jié)果顯示，在灌區(qū)規(guī)模為=249.73hm時(shí)，計(jì)算范圍的年凈現(xiàn)值最大為62.45 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

通過(guò)模型優(yōu)化方法分析，確定數(shù)學(xué)模型參數(shù)通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)，在觀(guān)測(cè)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析出了低壓管道關(guān)于壓強(qiáng)、流速和距離的關(guān)系，采用增加泵站壓強(qiáng)、使用管徑逐級(jí)遞減、分區(qū)輪灌等措施來(lái)增加給水栓的出水流量，制定輪灌制度。通過(guò)管道壓力、管徑和管道價(jià)格計(jì)算分析可知，鋪設(shè)PVC管道管徑為φ560mm～φ160mm 逐級(jí)遞減，灌區(qū)最優(yōu)規(guī)模面積為249.73hm，泵站功率為150kW，流量為1540m3/h，揚(yáng)程25m。當(dāng)前情況下，經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比最合適、最經(jīng)濟(jì)，該結(jié)論可以向廣大引黃灌區(qū)實(shí)施管道輸水灌溉區(qū)域進(jìn)行推廣。