鴻業(yè)市政管線軟件在滴灌工程設(shè)計中的應(yīng)用

李建國，賈冬梅，田浩業(yè)，車洪軍

（1.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津 300171；2.天津市排水管理事務(wù)中心第七排水管理所，天津 300400；3.華北水利水電工程集團有限公司，天津 300171）

滴灌是近年發(fā)展起來的一項高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其利用塑料管道將水通過直徑約10 mm 毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉，是干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式，可將水的利用率提高到95%。滴灌系統(tǒng)主要由首部樞紐、管路和滴頭3個部分組成，其中首部樞紐包括水泵（及動力機）、施肥罐、過濾器、控制與測量儀表等，其作用是抽水、施肥、過濾，以一定的壓力將一定數(shù)量的水送入干管；管路系統(tǒng)包括干管、支管、毛管以及必要的調(diào)節(jié)設(shè)備（如壓力表、閘閥、流量調(diào)節(jié)器等），其作用是將加壓水均勻地輸送到滴頭；滴頭的作用是使水流經(jīng)過微小的孔道，形成能量損失，減小其壓力，使其以點滴的方式滴入土壤中。

在整個滴灌設(shè)計中管網(wǎng)水力計算是重要的一環(huán)。通過管網(wǎng)水力計算確定水源點壓力，進而確定水泵的選型。目前，市面上專門用于滴灌設(shè)計的商業(yè)軟件并不多見，在進行滴灌設(shè)計時，多數(shù)技術(shù)人員主要還是依據(jù)《微灌工程技術(shù)標準》（GB/T50485-2020）從末級滴頭工作水頭計算起來，逐級匯總計算毛管、支管、干管端部壓力，在滴灌設(shè)計中為避免流量過于集中，在制定灌溉制度時需設(shè)置輪灌組。在確定水源點壓力時，需以不同輪灌組為對象進行控制計算，并以最大的水源點壓力作為選泵的依據(jù)。因此，往往需要經(jīng)過多次重復(fù)計算才能得到最后的結(jié)論，此時如能使用軟件進行計算，則可大幅提高工作效率。

1 研究方法

鴻業(yè)市政管線軟件是鴻業(yè)科技開發(fā)的建筑類系列CAD 軟件產(chǎn)品之一，是國內(nèi)最早研制并推出的專業(yè)市政管線類軟件，目前主要用于給水管網(wǎng)平差、雨水計算、污水計算等，計算數(shù)據(jù)可自動從圖面上提取，把設(shè)計人員的計算工作量降至最低[1]。與給水管網(wǎng)計算不同的是，滴灌工程中的輪灌組設(shè)計要求每次僅開啟一個或幾個輪灌組，而給水管網(wǎng)則要求所有管道同時開啟，因此在滴灌管網(wǎng)建模時僅需將同時開啟的輪灌組作為模型即可，兩者在反算水源點壓力上程序是一致的，區(qū)別僅在于控制運行方式有所不同，這便為鴻業(yè)市政管線軟件在滴灌設(shè)計中進行應(yīng)用提供了可能。值得注意的是，在布置管線時通常做到支管一級，根據(jù)《微灌工程技術(shù)標準》（GB/T50485-2020），滴頭正常工作通常應(yīng)滿足不低于10 m 水頭，支管末端最低控制水頭通常需要根據(jù)毛管控制段長度并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗進行判斷，出于安全性考慮，通常要求支管末端控制點水頭應(yīng)不低于15 m。另外，管徑的確定也是一個關(guān)鍵問題。管徑選得太大，一定程度上會降低管道水頭損失，從而降低水泵揚程，但相應(yīng)會增加工程投資；管徑選得太小，盡管能較大程度地降低管網(wǎng)投資，但相同過流條件下，由于管道流速增大，勢必會增加水泵揚程，同樣會增加后期運行成本[2-4]。為了使投資和運行費用更合理化，《建筑給水排水設(shè)計標準》（GB50019-2019）規(guī)定了不同管徑下的合理給水流速，這一流速通常被稱為經(jīng)濟流速。

2 實例分析

2.1 工程概況

某高標準農(nóng)田地處華北平原，地塊面積約26.67 hm2，主要種植作物為果樹，種植走向為南北向。由于當?shù)貙俚湫偷娜彼貐^(qū)，為提高農(nóng)業(yè)用水效率，擬投資建設(shè)高效節(jié)水灌溉工程，考慮種植作物為果樹，灌溉方式擬采用滴灌，灌溉水源選用當?shù)厮淳?/p>

2.2 控制性輪灌組的確定

根據(jù)滴灌系統(tǒng)規(guī)劃，本片區(qū)共規(guī)劃8 個灌水小區(qū)，每個灌水小區(qū)控制灌溉面積約為3.33 hm2，為滿足作物正常灌水周期需求，計劃每個灌水小區(qū)作為一個輪灌組。控制性輪灌組的確定一般考慮2個方面因素：①距離水源點最遠的輪灌組，由于管線較長，引起沿程水頭損失增大；②地面高程較高的輪灌組，其高程越高，就需要更高的水頭來滿足滴頭壓力[5]。由于本片區(qū)地勢平坦，故可按平坡設(shè)計，在確定控制性輪灌組時，主要考慮距水源點最遠的輪灌組作為控制性輪灌組，如圖1所示。

圖1 控制性輪灌組布置

2.3 管網(wǎng)平差計算

2.3.1 管網(wǎng)計算模型構(gòu)建

在確定控制性輪灌組后，下一步需進行管線布置，本工程中干管為水源點至輪灌組沿線主管，分干管垂直干管布置，支管垂直分干管布置，毛管垂直支管布置，干管、分干管均采用地埋敷設(shè)，埋深根據(jù)當?shù)貎鐾翆雍穸却_定，支管、毛管布置于地表。在完成管線布置后，導(dǎo)入鴻業(yè)市政管線軟件生成管網(wǎng)計算模型，利用軟件完成各節(jié)點編號，結(jié)果如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)計算模型

2.3.2 水源點壓力反算

在鴻業(yè)市政管線軟件中，需定義各節(jié)點流量，本項目中管網(wǎng)模型計算到支管一級，支管節(jié)點流量根據(jù)該支管控制灌溉流量確定。模型中定義節(jié)點1為水源點，則節(jié)點1流量即為管網(wǎng)系統(tǒng)總流量，為避免水源點流量重復(fù)計算，在軟件中僅賦予外部節(jié)點（如BQ7）流量值，而內(nèi)部節(jié)點（如BQ6）流量值則賦為0。為確保控制性輪灌組內(nèi)所有節(jié)點均能正常灌溉，需對模型中最低控制水頭進行賦值，本項目按最低水頭15 m 控制。另外，管徑采用經(jīng)濟流速法確定，經(jīng)計算，干管計算管徑為350～315 mm，分干管計算管徑為200 mm，支管計算管徑為90 mm，模型計算結(jié)果詳見表1—2。

表1 管道參數(shù)計算結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，水源點計算流量為111.041 L/s，水源點計算壓力為29.637 m，管道計算流速相對合理，基本位于經(jīng)濟流速范圍，計算流量、水壓可用于水泵的選型。此外，通過鴻業(yè)市政管線軟件的節(jié)點編號及管線長度提取功能，借助Excel的SUMIF 及VLOOKUP 等函數(shù)可以較為便捷地獲得管道工程量，從而較大幅度提高設(shè)計工作效率[6]。

表2 節(jié)點參數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié)語

筆者結(jié)合自身在供水管網(wǎng)設(shè)計中的實踐經(jīng)驗，通過對比分析供水管網(wǎng)與滴灌工程設(shè)計的相同點和不同點，結(jié)合滴灌設(shè)計特性，首次將鴻業(yè)市政管線軟件用于滴灌工程設(shè)計，在管網(wǎng)平差計算中，通過軟件可以更加快捷地計算水源點壓力，避免了公式計算的重復(fù)進行，同時計算結(jié)果的準確性更佳。另外，鴻業(yè)市政管線軟件的節(jié)點編號及管線長度提供功能對于管網(wǎng)工程量的統(tǒng)計也更為便捷，有助于滴灌工程設(shè)計效率的提高。