低压管道输水灌溉技术灌水均匀性问题及对策

蒋晓红， 龚志浩

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

“十三五”期间全国计划新增高效节水灌溉面积666.67 万hm2[1]。低压管道输水灌溉(以下简称“低压管灌”)作为高效节水灌溉技术之一，同喷、微灌等相比，基建投资相对较小，运行能耗相对较低，用水管理相对方便，尤其适合向大田作物推广，也是符合我国国情的一种选择。

目前，低压管灌工程在设计过程中通常采用经济流速法确定管径，以满足最不利管线的工作压力确定水泵扬程。设计结果未经校核，导致管径偏小，水泵扬程偏高，实际运行中出现配水管首端的放水口水急量大，而末端的放水口则出流量较小甚至无水可放的现象，造成田间灌水不均，影响作物正常用水。目前国内外对喷灌和微灌的灌水均匀性研究较多[2-5]，但针对低压管灌的灌水均匀性研究却鲜有人涉及。随着高效节水灌溉建设的不断推进，低压管灌系统灌水均匀性问题已成为一个亟需解决的问题。本文针对该问题提出了相应的解决对策。

1 问题分析

低压管灌工程灌水不均匀的原因主要是以下几个方面。

(1)首末放水口工作压力差较大，即配水管水头损失较大。当设计流量一定时，导致水头损失增大的原因：一是管径过小，二是管长过长。有时受水源和地形所限制，配水管长度难以缩小，此时对管道水头损失起决定性作用的因素则是管径。考虑系统工作压力的均衡，通常需要控制首末灌水器的工作压力差，合理确定配水管管径。在喷、微灌工程设计过程中，按规范[6]要求，配水管最小管径根据“首末2个灌水器工作水头差不大于设计工作水头的20%”的原则来确定。而在低压管灌工程设计过程中，按规范[7]要求，同一配水管上首末放水口出流量应满足qmin≥0.75qmax。流量差与水头差的关系见表1。

表1 灌水器流量差与水头差的关系 %

低压管道系统设计时，可以根据工程对灌水均匀性的要求，结合投资等因素，合理确定允许的放水口流量差，从而查出对应的水头差以确定配水管管径。值得一提的是，设计中往往按等距等流量多孔出流对配水管水头损失进行简化计算。一般在喷、微灌工程设计中，同一根配水管上首末灌水器流量差不大于10%，故引入多口系数计算管道水头损失误差较小，而在低压管灌工程设计中，因首末灌水器流量差较大而导致误差增加，因此初选管径后有必要对水头损失进行分段校核。

(2)放水口设计工作水头不合理。放水口的设计工作水头，也即水流在该位置所具有的能量。这些能量一部分消耗于出水管路的水头损失，另一部分则转化为势能和出流的动能。当管网布置形式确定后，则势能变化一定，若放水口工作水头大，出流量和流速就大。规范[7]推荐的放水口工作水头为0.3～0.5 m，而工程设计中有的取值高达2.0～3.0 m，一方面造成能量浪费，另一方面造成田块冲刷。

(3)放水口实际出流量与其设计流量不匹配。放水口管径一般根据设计流量按小孔出流公式计算确定。而实际运行中，由于配水管首端的工作压力较大，首端的放水口实际出流量大于设计流量，导致配水管尾端放水口出流量偏小甚至不出水。放水口管径计算公式如下：

(1)

式中：d为放水口内径，m；q为放水口设计流量，m3/s；μ为流量系数，根据式(2)和式(3)确定；g为重力加速度，9.81 m/s2；h为放水口设计工作水头，m。

对于自由出流[8]：

(2)

对于淹没出流[8]：

(3)

式中：λ为沿程阻力系数；L为放水管的长度，m；ξ为局部水头损失系数。

由于流量系数的公式中本来就包含d，式(1)在实际计算起来极为不便。实际上，由于管道规格有限，可以采用试算法，先确定放水口口径，再根据小孔出流公式校核放水口出流量是否满足要求。

2 设计方法

为了解决上述问题，需对常规设计方法的设计结果进行校核和调整，具体步骤如下。

(1)第1步。收集水源、土壤等基本资料，布置管网及放水口，确定放水口结构形式。

(2)第2步。确定设计灌水定额、一次灌水延续时间、管道工作制度及系统设计流量，结合水位与田块的高差，初选水泵。

(3)第3步。根据同时工作的放水口个数，确定放水口设计流量；合理确定放水口工作水头，初选放水口管径。

(4)第4步。合理确定同一配水管上放水口允许流量差及其对应的工作水头差，初选配水管管径。

(5)第5步。利用经济流速法初选干管等输水管道的管径。

(6)第6步。管网水力计算校核，逐段计算配水管水头损失，推算各个放水口实际的工作水头和流量。推算方法如下。

根据配水管进口的能量方程：

(4)

则第t个放水口的实际工作水头为：

(5)

第t个放水口的实际出流量为：

(6)

式中：Hd为配水管进口水头，m；Hp为水泵扬程，m；ΔH为水源与田面的高差，m；Hin为水泵进水管路水头损失，m；Ht为输水管路水损失，m；i为放水口和配水管管段编号；hwi为第i个管段的水头损失，包括沿程和局部水头损失，m；A为放水口出水断面面积，m2；其余变量含义同前。

(7)第7步。校核配水管上放水口出流量之和与配水管进口流量的误差是否满足精度要求。根据连续性方程，同一根配水管上所有放水口出流量之和应与配水管进口流量相等，即：

(7)

式中：n为同一根配水管上放水口的数量；Qd为配水管进口设计流量，m3/s；ε为允许的计算误差。

(8)第8步。以同一根配水管上放水口实际出流量之和作为该配水管进口流量，重新确定水泵工况点，并转第6步。若在最大校核次数内令式(7)满足精度要求，则结束计算，否则，转第2步，重新选择水泵，重复以上步骤。

上述过程适宜编程实现，流程图见图1。

图1 设计方法流程

3 应用实例

3.1 中德示范区基本情况

中德示范区位于江苏省黄海农场，面积26.7 hm2，呈长方形状，东西方向300 m，南北方向900 m。作物为稻麦轮作，田面平均高程2.5 m，土质为粉质黏土，七排河为水源，正常水位1.5 m，水质和水量均能满足灌溉要求。

3.2 系统规划布置

灌溉管网共分3级。总干管长20 m，南北向布置输水到灌区，垂直总干管布置2条长100 m的干管向东西方向分水。布置3条支管配水到田头，支管间距100 m，每条支管长900 m。支管双侧配水，放水口间距50 m，共108个放水口，各控制一块50 m×50 m格田。系统布置见图2。

作物为稻麦轮作，设计灌水定额按水稻泡田定额确定，取150 mm，按照农场用水习惯，泡田期取2 d，系统实施续灌。

3.3 设计结果与分析

常规方法的设计结果：总干管选用DN400的PVC-M管，干管、支管均选用DN315的PVC-M管，放水管选用DN50的PE管，公称压力均为0.4 MPa。根据系统设计流量1 080 m3/h，设计扬程6.5 m，选用1台16HBC-40混流泵，该泵额定流量1 080 m3/h，额定扬程7.8 m，转速730 r/min，配套30 kW电机。单个放水口设计流量为8.9 m3/h。

根据该设计结果，校核水泵运行工况及各放水口实际出流情况，见表2。

由表2可知：在续灌工作制度下，水泵的运行工况为流量1 260 m3/h，扬程6.8 m，转速730 r/min。此工况下，支管1、3第1-8个放水口实际出流量远大于设计流量，而从第9个放水口开始，放水口的实际出流量已不能满足灌溉要求，第10-18个放水口甚至出现不出水的情况。同样，支管2第1-7个放水口实际出流量远大于设计流量，而第9-18个放水口则出现不出水的情况。

注：①支管3与支管1对称布置，故放水口出流情况同支管1；②支管双向配水，表中出流量为双侧出水口的出流量。

采用本文所述方法对上述设计方案进行校核和调整，总干管、干管、支管均选用DN400的PVC-M管，放水管选用DN50的PE管，公称压力均为0.4 MPa。水泵调整为1台350ZLB-100轴流泵，该泵额定流量1 224 m3/h，额定扬程4.5 m，转速1 450 r/min，配套22 kW电机。水泵运行工况及各放水口实际出流情况见表3，各支管放水口出流量沿程变化趋势见图3。

表3 校核调整后放水口实际出流情况

注：①支管3与支管1对称布置，故放水口出流情况同支管1；②支管双向配水，故同一个位置的放水口流量乘以2。

由表3和图3可知：方案调整后，在续灌工作制度下，水泵的运行工况为流量1 150 m3/h，扬程3.58 m，转速1 450 r/min，叶片安放角度-2°。此工况下，各放水口实际出流量均能满足灌溉要求。由于支管流量沿程分出，管道水头损失逐渐减小，放水口工作水头及实际出流量从首到尾逐渐减小，并趋于稳定，同一支管上放水口最大和最小流量差控制在合理范围，为37.2%左右，灌水均匀性大大提高。

图3 各支管放水口流量变化趋势

4 结 语

黄海农场中德示范区由于受水源、地形等因素的限制，配水支管较长。采用常规设计方法，放水口出流量不均，出现尾端放水口不出水现象，不能满足灌溉要求。虽然可以通过在放水口处设置阀门和水表进行调压控流，改善灌水均匀性，但是人为调压耗时、费力、精度低，而且可能出现阀门汽蚀的情况。本文提出的校核和调整方法在不设置阀门和水表的情况下，可以保证每个放水口都能正常放水，且系统的灌水均匀性得到了有效提高，同时通过对水泵和放水口运行工况的校核，提高了系统设计的精度和可靠度。

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[1] 中华人民共和国水利部, 国家发展改革委, 财政部, 等. “十三五”新增1亿亩高效节水灌溉面积实施方案[Z]. 2017.

[2] 白珊珊, 万书勤, 康跃虎, 等. 微喷带组合灌溉灌水均匀性研究[J]. 节水灌溉, 2015,(5):1-4,8.

[3] 郑和祥, 李和平, 白巴特尔, 等. 紫花苜蓿中心支轴式喷灌灌水均匀性试验研究[J]. 干旱地区农业研究, 2016,(6):97-102,109.

[4] 王建众. 滴灌灌水均匀性试验研究[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学, 2008.

[5] Ransford Opoku Darko, Yuan Shouqi, Liu Junping, et al. Overview of advances in improving uniformity and water use efficiency of sprinkler irrigation[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2017,(2):1-15.

[6] GB50288-99, 灌溉与排水工程设计规范[S].

[7] GB/T20203-2006, 农田低压管道输水灌溉工程技术规范[S].

[8] 吴持恭. 水力学[M]. 4版.北京: 高等教育出版社, 2007.