低壓管道輸水灌溉技術灌水均勻性問題及對策分析

茅和平 高 叢 郁程鵬

（無錫市三和農業灌排工程設計有限公司，江蘇無錫 214072）

1 灌水均勻性問題分析

1.1 放水口存在較大的壓差及水頭損失

在配水管道的設計流量符合標準時，配水管道的管徑過小或管道過長，均會導致水頭發生損失。在特定條件下，如水源或所處地形因素較為復雜，將無法控制配水管的長度，在這種狀態下導致配水管道的水頭發生損失的主要誘導因素為配水管道的管徑[1-2]。

1.2 放水口設計工作水頭未達到需求標準

放水口的設計工作水頭未達標準，可能是出水管道損失、能量轉換成勢能及功能的出流等方面存在問題。在低壓管道輸水灌溉管網分布形式確立后，水流的勢能處于一定的狀態，當放水口處工作水頭較大時，會導致出流量、水流速度增加，設計標準中，對此類情況下的放水口工作水頭選擇范圍為0.3～0.5 m，按經濟流速確定管徑后，實際的值最大可達到2.0 m，這種選擇范圍會造成能量損失，在實際應用中會對農作物造成沖刷[3-4]。

1.3 放水口流量的設計值與實際值有差異

放水口管道管徑的選擇按照流量的多孔流出公式進行計算所得，在實際中，配水管道首端具有較高壓力，因此，放水口的實際值將高于設計值。

流量的多孔流出公式計算放水口內徑：

式中：q——放水口位置=設計流量數值（m3/s）；μ——流量系數；g——重力加速度，取值為9.807 m/s2；h——放水口的設計工作水頭（m）。

流量系數可分為自由出流、淹沒出流兩種形式：

式中：λ——流量的沿程阻力系數；L——放水管道的長度（m）；ξ——局部水頭損失系數。

根據式（2）、式（3）可知，其中包含放水口內徑d，與式（1）存在矛盾，進行流量系數計算時，由于存在管徑因素的限制，本研究將采用試算法進行計算，即首先選定放水管的內徑，再通過流量的多孔流出公式校驗放水口內徑是否符合要求。

1.4 計算調整、校驗

為了更好地解決上述問題，將對傳統設計中相應的計算進行適當調整、校驗。

對傳統設計的調整校驗流程如圖1所示。

圖1 傳統設計的調整校驗步驟

2 實例分析

2.1 基本情況分析

某農場面積為26.5 hm2，規格為300 m×900 m，農作物為稻麥輪作，農場平均高程為2.5 m，所處區域為粉質黏土，臨近河流可作為灌溉水源，河流水位為1.8 m，水源滿足農作物的灌溉需求。

2.2 低壓管道輸水灌溉系統布置

利用三級管網系統，系統中干管的總長度為20 m，為南北方向布置。

通過垂直于干管分出的兩條長度為100 m的管道進行南北方向分水，使用三條支管將水輸送至田間，各條支管管道長度為900 m，各支管采用雙側配水，各放水口距離50 m，管網中共有放水口110個，各放水口負責50 m×50 m的農田灌溉。該低壓管道輸水灌溉系統設計灌溉定額根據水稻定額計算為150 mm，水稻泡田期為2 d，實施續灌。

系統平面布置如圖2所示。

圖2 系統平面布置

2.3 結果分析

系統調整校驗后各支管放水口出流量如表1所示。

表1 系統調整校驗后各支管放水口出流量

針對常規設計，總干管采用規格為DN400的PVC-M管道，干管、支管與總干管材質相同，規格為DN315，放水管采用PE管規格DN50；系統中管道公稱壓力0.4 MPa；系統設計流量1 100 m3/h，水泵定額揚程為7.5 m，轉速為750 r/min，配30 kW電機；各放水口設計流量為8.8 m3/h。在實施連續灌溉作業的情況下，系統中水泵運行工況流量約為1 260 m3/h、水泵揚程為6.9 m、轉速為750 r/min，系統中支管1～8放水口實際出流量高于設計流量，但各支管放水口均從第9個以后的放水口實際出流量已無法滿足灌溉的需求，尤其是各支管第10～18放水口均為無水狀態。

利用本研究中設計方式對灌溉系統進行計算調整、校驗，總干管、干管、支管均為PVC-M管道、規格為DN400，放水管材質、管徑保持不變。系統中管道壓力為0.4 MPa，將水泵更換為軸流泵，其額定流量為1 225 m3/h、額定揚程為4.6 m、轉速為1 450 r/min，配25 kW電機。

在常規系統中進行有效調整、校驗后，實施連續灌溉作業的情況下，系統水泵運行工況流量為1 150 m3/h、水泵揚程為3.6 m，轉速為1 450 r/min。低壓管道輸水灌溉系統中，各放水口出流量均可達到灌溉的需求，且支管流量沿程分出管道水頭損失逐漸減小，穩定性不斷提高，提升了灌水均勻性。

2.4 工程效益分析

工程實施后按照國民經濟的評價標準進行分析，該農場內部收益率為14.13%，高于社會折現率12%，其經濟效益費用比值為1.15，高于標準值，農場各項經濟指標均符合相關規范標準。

工程成本增加10%～20%及農場效益降低5%～10%時，農場經濟內部收益率在可保持在12.4%～13.30%范圍內，綜合效益費用比值在1.0%～1.03%內波動，該工程具有較好的經濟抗風險能力。

3 結語

常規低壓管道輸水灌溉技術在運用中常出現流量不均勻的情況，無法滿足農業灌溉中的需求，通過對灌溉系統進行計算、調整，可提升各放水口的出流量、灌溉的均勻性，并且對水泵、放水口進行計算校驗，提升了常規低壓管道輸水灌溉系統的穩定性、適用性。