蘇北稻區低壓管灌工程優化設計中若干關鍵問題研究

王 剛 徐鵬飛 代 晴 王海波 張麗萍 牛平平

（1.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221002 2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223000 3.安徽華邦工程設計有限公司 淮北 235000）

1 問題的提出

由于江蘇省水資源時空分布極不均勻，北方水少地多，南方水多地少，蘇北有限的水資源嚴重制約著水稻事業的發展。因此，研究水稻節水灌溉技術，對保障區域糧食安全、緩解區域水資源供需矛盾和推動農業現代化進程和實施鄉村振興戰略具有十分重要的意義。

低壓管灌技術是目前公認的高效節水灌溉方式之一，其具有節水、節地、省工、輸水速度快、地形適應能力強、便于實現水肥一體化、自動化和智能化等優點，目前在北方旱作物井灌區推廣應用面積較大，但對于具有灌溉面積大、灌水量多和灌水集中等特點的稻區低壓管灌優化設計的研究較少。目前，在蘇北地區低壓管灌工程設計中對于管材選擇、管網布置形式、灌溉制度、最優單站控制灌溉面積、管道經濟流速、附屬設施的優化布置等若干關鍵問題認識仍不夠深入。為充分發揮低壓管灌工程的技術優勢，促進管灌技術在水稻節水灌溉中更好地推廣應用，有必要對稻區低壓管灌工程優化設計中的若干問題開展系統的研究。

2 低壓管灌系統優化設計關鍵問題研究

蘇北稻區低壓管灌系統組成包括：水源工程（泵站）、輸配水管網、田間灌水系統和附屬設施等，由此可見影響系統優化設計的因素較多。在解決此問題時，首先應對影響系統設計的各個因素進行分析，找出主要因素，按照由主到次的順序逐步優化。本文以泵站和灌溉管網相關設計規范為基礎，建立以年均畝成本最小為目標函數，采用分層優化方法、并利用Matlab中的優化工具箱進行優化分析，逐步解決低壓管灌工程優化設計若干關鍵問題。

2.1 目標函數的建立

本文建立以一定折舊年限內年均畝成本最小的目標函數如下：

式中：Wmin為年均畝成本（元/畝·年）；C為系統總造價（元）；T為折舊年限（年）；M為年運行費用（元），包括工程維護費用、管理費用、固定資產保險、抽水電費和水資源費等；A為單站控制灌溉面積（畝）。

2.2 管材優化選擇

管道是水流輸送的載體，選擇應以經濟合理、安全可靠、便于施工等為目標進行綜合確定。目前，可用于管灌工程的管材主要有：鋼筋混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、PVC-U管和PE管等，技術定性分析可知PE管和PVC-U管具有安裝、運輸、施工方便，投資省和水損小的明顯優勢，目前在灌溉工程上得到了廣泛應用。相同管徑的PE管價格約為PVC-U管價格的1.5倍，本著工程造價最低的目標，管徑≤DN500管選用PVC-U管，管徑＞DN500選用球墨鑄鐵管，同時建議國家推進大口徑管材研發，供工程選擇使用。

2.3 管網布置形式及輪灌組優化選擇

低壓管灌工程管網形式一般為樹狀和環狀管網，環狀管網造價明顯高于樹狀管網。輪灌組數越多，各支管所需管徑越大。因此就目標函數最低來講，設計推薦采用樹狀管網，輪灌組盡量少，本文建議2～3組為宜。

2.4 最優控制灌溉面積的確定

蘇北地區稻區低壓管灌單站控制灌溉面積以多少為最優，一直困擾著工程設計和管理人員，直接關系到工程投資和運行管理。為得到最優單站控制灌溉面積，此次灌溉系統設計采用同一設計邊界條件，僅考慮單站控制灌溉面積變化對目標函數的影響，邊界條件如下：

（1）管網布置：低壓管灌管網一般在原渠系的基礎上進行改造升級，渠系一般以梳齒形和豐字形布局居多，本次以梳齒形布置形式進行管網布置。根據《高標準農田建設標準》平原地區斗渠間距宜為400～800m；末級固定渠道（農渠）長度宜為400～800m，間距宜為100～200m。此次模擬田塊長度取400m，寬度取100m，灌溉面積以60畝為基本單元遞增布置，管網布置示意如圖1所示。

表1 年運行費用計算方法及相關參數的選取表

圖1 田塊管網布置示意圖

圖2 面積與年均畝成本關系曲線圖

圖3 流速與年固定投資和運行費關系曲線圖

圖4 流速與年均畝成本關系曲線圖

（2）流量的確定和灌溉制度：灌溉流量計算采用《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T20203-2006）中的流量計算公式，灌水定額泡田期85m3/（5天·畝），灌溉水利用系數0.85，采用2個輪灌組。

（3）根據規范GB/T20203-2006，初估管道流速塑料管取1～1.5m/s。

（4）泵站土建、水機和電氣設計參照現行規范，電氣配置僅考慮變壓器（不含）以下部分。

（5）年運行費用：根據規范SL72-2013附錄C，折舊年限T=20年；年運行費用為表1中項目之和，各單項計算方法和依據如表1所示。

根據以上邊界條件，計算不同灌溉面積系統的固定資產投資、年運行費用和年均畝成本，并采用Matlab對單站面積和年均畝成本進行擬合，擬合曲線為4次多項式（y =1.926×10-09x4-4.414×10-06x3+0.003669x2-1.291x+344.8），關系曲線如圖2所示，采用優化工具箱中的最優化方法求得最優控制灌溉面積為367.9畝，建議單站控制灌溉面積為300～400畝。

2.5 管道經濟流速分析

為避免懸浮物在管道中沉積和防止管網因水錘造成破壞，供水管網流速范圍為0.6～3.0m/s，可見技術上允許的流速幅度較大。為確定適用于蘇北地區的塑料管道最優流速，本文采用接近最優控制面積的360畝田塊管網布置為基礎，僅改變管道平均流速。并將管道流速與年運行費用、年均固定投資和年均畝成本等計算成果的關系進行擬合，得到關系曲線如圖3和圖4所示。

由圖3可知流量相同時，流速越小，灌溉系統年固定投資越大；年運行費用隨著流速的逐步增大先減少后增加，這是由于流速增大，造成水頭損失增加，從而使經常性抽水電費增加。管內平均流速和年均畝成本關系曲線為4次多項式（y =16.11x4-135.1x3+419.9x2-561.7x+453.3），采用優化工具箱中最優化方法分析得最優管內流速為1.44m/s，對應年均畝成本最小值為181.0元/畝·年。本文管道流速建議取值1.2～1.5，并宜取大值。

2.6 附屬設施優化布置

管道附屬設施包括出水口、安全保護裝置、分取水裝置和排水裝置。目前工程設計對附屬設施設計重視不夠，從而導致工程事故頻發。本文經過長期實踐提供一些經驗供設計者參考：（1）管灌工程灌水器主要為出水口，其選擇直接關系整個管網的灌水效率和使用安全。由于農業機械化程度的提高，農機極易對出水口造成破壞，因此宜選用具有地埋式和耐銹蝕的產品，同時應加強出水口的消能防沖設計；（2）干、支管入口應設置必要的閥門，若閥門數量過少，一旦發生事故，不但延誤搶修時間，浪費水源，供水無法保障，還會因水量外泄形成次生災害；（3）由于塑料管自身特性易產生爆管，水泵啟停設備宜選用變頻控制等軟啟動方式，管網應配備安全閥和足夠的自動進排氣閥，防止因水錘和氣錘造成破壞；（4）在輸水管線的最低點和管道末端應布置泄水閥，并設置排污井或接入河道，以便排除管內沉淀物；冬季和檢修時放空管內積水。

3 結語

本文通過分層優化方法，對蘇北稻區低壓管灌工程優化設計中若干關鍵問題進行了研究分析，有如下經驗供類似工程借鑒：（1）設計推薦管徑＞DN500選用球墨鑄鐵管，管徑≤DN500管選用PVC-U管；（2）建議管網采用樹狀管網，輪灌組建議2～3組為宜；（3）最優控制灌溉面積367畝左右，建議單站控制灌溉面積300～400畝為宜；（4）管道流速建議采用1.2～1.5m/s，宜取大值；（5）管道附屬設施是管網能否長久運行的關鍵，應加強合理布置和優化設計，并制定明確安全的運行方案，確保工程安全、高效運行。目前稻區低壓管灌工程在徐州地區得到了大面積應用，取得了較好的效果，為蘇北稻區低壓管灌工程規劃設計提供了一些經驗依據，也為國內其他相似灌區設計提供了一定的經驗借鑒■