中低壓管道輸水在智慧灌區智能節水灌溉中的應用

楊 慧，黃 偉，王文杰，薛麗敏

(徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

近年來，隨著城市化和農業經濟的發展速度加快，導致農業灌溉用水需求不斷增加。與此同時，受水資源浪費等現象的影響，水資源短缺的問題已經逐漸暴露出來。在此種背景下，智能節水灌溉成為農業灌溉的主要趨勢[1]。中低壓管道輸水技術以適用性廣泛和密封性較強等優勢著稱，是一種較為常見的節水灌溉技術。伴隨著人工智能技術的不斷興起，智能化作業成為農業灌溉的主要模式[2-3]。智慧灌區指的就是結合機器學習技術和大數據技術，輔以傳感器等硬件設備，實現自動化決策。同時，智能節水灌溉對農作物以及灌溉區域的歷史數據依賴性較強，主要體現在對土壤墑情的預測以及配水決策數據的精確度要求方面。由于農業發展直接影響著民生及國情，因此，對中低壓管道輸水在智慧灌區智能節水灌溉的應用展開研究，具有十分重要的現實意義。

1 工程概況

以徐州市邳州市東北部某灌溉區為例，據資料顯示其地形主要以平原為主，土地總面積為200.7km2左右，通過換算，該區域耕地折合約30.1萬畝。該智能灌溉區始建于2016年，土質肥沃并且氣候分明，適合大部分農作物的耕種。據統計，該地區耕地面積19.2萬畝，耕地率63.8%，總體地勢為北高南低，地面高程在27～33m范圍內。在總灌溉面積14.2萬畝的覆蓋范圍中，土壤多見砂礓黑土和黃潮土，并依據實際耕作條件，劃分為東部、西部和北部片區，主要耕作參數見表1。

表1 片區耕作參數

在上述數據的基礎上，3個片區根據降水量以及灌溉需求，制定了適宜區域農業發展的灌溉體系以及排澇體系。但受水資源短缺的大環境影響，該智能灌溉區仍然需要在節水方面進一步優化。

2 智慧灌區智能節水灌溉技術

2.1 獲取中低壓管道輸水二相流參數

中低壓管道在輸水過程中，受時間條件的影響，管道內流速的基本特征是由大到小依次遞減。此時管道內泥沙的淤積狀態也會出現一系列的變化。當水流速度較大的時候，管道內沉積的泥沙與輸水攪拌在一起后就形成了泥水混合狀態的渾水，此時的淤泥大部分都是處于均勻懸浮在管道內部的狀態。當水流速度不斷減小時，渾水的紊動頻率也隨之變弱，而此時的泥沙狀態也逐漸變得不均勻，呈現出非均勻的懸浮狀態[4-5]。而后，當中低壓管道輸水作業完成后，管道內的流速不斷降低，管底的推移運動特征變得更加顯著。當水流經過河床時，通常情況下砂石顆粒的粗糙表面會產生一定的摩擦力。在摩擦力方向與水流方向保持一致的情況下，水流拖曳力的計算公式為：

(1)

式中，λ—阻力系數；E—泥沙在管道中的投影面積，cm2；ρ—水的密度，g/cm3；h—水流作用于床面沙粒上的流速，m/s。在中低壓管道內，當水流處于流動狀態時，砂石顆粒的頂部速度基本等同于管道內的水流速度。同時，對于體積較小的砂石顆粒而言，運動過程中產生的粘結力與砂石粒徑的有效接觸面積成正比例關系，由此得出薄膜水壓力的計算公式為：

f≈φ(g+?)×W1.28

(2)

式中，φ—水流的上舉力，kg/m3；g—砂石底部流速，m/s；?—砂石顆粒之間的空隙厚度，cm；W表—砂石顆粒雷諾數。則此時泥沙之間的粒間離散力的計算公式為：

(3)

式中，S—砂石在輸水過程中產生的阻力，N；σ—砂石之間的最小距離，cm。當砂石顆粒能夠以推移運動的方式與管道內壁分離，不但會導致拖曳力急劇增加，還會造成水流上舉力幾乎消失。

2.2 調整智慧罐區輸水定額

智慧灌區的輸水定額是涉及到農作物灌溉的灌水次數、時間以及具體降水量等項目的1項重要參數。以邳州市東北部某灌溉區中的小麥為例，其用水量變化主要體現在泡田期和生育期2個階段[6]。根據歷史數據，分別計算這兩個階段的用水定額，具體如下：

Y=0.667×(φ+α+β)

(4)

Un=Un-1+Tn+L-V

(5)

式中，φ—耕作時田間所需水層厚度，cm；α—小麥的泡田期水流滲漏量，h·km；β—泡田期持續時間，min；U—水田田面平均蒸發強度，kg/m2h；n—生育期天數，d；L—小麥需水量，mL/kg；V—排水量，mL/kg。同時，作物的需水量與當地降水量和土壤墑情參數息息相關，但是受生產實踐過程中的不確定因素影響，部分農作物的需水量需要以估算的形式展開，具體如下：

(6)

式中，ψ—采樣周期內的水面蒸發量，kg/(m2·h)；K—總體需水量與區域內水層深度的比值。此外，智慧灌區的田間滲透量也是影響節水灌溉效率的重要指標，只有田間持水量大于土壤含水率時，才能基本滿足節水灌溉的需求。

2.3 規劃智能節水灌溉布置模式

中低壓管道在應用過程中對于輸水壓力也有一定的要求，必須結合實際的灌溉工程布局與規劃，選擇地表水加壓還是機井加壓。結合以往的種植經驗可知，根系作物的根系活動層儲水量與智慧灌區內的有效儲水量存在關聯[7-8]。在智能節水的灌溉模式下，土壤含水率既要滿足作為的生長需要，又要符合不發生深層滲漏的標準。則土體有效儲水量的數學表達公式為：

(7)

式中，l—農作物根系活動層的扎根深度，cm；m—土體初始含水率，%；z—灌溉區域的平均降水量，mm；d表示蓄水上限。一般而言，智能節水灌溉作業中，中低壓管道輸水網能夠占總投資的75%～85%。同時，智能節水灌溉是綜合了相間布置以及交錯布置兩種模式的綜合灌溉方式。面對地勢相對較高的區域，設置大于等于3的灌排兩用渠。而針對單相灌水的區域，則可以采取排灌相鄰的模式。在此基礎上，計算智慧灌區的灌水率：

(8)

式中，e—農作物的種植比例；r—水泵輸水利用率，%；t—灌水持續時間，min；i—農作物種類。此外，在同一種布置模式下，開敞式與封閉式灌溉作業之間的差異可以忽略，在田塊規格和溝管路長度方面加以調整。同時，渠道水的利用系數在綜合輸水損失和渠道長度等各項因素后，需要在保留智慧灌區原有的渠系控制條件下，設計不同形式的管道化改造策略。尤其是在管線布置環節，必須與地形地勢相得益彰，以實現降低水頭壓力的目的。針對灌溉區的3個片區地勢特征以及復種指數，分別制定更加具有針對性的節水灌溉方案。

3 實例研究

3.1 管材選擇及管網布局

根據本次研究選取的試驗田基本參數以及農田建設標準，需要在本次研究開始之前，選擇相應管材以及開展管網布局。尤其是對于智慧罐區來說，為了確保在后續若干年內土體仍然能夠順利流轉，必須在滿足當前灌溉需求的前提下，保證土壤的蓄水力。同時，為了保證本次研究結果的準確性，試驗田的耕作層土壤中的有機質含量需保證每公斤土體在20～25g及以上。同時，耕作厚度和有效土層厚度，分別在22cm和55cm左右。同時，對于相應的灌溉、排澇以及降漬作業都要達到及格線以上。智慧灌區的中低壓管道材質主要包括PE、PVC-U、玻璃鋼夾砂管以及混凝土管4種類型。考慮到智慧灌區對技術水平的要求以及造價和耐久性等因素，本次研究的中低壓管材選擇PE材質。此外，在低壓管道布置時，必須充分考慮灌溉區的面積和管道長度，本次研究主要以“工字型”和“豐字形”相結合的方式為主。根據工程的具體灌溉面積以及布局條件限制，本次施工的中低壓管道的管徑應該在140～180mm之間。在完成上述步驟后，展開結果分析的步驟。

3.2 結果分析

由于在實際施工過程中，涉及到灌排渠道淤積嚴重的問題，因此，需要充分考慮中低壓管道中的含沙量以及泥沙密度等影響因素。根據物理能量理論，水流能量與砂石顆粒推移運動之間存在一定關聯。此外，由于管道的公稱外徑能夠直接影響灌溉效率，因此通過泥沙中的顆粒下沉速度，選出其中最適合標本項工程的管材直徑。在此基礎上，計算泥沙中的顆粒下沉速度，具體如下：

(9)

式中，η—砂石含沙量，kg/m3；H—校正系數；μ—粘性摩阻，kg/(m·s)；G—砂石的粒徑，mm。以含沙量上限12%為約束條件，在公式(9)的基礎上，得出不同的中低壓管道公稱外徑工況下，泥沙的顆粒下沉速度。具體見表2。

表2 中低壓管道公稱外徑與顆粒下沉速度

由表2能夠看出，中低壓管道公稱外徑數值越大，顆粒下沉速度越快。但是根據研究選取的工程參數可知，本次施工的中低壓管道的管徑應該在140～180mm之間。同時，考慮到含沙量上限12%的限制，由公式(9)可以推導出，最適宜智慧灌區智能節水灌溉項目的中低壓管道公稱外徑為140mm。

4 結語

在水資源短缺日益嚴重的背景下，智能節水灌溉成為農業發展的重中之重。本文站在節能推廣的視角，將邳州市東北部某灌溉區作為研究對象，詳細描述了中低壓管道輸水技術在智慧灌區的應用。除了能夠真實地反映出該地區灌溉需求特征之外，還通過智能化手段避免了盲目試錯造成資源浪費。并通過水流拖曳力、薄膜水壓力和泥沙之間的粒間離散力一系列計算，獲取中低壓管道輸水二相流參數，估算農作物的需水量，調整智慧罐區輸水定額，得出智能節水灌溉涉及的精確數值，確保工程能夠順利推進。未來將融入更多農作物種類的數據，以完善此次研究成果。