低压管道灌水均匀性的影响因素及对策

王洪俊

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400）

1 低压管道输水灌溉技术的特点和适用条件

低压管道输水灌溉技术指的是借助管道进行输水和配水，在田间通过软管或者闸管系统、传统地面灌溉技术所开展的灌溉技术。其中“低压”指的是末级水管的出水压力相比于滴灌系统、喷灌系统，远小于灌水器工作压力，通常情况下出水压力低于3 kPa，平原提水灌区，系统的工作压力低于0.10 MPa，丘陵区域，工作压力低于0.20 MPa。低压管道输水灌溉技术具有省工、节时、节能、节水、适用性较强优势。但是低压管道输水灌溉技术应用所需要的相关设备以及管件较多，多泥沙水进行灌溉时还将导致泥沙淤积问题。在不考虑建设水源因素时，低压管道输水灌溉系统的造价成本为100～150元/hm2，满足中国农村经济发展状况，适用于低含沙量渠水与机井抽水灌溉。

2 低压管道输水灌溉系统组成

此案例低压管道输水灌溉系统主要由水源、取水枢纽、灌水系统、输水管、配水管、给水设备、保护装置组成。其中，水源是井水，但只要满足灌溉需求，水渠、水库、河湖都可以作水源，如果水源中含有较多的杂质和沙量，需要首先进行沉沙等处理再使用。取水枢纽主要为动力机、水泵和相关配套设施。输水、配水管网，因为农业种植面积较大，通常情况下，低压管道输水灌溉系统的设置为多级管网，使用机井进行灌溉时，通常选择单级管道进行输水、灌水，输水、配水管网的设置选择对地埋式铺设方式。在整个低压管道输水灌溉系统建设中输水、配水管网的设计铺设投资占总项目投资50%以上。所以，需要在正式开展管网铺设前对当前的情况加以全面考察，因地制宜，确保设计方案的科学性、经济性。现阶段，输水、配水管网多选用混凝土管、水泥管、PVC管或者PE管。在低压管道输水灌溉系统中，灌水系统主要包括两种：第一种，借助田间移动或者固定管网，通过退水管法进行浇地；第二种，借助田间的明渠进行沟灌、畦灌。给水系统包括在低压管道输水灌溉系统的各级管道设置配水闸门、分水井等，并在竖管的出口位置设置出水口。附件则主要为保护装置，在特殊位置安装调节阀、排气阀等装置，避免管道输水过程中局部受到水击而出现破裂等情况。为计算灌溉水量安装水表和防冻、泄水口、冲砂闸等。

3 低压管道输水灌溉技术灌水均匀性影响因素

3.1 压力差影响

当低压管道输水灌溉系统首端和末端水口压力差比较大时，水头损失大将对灌水均匀性产生影响。设计流量为固定值时，造成水头损失的主要原因包括两点：①管道管径较小；②管道长度过长。在实际低压管道输水灌溉系统建设中，因为受到地形和水源因素影响，无法有效缩减管道长度，则控制水头损失的主要措施需要从管径方面着手。因为考虑到系统的工作压力均衡问题，一般情况下采用控制首端和末端灌水器工作压力，对管道管径加以合理设计，按照设计要求，管道的最小管径按照首端、末端灌水器水头差不超过设计水头20%计算。但是在低压管道输水灌溉系统设计中，在同一管道中首端和末端放水口流量应当符合qmin≥0.75qmax，流量差和水头差关系见表1。

低压管道输水灌溉系统设计，应当结合项目实际需求，确保灌水均匀性，结合投资、流量差等因素合理设计，通过计算校验确定最佳管道管径。另外，需要注意，系统设计时需要结合等距、等流量、多孔出流简化计算水头损失。一般情况下，微灌、喷灌项目中，同一配水管首、末端流量差应当小于10%，因此利用多口系数进行计算损失误差比较小；但是在低压管道输水灌溉系统设计时，因为首、末端流量差比较大，造成计算误差增加，所以，在初步确定管径之后需要分段校核水头损失。

3.2 放水口工作水头设计不合理

放水口工作水头设计指的是水流于该位置具备能量，能量部分与出水管路水头损失，其余部分转换为出流动能和势能。确定管网的布置形式后，势能变化固定，如果放水口水头较大，相应流速、出流量也较大。通常情况下放水口的水头设定为0.30～0.50 m，但在实际系统设计中部分取值达2～3 m，导致大量的能量损失，并可能因为水头过大对田块造成冲刷。

3.3 实际出流量和设计流量不匹配

放水口管径流量设计通常按照小孔出流公式计算，实际运行时配水管首端的工作压力较大，因为放水口首端出流量应当大于设计流量，造成末端出流量较小，甚至存在不出水情况。管径计算公式为：

式中：d 表示放水口的内径，m；q 表示放水口的设计流量，33/s；μ表示流量系数；g表示重力加速度，取值为9.80 m/s2；h表示放水口的设计水头，m。

4 设计方法和对策

为有效解决以上存在问题，需要对常规的设计结果合理性实施校验与调整，在实际过程中需要按照以下步骤进行。

第一，大量收集和整理土壤、水源等相关资料，进行管网、放水口的合理布置，设计放水口结构形式。第二，明确灌水定额，确定一次灌水设计的流量、具体的延续时间及管道制度等，按照水位和田块高差，初步选定水泵型号。第三，按照同时工作放水口数量，明确放水口流量，计算放水口水头，初步选定放水口管径。第四，明确同一配水管的放水口最大流量差和工作水头差，初步确定配水管管径。第五，通过经济流速法初步确定干管等输水管道管径。第六，校验管网水力，对配水管水头损失情况进行逐段计算，推算各放水口的实际水头与流量。具体推算过程如下。按照配水管的进口能量方程公式计算：

得出第t个位置的放水口实际工作水头是：

因此第t个位置的放水口实际的出流量是：

式（2）（3）（4）中，Hd是配水管的进口位置水头（m）；Hp是水泵的扬程（m）；△H是水源和田面具有的高差距离（m）；Hin是水泵进水管路位置水头的损失（m）；Ht是输水管路位置水头的损失（m）；i是放水口、配水管具体管段的编号；A是放水口位置出水断面的面积（m2）；hωi是第i数量的管段具有水头的损失，主要包括了沿程、局部的水头损失（m）。

第七，校验配水管放水口出流量之和以及配水管进口流量误差是否符合精度要求，按照连续方程，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。此连续方程表示为：

第八，以同一根配水管放水口的实际出流量之和作为配水管进口流量，反复确认水泵的工况点，之后转为第六步计算流程，如果此时最大校验次数符合精度要求，则确定为低压管道输水灌溉系统管道参数，并完成计算；如果不符合精度要求，则重新进行第二步操作，并对水泵重新选择，直至符合精度要求。

5 结语

综上所述，农业灌溉中选择使用低压管道输水灌溉技术，因为受地形、水源等因素的影响，导致配水管的设置长度较长，选择使用常规的设计方式导致出水流量不均、末端不出水等情况，无法实现有效的农业灌溉。通过设置水表、阀门等调压控流能够对灌水均匀性加以有效改善，但需要消耗大量的人力，并且随着时间的推移，阀门会出现汽蚀情况。文章对低压管道输水灌溉技术中灌水不均匀问题提出相应的策略，通过调整输水管管径，合理选择水泵型号，校验放水口、水泵工况，提升系统设计可靠度和精度。