微灌設計中管道流量的實用計算方法

張中華，李 鳴，朱登平，吳 竹，李銀華，左光燕，覃 通，李 華

(1.上海節水灌溉工程技術研究中心、華維節水科技集團股份有限公司，上海 金山 201505；2.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023)

微灌系統的流量計算是依據管網布置，按照最不利水力條件的應用場景逐段進行的，對地形、管網水力學運行場景等分析條件要求較高，遇到環狀管網、隨機運行，輪灌制度多變時，僅采用支狀管網、單一支管或毛管計算存在一定的誤差。參考文獻[1] 給出了復雜管網的精確分析計算方法，參考文獻[2-4,7]都是試圖通過細分出管網的管段水力計算模型得到計算結果。模擬真實運行條件下的管道流量、壓力，解決了水力分析中流量確定的問題[5]。

然而，計算假定的運行場景管網水力條件并不是普遍條件，不能夠說明其假定條件就是真實的運行條件。對于灌溉工程來說，管道在運行過程中工作水頭壓力允許有20%的誤差，灌水器出水流量允許有10%的誤差，在這種條件下可以認為管道的灌水器流量是不變的或者說毛管、支管的流量就是毛管、支管上所有的灌水器的流量總和。

對于小型灌溉項目，常常會碰到“以水定地”的問題，以水定地就是有多少水(水源來水量)灌多少地。假定水源的總來水量是Q(m3/h)，計算目標就是把這個水量用完，能夠灌溉多少面積土地。本文利用GB/T 50485-2009《微灌工程技術規范》公式(3.2.3-1)的基本概念，給出一種更加方便計算的、也更加簡便的基于管道控制的灌溉面積，直接計算管道的流量計算方法。

1 計算公式

GB/T 50485-2009《微灌工程技術規范》公式(3.2.3-1)從水量平衡的角度給出了在供水量給定的條件下，如果沒有淋洗要求，灌溉面積A按公式(1)計算：

(1)

式中：A為灌溉面積，hm2；Qs為供水的流量， m3/h；td為日供水時間，h；Ia為灌溉供水強度，mm/d，無淋洗要求時Ia=Ea，Ea是設計耗水強度，mm/d；η為灌溉水利用系數。

文獻[5]公式(2)給出了需要灌溉的面積A1已經確定時，要求計算水源需水量Qs，或者是水泵的流量、揚程的計算方法。對上述公式做出變換，給出補充滿足作物一天耗水量的水源需水量的簡單計算方法：

(2)

式中：Qs為供水的流量，m3/h；A1為一次灌溉的灌水面積，hm2；t1為一次灌水時間，h；m1為一次灌溉所需要的灌水定額(灌溉的用水量)，mm/d；η為灌溉水利用系數；1 000為單位換算系數。

進一步，給出針對任意灌溉控制面積Ai的灌水需要流量的計算公式：

(3)

式中：Qi為單元設計流量，m3/h；Ai為單元設計控制面積，hm2；ti為單元設計灌水時間，h；mi為單元設計灌溉定額，mm/d；η為設計灌溉水利用系數。

公式(3)的形式與公式(2)一樣，但是具體的含義已經改變。采用公式(3)計算，就可以計算出設計灌溉單元控制面積Ai對應的Qi，而且mi，ti，η可以采用系統設計時單元工作要求的灌水定額和灌水時間。

應當特別指出的是，如Ai對應支(毛)管的灌水控制面積，這個控制面積就是支(毛)管開啟后其通過的水流能夠達到區域的面積，Qi就是支管的設計流量。簡單地說，如Ai對應灌水器，Qi就是灌水器的設計流量。至此，利用GB/T 50485-2009《微灌工程技術規范》的水量平衡計算原理，得到管道流量的具體計算公式。滿足工作壓力及流量均勻度的偏差要求是公式成立的前提條件，也是管道流量計算精度滿足工程項目計算要求的關鍵因素。

2 控制面積

為了更好地說明灌溉控制面積的含義，加深對高效灌溉水力計算分析實用方法的理解，這里提出以下基本的概念定義。

定義灌溉單元為：支管、毛管或出水口由單一閘閥控制下的灌溉區域。

定義灌溉單元控制面積為：單元灌溉水流能夠達到的、單元控制下的所有地塊面積。

定義灌溉單元設計流量為：灌溉單元控制面積所需要的灌溉水設計流量。

有了以上定義，已知控制面積，采用公式(3)計算其對應的設計流量就更加容易理解。

如圖1所示，L是灌水器的間距，S是毛管的間距，即對單一灌水器來說，其灌水控制面積就是L×S。注意這個控制面積并不是灌水器的濕潤面積，它僅僅是表明灌水器能夠分配到的單元面積，含有濕潤面積部分，同時大于濕潤面積?；诠嗨骺刂泼娣e可以計算出整個微灌系統使用的灌水器數量。

圖1 微灌灌水器控制面積

公式(3)的Ai可以是圖1中的灌水器控制面積，也可以是毛管或支管水流能夠到達區域的面積。具體來說，可以將其定義為控制閘閥下游的灌水面積。如果，閘閥以下的控制面積是Ai(hm2)，其對應的灌水流量就是公式(3)的Qi，見圖2。

圖2 微灌毛管對應的控制面積

有不少專業書，特別是農業灌溉的專業書，采用一次灌溉使土壤田間持水量達到一個值，等植物消耗完土壤內的有效水分后，再灌溉一次的方法，這就是周期輪灌的思路。而采用一次灌溉滿足植物一天耗水量的設計理念，也即一次灌溉的用水量就是作物一天所需水量相對更加合理。這也是現代微灌特別是自動化灌溉系統設計常用的作物灌溉計算場景的假定條件。

這里應當指出，根據物質的質量不變定律，無論是一次灌水滿足作物一天耗水量，還是一次灌水滿足作物T天的耗水總量，面積Ai上同等時段內兩種方法的滿足植物耗水需求的灌水總量Qi是一樣的，也即其需要的灌水總時間是不變的。

3 計算實例

廣西右江某地塊地圖測量得到面積為106.5 hm2，種植凈面積為105.0 hm2，見圖3。作物為柑桔，株距2.0 m, 行距為6.0 m ，設計采用滴灌管，滴頭間距為0.5 m，滴頭流量為2.0 L/h，每行果樹布置兩條滴灌管，其部分計算結果見表1及表2。

因為本文只討論微灌面積與其對應流量的計算方法及其依據和實用的計算公式，計算過程在這里不做詳細介紹。

圖3 微灌工程計算實例局部圖

表1 百色右江地塊設計特性表

表2 百色右江地塊灌溉制度

4 結 語

根據國家標準GBT50485-2009《微灌工程技術規范》2009[6]公式(3.2.3-1)進行變換，得到本文的公式(3)。把支管、毛管或出水口由單一閘閥控制下的灌溉區域定義為灌溉單元。灌溉單元控制面積是指灌溉單元控制下水流能夠到達的地塊面積。那么灌溉單元設計需要的灌溉水流量可由公式(3)計算。這個公式可以推廣到依據灌水器、支管、干管等控制面積，從而計算進水口端對應的管道過水總流量，更進一步，在微灌工程上還可以利用灌水器控制面積的大小，計算出灌溉控制面積內的所有灌水器的數量，甚至于灌溉使用的支(毛)管的數量。