低壓管道輸水灌溉技術灌水均勻性問題及對策

蔣曉紅， 龔志浩

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

“十三五”期間全國計劃新增高效節水灌溉面積666.67 萬hm2[1]。低壓管道輸水灌溉(以下簡稱“低壓管灌”)作為高效節水灌溉技術之一，同噴、微灌等相比，基建投資相對較小，運行能耗相對較低，用水管理相對方便，尤其適合向大田作物推廣，也是符合我國國情的一種選擇。

目前，低壓管灌工程在設計過程中通常采用經濟流速法確定管徑，以滿足最不利管線的工作壓力確定水泵揚程。設計結果未經校核，導致管徑偏小，水泵揚程偏高，實際運行中出現配水管首端的放水口水急量大，而末端的放水口則出流量較小甚至無水可放的現象，造成田間灌水不均，影響作物正常用水。目前國內外對噴灌和微灌的灌水均勻性研究較多[2-5]，但針對低壓管灌的灌水均勻性研究卻鮮有人涉及。隨著高效節水灌溉建設的不斷推進，低壓管灌系統灌水均勻性問題已成為一個亟需解決的問題。本文針對該問題提出了相應的解決對策。

1 問題分析

低壓管灌工程灌水不均勻的原因主要是以下幾個方面。

(1)首末放水口工作壓力差較大，即配水管水頭損失較大。當設計流量一定時，導致水頭損失增大的原因：一是管徑過小，二是管長過長。有時受水源和地形所限制，配水管長度難以縮小，此時對管道水頭損失起決定性作用的因素則是管徑。考慮系統工作壓力的均衡，通常需要控制首末灌水器的工作壓力差，合理確定配水管管徑。在噴、微灌工程設計過程中，按規范[6]要求，配水管最小管徑根據“首末2個灌水器工作水頭差不大于設計工作水頭的20%”的原則來確定。而在低壓管灌工程設計過程中，按規范[7]要求，同一配水管上首末放水口出流量應滿足qmin≥0.75qmax。流量差與水頭差的關系見表1。

表1 灌水器流量差與水頭差的關系 %

低壓管道系統設計時，可以根據工程對灌水均勻性的要求，結合投資等因素，合理確定允許的放水口流量差，從而查出對應的水頭差以確定配水管管徑。值得一提的是，設計中往往按等距等流量多孔出流對配水管水頭損失進行簡化計算。一般在噴、微灌工程設計中，同一根配水管上首末灌水器流量差不大于10%，故引入多口系數計算管道水頭損失誤差較小，而在低壓管灌工程設計中，因首末灌水器流量差較大而導致誤差增加，因此初選管徑后有必要對水頭損失進行分段校核。

(2)放水口設計工作水頭不合理。放水口的設計工作水頭，也即水流在該位置所具有的能量。這些能量一部分消耗于出水管路的水頭損失，另一部分則轉化為勢能和出流的動能。當管網布置形式確定后，則勢能變化一定，若放水口工作水頭大，出流量和流速就大。規范[7]推薦的放水口工作水頭為0.3～0.5 m，而工程設計中有的取值高達2.0～3.0 m，一方面造成能量浪費，另一方面造成田塊沖刷。

(3)放水口實際出流量與其設計流量不匹配。放水口管徑一般根據設計流量按小孔出流公式計算確定。而實際運行中，由于配水管首端的工作壓力較大，首端的放水口實際出流量大于設計流量，導致配水管尾端放水口出流量偏小甚至不出水。放水口管徑計算公式如下：

(1)

式中：d為放水口內徑，m；q為放水口設計流量，m3/s；μ為流量系數，根據式(2)和式(3)確定；g為重力加速度，9.81 m/s2；h為放水口設計工作水頭，m。

對于自由出流[8]：

(2)

對于淹沒出流[8]：

(3)

式中：λ為沿程阻力系數；L為放水管的長度，m；ξ為局部水頭損失系數。

由于流量系數的公式中本來就包含d，式(1)在實際計算起來極為不便。實際上，由于管道規格有限，可以采用試算法，先確定放水口口徑，再根據小孔出流公式校核放水口出流量是否滿足要求。

2 設計方法

為了解決上述問題，需對常規設計方法的設計結果進行校核和調整，具體步驟如下。

(1)第1步。收集水源、土壤等基本資料，布置管網及放水口，確定放水口結構形式。

(2)第2步。確定設計灌水定額、一次灌水延續時間、管道工作制度及系統設計流量，結合水位與田塊的高差，初選水泵。

(3)第3步。根據同時工作的放水口個數，確定放水口設計流量；合理確定放水口工作水頭，初選放水口管徑。

(4)第4步。合理確定同一配水管上放水口允許流量差及其對應的工作水頭差，初選配水管管徑。

(5)第5步。利用經濟流速法初選干管等輸水管道的管徑。

(6)第6步。管網水力計算校核，逐段計算配水管水頭損失，推算各個放水口實際的工作水頭和流量。推算方法如下。

根據配水管進口的能量方程：

(4)

則第t個放水口的實際工作水頭為：

(5)

第t個放水口的實際出流量為：

(6)

式中：Hd為配水管進口水頭，m；Hp為水泵揚程，m；ΔH為水源與田面的高差，m；Hin為水泵進水管路水頭損失，m；Ht為輸水管路水損失，m；i為放水口和配水管管段編號；hwi為第i個管段的水頭損失，包括沿程和局部水頭損失，m；A為放水口出水斷面面積，m2；其余變量含義同前。

(7)第7步。校核配水管上放水口出流量之和與配水管進口流量的誤差是否滿足精度要求。根據連續性方程，同一根配水管上所有放水口出流量之和應與配水管進口流量相等，即：

(7)

式中：n為同一根配水管上放水口的數量；Qd為配水管進口設計流量，m3/s；ε為允許的計算誤差。

(8)第8步。以同一根配水管上放水口實際出流量之和作為該配水管進口流量，重新確定水泵工況點，并轉第6步。若在最大校核次數內令式(7)滿足精度要求，則結束計算，否則，轉第2步，重新選擇水泵，重復以上步驟。

上述過程適宜編程實現，流程圖見圖1。

圖1 設計方法流程

3 應用實例

3.1 中德示范區基本情況

中德示范區位于江蘇省黃海農場，面積26.7 hm2，呈長方形狀，東西方向300 m，南北方向900 m。作物為稻麥輪作，田面平均高程2.5 m，土質為粉質黏土，七排河為水源，正常水位1.5 m，水質和水量均能滿足灌溉要求。

3.2 系統規劃布置

灌溉管網共分3級。總干管長20 m，南北向布置輸水到灌區，垂直總干管布置2條長100 m的干管向東西方向分水。布置3條支管配水到田頭，支管間距100 m，每條支管長900 m。支管雙側配水，放水口間距50 m，共108個放水口，各控制一塊50 m×50 m格田。系統布置見圖2。

作物為稻麥輪作，設計灌水定額按水稻泡田定額確定，取150 mm，按照農場用水習慣，泡田期取2 d，系統實施續灌。

3.3 設計結果與分析

常規方法的設計結果：總干管選用DN400的PVC-M管，干管、支管均選用DN315的PVC-M管，放水管選用DN50的PE管，公稱壓力均為0.4 MPa。根據系統設計流量1 080 m3/h，設計揚程6.5 m，選用1臺16HBC-40混流泵，該泵額定流量1 080 m3/h，額定揚程7.8 m，轉速730 r/min，配套30 kW電機。單個放水口設計流量為8.9 m3/h。

根據該設計結果，校核水泵運行工況及各放水口實際出流情況，見表2。

由表2可知：在續灌工作制度下，水泵的運行工況為流量1 260 m3/h，揚程6.8 m，轉速730 r/min。此工況下，支管1、3第1-8個放水口實際出流量遠大于設計流量，而從第9個放水口開始，放水口的實際出流量已不能滿足灌溉要求，第10-18個放水口甚至出現不出水的情況。同樣，支管2第1-7個放水口實際出流量遠大于設計流量，而第9-18個放水口則出現不出水的情況。

注：①支管3與支管1對稱布置，故放水口出流情況同支管1；②支管雙向配水，表中出流量為雙側出水口的出流量。

采用本文所述方法對上述設計方案進行校核和調整，總干管、干管、支管均選用DN400的PVC-M管，放水管選用DN50的PE管，公稱壓力均為0.4 MPa。水泵調整為1臺350ZLB-100軸流泵，該泵額定流量1 224 m3/h，額定揚程4.5 m，轉速1 450 r/min，配套22 kW電機。水泵運行工況及各放水口實際出流情況見表3，各支管放水口出流量沿程變化趨勢見圖3。

表3 校核調整后放水口實際出流情況

注：①支管3與支管1對稱布置，故放水口出流情況同支管1；②支管雙向配水，故同一個位置的放水口流量乘以2。

由表3和圖3可知：方案調整后，在續灌工作制度下，水泵的運行工況為流量1 150 m3/h，揚程3.58 m，轉速1 450 r/min，葉片安放角度-2°。此工況下，各放水口實際出流量均能滿足灌溉要求。由于支管流量沿程分出，管道水頭損失逐漸減小，放水口工作水頭及實際出流量從首到尾逐漸減小，并趨于穩定，同一支管上放水口最大和最小流量差控制在合理范圍，為37.2%左右，灌水均勻性大大提高。

圖3 各支管放水口流量變化趨勢

4 結 語

黃海農場中德示范區由于受水源、地形等因素的限制，配水支管較長。采用常規設計方法，放水口出流量不均，出現尾端放水口不出水現象，不能滿足灌溉要求。雖然可以通過在放水口處設置閥門和水表進行調壓控流，改善灌水均勻性，但是人為調壓耗時、費力、精度低，而且可能出現閥門汽蝕的情況。本文提出的校核和調整方法在不設置閥門和水表的情況下，可以保證每個放水口都能正常放水，且系統的灌水均勻性得到了有效提高，同時通過對水泵和放水口運行工況的校核，提高了系統設計的精度和可靠度。

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[1] 中華人民共和國水利部, 國家發展改革委, 財政部, 等. “十三五”新增1億畝高效節水灌溉面積實施方案[Z]. 2017.

[2] 白珊珊, 萬書勤, 康躍虎, 等. 微噴帶組合灌溉灌水均勻性研究[J]. 節水灌溉, 2015,(5):1-4,8.

[3] 鄭和祥, 李和平, 白巴特爾, 等. 紫花苜蓿中心支軸式噴灌灌水均勻性試驗研究[J]. 干旱地區農業研究, 2016,(6):97-102,109.

[4] 王建眾. 滴灌灌水均勻性試驗研究[D]. 陜西楊凌：西北農林科技大學, 2008.

[5] Ransford Opoku Darko, Yuan Shouqi, Liu Junping, et al. Overview of advances in improving uniformity and water use efficiency of sprinkler irrigation[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2017,(2):1-15.

[6] GB50288-99, 灌溉與排水工程設計規范[S].

[7] GB/T20203-2006, 農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范[S].

[8] 吳持恭. 水力學[M]. 4版.北京: 高等教育出版社, 2007.