通南高沙土區低壓管道灌區 控制面積優化研究

姜國華， 單媛媛

(1.如皋市水利建筑安裝工程有限公司， 江蘇 南通 226500； 2.如皋經濟技術開發區水利服務站， 江蘇 南通 226576)

通南高沙土區位于長江三角洲北緣，含泰州、南通、揚州市的8個縣(市)，耕地面積22.33萬hm2。近年來，該地區積極推進以管道灌溉為主的高效節水灌溉工程建設，實施了一大批管道灌溉工程。已建項目后評價表明，部分管道灌區一次性投資成本太大、耗電過高，對后期管道灌溉的大面積推廣造成一定影響。開展控制面積優化研究，可降低工程建設成本和運行成本，更好地指導規劃設計工作[1-2]。

1 研究路線

以通南高沙土地區控制灌溉面積13.33 hm2、16.67 hm2、20 hm2為例，進行管灌系統設計。在此基礎上進行典型灌區裝置效率、管網工程單位面積投資、單位面積年耗電費用3項技術指標計算與評價。

2 管灌系統設計

規劃區域為長方形，長寬比為2∶1。灌溉水源取自河道，取水泵站位于長方形區域的角點，設計凈揚程3.5 m。

結合如皋本地農業生產情況，泡田期灌溉定額m取1 500 m3/hm2，灌水周期T取2 d，日工作時間t=15 h。根據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T 20203—2006)要求，取管道水利用系數η管=0.95，田間水利用系數η田=0.95[3-4]。

2.1 設計流量推求

根據設計灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天的灌水時間，按式(1)計算灌溉設計流量：

(1)

式中：Q0為管灌系統的灌溉設計流量，m3/h；αi為灌水高峰期第i種作物的種植比例，取1.0；mi為灌水高峰期第i種作物的設計灌水定額，項目區主要作物為稻麥輪作，mi按水稻泡田定額計，取1 500 m3/hm2；e為灌水高峰期的作物種類，取1.0；η=η管×η田=0.903；T為設計灌水周期，取T=2 d；t為每天灌水時間，取15 h；A為灌溉面積，hm2。

2.2 灌溉管網布置

管道系統按樹狀管網布置，采用地埋式干、支兩級固定管道，支管上布置全塑出水口出水。管材選用硬聚氯乙烯PVC-U管材。管徑采用經濟流速法確定，計算公式如下：

(2)

式中：D為設計管徑，mm；Q為管道設計流量，m3/h；v為經濟流速，塑料管中一般為1.0～1.5 m/s，取1.2 m/s。

經過比選，選擇干、支管管徑。

干管：13.33 hm2的管灌區采用Φ450 mm、Φ280 mm兩種規格，16.67 hm2的管灌區采用Φ500 mm、Φ280 mm兩種規格，20 hm2的管灌區采用Φ560 mm、Φ315 mm兩種規格。

支管：全部采用Φ250 mm、Φ160 mm兩種規格。

2.3 管道系統設計工作水頭

(1)管道沿程水頭損失hf

管道沿程水頭損失hf計算式為

(3)

式中：hf為沿程水頭損失，m；f為管材摩阻系數，塑料管取f=0.948×105；Q為管道設計流量，m3/h；D為管內徑，mm；m為流量指數，塑料管取m=1.77；b為管徑指數，塑料管取b=4.77；L為管道長度，m。

由于干、支管沿程流量逐漸變化，管路損失需按各段實際流量逐一分段計算。對于支管，為簡化水頭損失計算過程，可采用考慮多口系數的修正沿程損失公式計算。

(2)局部水頭損失

為簡化計算，局部水頭損失可按沿程水頭損失的10%～15%考慮。此處取沿程水頭損失的15%作為局部水頭損失。

(3)管道系統最大、最小工作水頭

管道系統最大、最小工作水頭分別按以下公式計算：

Hmax=Z2-Z0+ΔZ2+∑hf2+∑hj2+h0

(4)

Hmin=Z1-Z0+ΔZ1+∑hf1+∑hj1+h0

(5)

式中：Hmax、Hmin分別為管道系統最大、最小工作水頭，m；Z1為參考點1的地面高程，m，在平原地區參考點1一般為距水源最近的給水栓；Z2為參考點2的地面高程，m，在平原地區參考點2一般為距水源最遠的給水栓；Z0為管道系統進口高程，取-0.7 m；ΔZ1、ΔZ2分別為參考點1、2處給水栓出口中心線與地面的高差，給水栓出口中心線的高程應為其控制的田間最高地面高程加0.15 m，考慮田塊內部的高差0.05 m，取ΔZ1、ΔZ2為0.2 m；∑hf1，∑hf2為管道系統進口至參考點1、2給水栓的管路沿程水頭損失，m；∑hj1，∑hj2為管道系統進口至參考點1、2給水栓的管路局部水頭損失，m；h0為給水栓工作水頭，取0.4 m。

(4)管道系統設計工作水頭

需設水泵加壓的管道灌溉系統，其設計工作水頭宜按最大和最小工作水頭的平均值近似取用，計算式為

(6)

式中：H0為管道系統設計工作水頭，m。

2.4 水泵選型及動力機配套

(1)水泵揚程計算

水泵設計揚程計算式為

Hp=H0+Z0-Zd+∑hf0+∑fj0

(7)

式中：Hp為灌溉系統水泵的設計揚程，m；H0為管道系統設計工作水頭，m；Z0為管道系統進口高程，取-0.7 m；Zd為泵站前池水位，取-3.5 m；∑hf0、∑fj0為水泵吸水管進口至壓水管出口之間的管道沿程水頭損失與局部水頭損失，m。

其中，水泵壓水管出口與前池水位高差取3.5 m，水泵吸水管進口至管道系統進口之間的水頭損失按該高差的25%取值為0.87 m。

(2)水泵及電機選擇

根據設計揚程、設計流量，查變頻控制條件下低揚程水泵選型成果表，選擇水泵型號和電動機配套功率。

通過計算水泵管路阻力參數S1、管網阻力參數S2，求得裝置需要的揚程曲線，以此進行工況點校核。確保在變頻控制條件下，所選水泵型號在設計揚程、最小揚程和最大揚程工況時均在高效區運行，流量滿足灌溉用水要求，同時進行電機功率復核。

電動機配套功率計算式為

Pd=KpPz/ηc

(8)

式中：Pd為動力機功率配套值，kW；Kp為動力機功率備用系數，取1.15；Pz為水泵軸功率，kW；ηc為傳動效率，直接傳動方式取1.0。

水泵及電機選擇結果：13.33 hm2的灌區水泵選用300HW-8混流泵(轉速970 r/min)，配22 kW電機；16.67 hm2的灌區水泵選用350HW-8混流泵(轉速980 r/min)，配30 kW電機；20 hm2的灌區水泵選用400HW-7混流泵(轉速730 r/min)，配30 kW電機。

3 技術指標計算

3.1 裝置效率

(1)管路效率η管

管路效率可以用管路的輸出和輸入功率之比求得。設計工況下管路的輸出功率為ρgHstQ，輸入功率為水泵的有效功率即ρgHpQ,其中Hp和Hst分別為水泵設計揚程和凈揚程，故管路效率η管計算公式為

(9)

式中：Hp為設計揚程，m；Δh為水泵吸水管進口至管道系統進口之間的管道水頭損失。

(2)傳動效率η傳

傳動方式為直接傳動，取η傳=1.0。

(3)動力機效率η動

根據所選電動機的型號查詢η動。

(4)水泵效率η泵

根據水泵設計工況，查性能曲線得出η泵。

(5)裝置效率η

裝置效率計算公式為

η=η管η傳η動η泵

(10)

3.2 管網工程單位面積投資

計算管網工程總投資G，管網工程單位面積投資C的計算式為

C=G/A

(11)

式中：G為總投資，元；A為灌溉面積，hm2。

3.3 單位面積年耗電費用

提水電費即為泵站向管網輸水并且滿足灌溉所需壓力的動力費用，泵站所消耗電量計算式為

(12)

根據計算電量，電單價取0.52元，可計算出單位面積年耗電費用。

4 技術指標評價

針對通南高沙土地區不同控制灌溉面積的灌區典型設計，以裝置效率、管網工程單位面積投資和單位面積年耗電費用為評價指標(表1)，確定管道灌區適宜控制面積。其中，電費中的灌溉定額根據實地考察采用1 200 m3/hm2。

表1 通南高沙土區不同控制面積管道灌區的技術指標

(1)節能指標

裝置效率是管道灌溉項目的節能指標。從表1可以看出，通過優化管路布局和水泵選型，不同控制面積的典型灌區的泵站裝置效率均大于65%，其中控制面積為20 hm2的裝置效率最高。從節能角度看，單機單泵控制面積在20 hm2左右節能效果較佳。

(2)經濟指標

管網工程單位面積投資和單位面積年耗電費用作為管道灌溉系統的經濟指標進行評價。從表1可以看出，當控制面積為13.33 hm2時，管網工程單位面積投資為50 928元/hm2，在三者中最低；當控制面積為16.67 hm2時，管網工程單位面積投資為52 494元/ hm2，為三者中最高。從單位面積年耗電費用指標看，不同控制面積情況下的單位面積年耗電費用成本差別不大，且單位面積年耗電費用成本與管網工程單位面積投資相比，在總成本中所占比重很小。按工程使用15年考慮，當控制面積在13.33 hm2左右時，所需成本最低，工程的經濟效益最好。

綜合以上對管道灌區的節能指標和經濟指標的分析，建議低壓管道灌區單機單泵的控制灌溉面積控制在13.33 hm2左右。管網布置優先采用樹狀管網，設2～3級固定管道，出水口口徑宜選用110 mm。

5 結 語

低壓管道灌溉具有節水、節地、省工等優點，具有廣闊的使用前景。管道灌區控制面積優化研究成果近年已在如皋市推廣應用，實踐證明管網工程單位面積投資及單位面積年耗電費用指標明顯下降。該研究成果可為通南高沙土區管道灌溉系統規劃設計提供技術支撐和示范引領，項目研究符合一定的社會需求，經濟效益和社會效益明顯。