基于經(jīng)濟(jì)流速取值的滴灌系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 龍

(大禹設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

長(zhǎng)期以來(lái)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田(高效節(jié)水)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，多數(shù)項(xiàng)目難以同步實(shí)施。土地整理工程、土壤改良工程、灌溉工程、田間道路工程、農(nóng)田防護(hù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程，農(nóng)田輸配電工程以及科技推廣與建后管護(hù)等措施，工程建設(shè)效益難以得到充分發(fā)揮。綜合考慮工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與耕地質(zhì)量提升同步推進(jìn)的要求、不同地區(qū)投入狀況差異以及高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)難度加大、成本增加等諸多因素。依據(jù)甘肅省2022年“藏糧于地，藏糧于技”[1]專項(xiàng)(高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目)中央預(yù)算內(nèi)投資下達(dá)103.9萬(wàn)畝任務(wù)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)執(zhí)行統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(主要涉及田、土、水、路、林、電、技、管8個(gè)方面)、統(tǒng)一組織實(shí)施、統(tǒng)一上圖入庫(kù)等原則，本次已統(tǒng)籌安排中央和省級(jí)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)補(bǔ)助資金，平均每畝約1200元。這對(duì)于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無(wú)疑是一個(gè)精細(xì)賬。

由此可見(jiàn)，在建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理的選取經(jīng)濟(jì)流速，對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低灌溉系統(tǒng)初期成本，將節(jié)省出來(lái)的這部分資金充分利用到項(xiàng)目建設(shè)的其他工程措施中，顯得尤為重要[2]。

滴灌技術(shù)是現(xiàn)階段最節(jié)水的現(xiàn)代化精準(zhǔn)灌溉的代表[3]，滴灌主要是通過(guò)灌溉系統(tǒng)將水分(肥液和農(nóng)藥)通過(guò)灌水器(穩(wěn)流器)輸送到作物根部的局部灌溉，在作物全生育期內(nèi)持續(xù)保持土壤濕潤(rùn)良好生長(zhǎng)的微環(huán)境，從而達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目效果。滴灌系統(tǒng)配水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的是確定各級(jí)管道的直徑、管材的承壓等級(jí)以及管網(wǎng)系統(tǒng)的布置方式，各級(jí)管道的直徑是根據(jù)各級(jí)管道的配水流量和流速來(lái)確定，在流量已定的情況下，需先確定流速才能確定管徑[4]，所以，管段流速的選取決定整個(gè)配水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。在一定設(shè)計(jì)流量下，管道設(shè)計(jì)流速選取的小，相應(yīng)管徑就會(huì)較大，項(xiàng)目建設(shè)初期投資較高，但管路水損較小，灌溉系統(tǒng)后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。相反，如果管道設(shè)計(jì)流速取得大，相應(yīng)管徑較小，項(xiàng)目建設(shè)初期造價(jià)較低，但管路水損也會(huì)增大，導(dǎo)致灌溉系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較大。因此，必然存在一個(gè)流速，使灌溉系統(tǒng)初期造價(jià)與后期系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，即整個(gè)工程的造價(jià)最低[5]?？梢?jiàn)，經(jīng)濟(jì)流速的合理取值對(duì)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和運(yùn)行可靠的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

1 灌水小區(qū)畝均投資計(jì)算實(shí)例

本文以河西地區(qū)大田玉米為例，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶以往的種植模式，大田玉米的株距為0.3m、行距為0.8m，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)覆膜玉米的種植模式定為“一膜三行雙管”，即滴灌帶均行鋪設(shè)間距為0.8m，灌水器間距為0.3m?！沧ⅲ旱喂軒нx用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶Φ16×0.2×300-2.0L，0.25MPa；PE軟帶選用Φ75×1.4mm，0.25MPa。〕

灌水小區(qū)控制面積(滿足灌溉均勻度)[6]相關(guān)計(jì)算公式參見(jiàn)GB/T 50485—2020《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，不在一一列出，限于篇幅，本文只計(jì)算了Φ75PE軟帶在不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)鋪設(shè)長(zhǎng)度和灌水小區(qū)控制面積，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)PE軟帶Φ75鋪設(shè)長(zhǎng)度和灌水小區(qū)控制面積

上表計(jì)算結(jié)果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(tǒng)(系統(tǒng)流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區(qū)控制灌溉面積隨經(jīng)濟(jì)流速的增大而變大，支管的鋪設(shè)長(zhǎng)度也隨經(jīng)濟(jì)流速的增大而變長(zhǎng)。

參照甘肅省水利廳甘水規(guī)計(jì)發(fā)[2013]1號(hào)文頒發(fā)的《甘肅省水利水電工程設(shè)計(jì)概(估)算編制規(guī)定》計(jì)算本工程各項(xiàng)費(fèi)用，投資概算編制的價(jià)格水平采用2022年第二季度。可以計(jì)算出不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)灌水小區(qū)地面材料畝均投資，文中只列了v=1.35m/s對(duì)應(yīng)灌水小區(qū)地面材料(軟帶、滴管帶及配件)的數(shù)量與單價(jià)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)灌水小區(qū)地面材料畝均投資

上表計(jì)算結(jié)果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(tǒng)(系統(tǒng)流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區(qū)導(dǎo)致畝均投資隨經(jīng)濟(jì)流速的增大而變小。

2 水頭損失計(jì)算

灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)水頭損失計(jì)算參見(jiàn)GB/T 50485—2020。

(1)

各級(jí)管道流量可由理想管徑對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流速的確定[7]，其計(jì)算公式為：

(2)

由公式(1)和式(2)可得：

(3)

式中,hf—沿程水頭損失；f—磨阻系數(shù)，聚乙烯管[8]取0.505；A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，mm2；Q—流量，m3/h；d—內(nèi)徑，mm；L—管段長(zhǎng)度，m；v—經(jīng)濟(jì)流速，m/s；m，b—流量指數(shù)和管徑指數(shù)，聚乙烯管取m=1.75，b=4.75；

多滴頭支管沿程水頭損失按下式計(jì)算：

hf=F·hf

(4)

(5)

式中,hf—沿程水頭損失，m；F—多口系數(shù)；N—出水孔個(gè)數(shù)；m—流量指數(shù)，m=1.75。

局部水頭損失根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按管道沿程水頭損失的10%計(jì)算，即：

hj=10%hf

(6)

式中,hj—各級(jí)管道局部水頭損失，m。

本項(xiàng)目滴灌系統(tǒng)首部水頭損失按13m計(jì)算，各級(jí)管道承壓為0.8MPa，不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)的滴灌系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果(滴灌系統(tǒng)中最不利管路水損)詳見(jiàn)表3。

由式(3)、式(4)和式(5)可以計(jì)算出不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)灌水小區(qū)最不利管路水損及水泵揚(yáng)程，文中只列了v=1.35m/s對(duì)應(yīng)各級(jí)管道水損計(jì)算值。

表3計(jì)算結(jié)果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(tǒng)(系統(tǒng)流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區(qū)導(dǎo)致管路水損也隨著經(jīng)濟(jì)流速取值的變大而變大。

表3 不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)灌水小區(qū)管路水損及水泵揚(yáng)程

3 系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)用計(jì)算

依據(jù)灌溉系統(tǒng)流量和計(jì)算出來(lái)的不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)灌水小區(qū)管路水損，選定不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)滴灌系統(tǒng)選用水泵型號(hào)，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)流速的運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)用,見(jiàn)表4。

表4計(jì)算結(jié)果顯示，流速取值越大，同等灌溉系統(tǒng)(系統(tǒng)流量相同、管徑相同)條件下，不同灌水小區(qū)導(dǎo)致水泵型號(hào)也有差異，導(dǎo)致水泵功率隨經(jīng)濟(jì)流速增大而變大，從而導(dǎo)致日運(yùn)行費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用隨著經(jīng)濟(jì)流速的增大而增加。灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)浪費(fèi)很多的項(xiàng)目建設(shè)資金，單從設(shè)計(jì)角度難以解決這個(gè)問(wèn)題，還須考慮經(jīng)濟(jì)因素，即考慮項(xiàng)目初期建設(shè)投資成本，也要考慮后期灌溉系統(tǒng)整體的運(yùn)行費(fèi)用，使項(xiàng)目初期建設(shè)投資與后期灌溉系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用之和達(dá)到最小[9]。在灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用周期內(nèi)，總會(huì)存在項(xiàng)目初期建設(shè)投資與后期灌溉系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用之和達(dá)到最小的一個(gè)值，此時(shí)灌溉系統(tǒng)將達(dá)到了最合理的狀態(tài)。

表4 不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)滴灌系統(tǒng)選用水泵型號(hào)及運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)

總費(fèi)用表達(dá)式：采用姜海波等建立的枝狀管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)量化的總費(fèi)用函數(shù)[10]，公式如下：

Ct=Cr+Ce+Cl+Cb

(7)

式中,Cr—系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用：系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用與水泵功率和設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間成正比；Ce—?jiǎng)恿υO(shè)備(通常為水泵)購(gòu)置費(fèi)，但設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用在整個(gè)項(xiàng)目投資中占比不大，可忽略此項(xiàng)費(fèi)用的影響；Cl—管道的敷設(shè)費(fèi)用以管道材料費(fèi)用為主，由于項(xiàng)目區(qū)范圍和水源工程確定后，灌溉系統(tǒng)整個(gè)地下管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(管道級(jí)別)隨之確定。灌水小區(qū)控制灌溉面積大小會(huì)對(duì)出水口布置形式(間距和個(gè)數(shù))產(chǎn)生影響，結(jié)合前面經(jīng)濟(jì)流速和灌水小區(qū)控制灌溉面積之間的關(guān)系，流速越大，灌水小區(qū)控制灌溉面積越大，整個(gè)系統(tǒng)布設(shè)出水口數(shù)量也會(huì)減少，地下主管網(wǎng)布置形式視項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)地情況而定(征求農(nóng)戶意見(jiàn)為主)，這里只考慮受經(jīng)濟(jì)流速影響較為敏感的地面材料畝均投資；Cb—項(xiàng)目初期建設(shè)投資費(fèi)用主要包括水源工程、泵站及附屬構(gòu)筑物的建設(shè)費(fèi)用，灌溉系統(tǒng)較小的設(shè)計(jì)變動(dòng)對(duì)該項(xiàng)建設(shè)費(fèi)用沒(méi)有明顯影響，可認(rèn)為是常數(shù)。

不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)滴灌系統(tǒng)總費(fèi)用計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 不同經(jīng)濟(jì)流速對(duì)應(yīng)滴灌系統(tǒng)總費(fèi)用計(jì)算成果

表5計(jì)算結(jié)果顯示，經(jīng)濟(jì)流速取值范圍在1.2～1.5m/s之間總費(fèi)用最低，當(dāng)v=1.35m/s時(shí)總費(fèi)用最低。，本文只分析了對(duì)畝均投資影響較為敏感的灌水小區(qū)(地面材料和單個(gè)出水口控制的灌溉面積)和同等灌溉系統(tǒng)條件下對(duì)動(dòng)力費(fèi)用影響較為敏感的管路水損所對(duì)應(yīng)的灌溉系統(tǒng)正常工作水頭及水泵型號(hào)(功率)，對(duì)于總成本費(fèi)用(折舊費(fèi)+年運(yùn)行費(fèi)+攤銷費(fèi))和可變成本不在贅述，本文建議在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田(高效節(jié)水)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)宜采用經(jīng)濟(jì)流速的范圍值為1.2～1.5m/s。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田(高效節(jié)水)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，對(duì)于灌溉工程和農(nóng)田輸配電工程而言，經(jīng)濟(jì)流速的取值直接影響灌溉系統(tǒng)的管徑、管材承壓等級(jí)、灌水小區(qū)的布置方式、水泵型號(hào)(功率)以及變壓器容量的選取。

(2)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和運(yùn)行可靠的灌溉系統(tǒng)，且在項(xiàng)目造價(jià)上做到總費(fèi)用最小。

(3)管道直徑的確定和經(jīng)濟(jì)流速的選取是管網(wǎng)水力計(jì)算最為重要的問(wèn)題，既有經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，又有安全問(wèn)題。此外計(jì)算發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目初期建設(shè)投資和后期系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)用隨經(jīng)濟(jì)流速的取值相差較大?？梢?jiàn)，要選擇合理的經(jīng)濟(jì)流速和滴灌系統(tǒng)灌水小區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)十分重要。