中低压管道输水在智慧灌区智能节水灌溉中的应用

杨 慧，黄 伟，王文杰，薛丽敏

(徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221000)

0 引言

近年来，随着城市化和农业经济的发展速度加快，导致农业灌溉用水需求不断增加。与此同时，受水资源浪费等现象的影响，水资源短缺的问题已经逐渐暴露出来。在此种背景下，智能节水灌溉成为农业灌溉的主要趋势[1]。中低压管道输水技术以适用性广泛和密封性较强等优势著称，是一种较为常见的节水灌溉技术。伴随着人工智能技术的不断兴起，智能化作业成为农业灌溉的主要模式[2-3]。智慧灌区指的就是结合机器学习技术和大数据技术，辅以传感器等硬件设备，实现自动化决策。同时，智能节水灌溉对农作物以及灌溉区域的历史数据依赖性较强，主要体现在对土壤墒情的预测以及配水决策数据的精确度要求方面。由于农业发展直接影响着民生及国情，因此，对中低压管道输水在智慧灌区智能节水灌溉的应用展开研究，具有十分重要的现实意义。

1 工程概况

以徐州市邳州市东北部某灌溉区为例，据资料显示其地形主要以平原为主，土地总面积为200.7km2左右，通过换算，该区域耕地折合约30.1万亩。该智能灌溉区始建于2016年，土质肥沃并且气候分明，适合大部分农作物的耕种。据统计，该地区耕地面积19.2万亩，耕地率63.8%，总体地势为北高南低，地面高程在27～33m范围内。在总灌溉面积14.2万亩的覆盖范围中，土壤多见砂礓黑土和黄潮土，并依据实际耕作条件，划分为东部、西部和北部片区，主要耕作参数见表1。

表1 片区耕作参数

在上述数据的基础上，3个片区根据降水量以及灌溉需求，制定了适宜区域农业发展的灌溉体系以及排涝体系。但受水资源短缺的大环境影响，该智能灌溉区仍然需要在节水方面进一步优化。

2 智慧灌区智能节水灌溉技术

2.1 获取中低压管道输水二相流参数

中低压管道在输水过程中，受时间条件的影响，管道内流速的基本特征是由大到小依次递减。此时管道内泥沙的淤积状态也会出现一系列的变化。当水流速度较大的时候，管道内沉积的泥沙与输水搅拌在一起后就形成了泥水混合状态的浑水，此时的淤泥大部分都是处于均匀悬浮在管道内部的状态。当水流速度不断减小时，浑水的紊动频率也随之变弱，而此时的泥沙状态也逐渐变得不均匀，呈现出非均匀的悬浮状态[4-5]。而后，当中低压管道输水作业完成后，管道内的流速不断降低，管底的推移运动特征变得更加显著。当水流经过河床时，通常情况下砂石颗粒的粗糙表面会产生一定的摩擦力。在摩擦力方向与水流方向保持一致的情况下，水流拖曳力的计算公式为：

(1)

式中，λ—阻力系数；E—泥沙在管道中的投影面积，cm2；ρ—水的密度，g/cm3；h—水流作用于床面沙粒上的流速，m/s。在中低压管道内，当水流处于流动状态时，砂石颗粒的顶部速度基本等同于管道内的水流速度。同时，对于体积较小的砂石颗粒而言，运动过程中产生的粘结力与砂石粒径的有效接触面积成正比例关系，由此得出薄膜水压力的计算公式为：

f≈φ(g+ϖ)×W1.28

(2)

式中，φ—水流的上举力，kg/m3；g—砂石底部流速，m/s；ϖ—砂石颗粒之间的空隙厚度，cm；W表—砂石颗粒雷诺数。则此时泥沙之间的粒间离散力的计算公式为：

(3)

式中，S—砂石在输水过程中产生的阻力，N；σ—砂石之间的最小距离，cm。当砂石颗粒能够以推移运动的方式与管道内壁分离，不但会导致拖曳力急剧增加，还会造成水流上举力几乎消失。

2.2 调整智慧罐区输水定额

智慧灌区的输水定额是涉及到农作物灌溉的灌水次数、时间以及具体降水量等项目的1项重要参数。以邳州市东北部某灌溉区中的小麦为例，其用水量变化主要体现在泡田期和生育期2个阶段[6]。根据历史数据，分别计算这两个阶段的用水定额，具体如下：

Y=0.667×(φ+α+β)

(4)

Un=Un-1+Tn+L-V

(5)

式中，φ—耕作时田间所需水层厚度，cm；α—小麦的泡田期水流渗漏量，h·km；β—泡田期持续时间，min；U—水田田面平均蒸发强度，kg/m2h；n—生育期天数，d；L—小麦需水量，mL/kg；V—排水量，mL/kg。同时，作物的需水量与当地降水量和土壤墒情参数息息相关，但是受生产实践过程中的不确定因素影响，部分农作物的需水量需要以估算的形式展开，具体如下：

(6)

式中，ψ—采样周期内的水面蒸发量，kg/(m2·h)；K—总体需水量与区域内水层深度的比值。此外，智慧灌区的田间渗透量也是影响节水灌溉效率的重要指标，只有田间持水量大于土壤含水率时，才能基本满足节水灌溉的需求。

2.3 规划智能节水灌溉布置模式

中低压管道在应用过程中对于输水压力也有一定的要求，必须结合实际的灌溉工程布局与规划，选择地表水加压还是机井加压。结合以往的种植经验可知，根系作物的根系活动层储水量与智慧灌区内的有效储水量存在关联[7-8]。在智能节水的灌溉模式下，土壤含水率既要满足作为的生长需要，又要符合不发生深层渗漏的标准。则土体有效储水量的数学表达公式为：

(7)

式中，l—农作物根系活动层的扎根深度，cm；m—土体初始含水率，%；z—灌溉区域的平均降水量，mm；d表示蓄水上限。一般而言，智能节水灌溉作业中，中低压管道输水网能够占总投资的75%～85%。同时，智能节水灌溉是综合了相间布置以及交错布置两种模式的综合灌溉方式。面对地势相对较高的区域，设置大于等于3的灌排两用渠。而针对单相灌水的区域，则可以采取排灌相邻的模式。在此基础上，计算智慧灌区的灌水率：

(8)

式中，e—农作物的种植比例；r—水泵输水利用率，%；t—灌水持续时间，min；i—农作物种类。此外，在同一种布置模式下，开敞式与封闭式灌溉作业之间的差异可以忽略，在田块规格和沟管路长度方面加以调整。同时，渠道水的利用系数在综合输水损失和渠道长度等各项因素后，需要在保留智慧灌区原有的渠系控制条件下，设计不同形式的管道化改造策略。尤其是在管线布置环节，必须与地形地势相得益彰，以实现降低水头压力的目的。针对灌溉区的3个片区地势特征以及复种指数，分别制定更加具有针对性的节水灌溉方案。

3 实例研究

3.1 管材选择及管网布局

根据本次研究选取的试验田基本参数以及农田建设标准，需要在本次研究开始之前，选择相应管材以及开展管网布局。尤其是对于智慧罐区来说，为了确保在后续若干年内土体仍然能够顺利流转，必须在满足当前灌溉需求的前提下，保证土壤的蓄水力。同时，为了保证本次研究结果的准确性，试验田的耕作层土壤中的有机质含量需保证每公斤土体在20～25g及以上。同时，耕作厚度和有效土层厚度，分别在22cm和55cm左右。同时，对于相应的灌溉、排涝以及降渍作业都要达到及格线以上。智慧灌区的中低压管道材质主要包括PE、PVC-U、玻璃钢夹砂管以及混凝土管4种类型。考虑到智慧灌区对技术水平的要求以及造价和耐久性等因素，本次研究的中低压管材选择PE材质。此外，在低压管道布置时，必须充分考虑灌溉区的面积和管道长度，本次研究主要以“工字型”和“丰字形”相结合的方式为主。根据工程的具体灌溉面积以及布局条件限制，本次施工的中低压管道的管径应该在140～180mm之间。在完成上述步骤后，展开结果分析的步骤。

3.2 结果分析

由于在实际施工过程中，涉及到灌排渠道淤积严重的问题，因此，需要充分考虑中低压管道中的含沙量以及泥沙密度等影响因素。根据物理能量理论，水流能量与砂石颗粒推移运动之间存在一定关联。此外，由于管道的公称外径能够直接影响灌溉效率，因此通过泥沙中的颗粒下沉速度，选出其中最适合标本项工程的管材直径。在此基础上，计算泥沙中的颗粒下沉速度，具体如下：

(9)

式中，η—砂石含沙量，kg/m3；H—校正系数；μ—粘性摩阻，kg/(m·s)；G—砂石的粒径，mm。以含沙量上限12%为约束条件，在公式(9)的基础上，得出不同的中低压管道公称外径工况下，泥沙的颗粒下沉速度。具体见表2。

表2 中低压管道公称外径与颗粒下沉速度

由表2能够看出，中低压管道公称外径数值越大，颗粒下沉速度越快。但是根据研究选取的工程参数可知，本次施工的中低压管道的管径应该在140～180mm之间。同时，考虑到含沙量上限12%的限制，由公式(9)可以推导出，最适宜智慧灌区智能节水灌溉项目的中低压管道公称外径为140mm。

4 结语

在水资源短缺日益严重的背景下，智能节水灌溉成为农业发展的重中之重。本文站在节能推广的视角，将邳州市东北部某灌溉区作为研究对象，详细描述了中低压管道输水技术在智慧灌区的应用。除了能够真实地反映出该地区灌溉需求特征之外，还通过智能化手段避免了盲目试错造成资源浪费。并通过水流拖曳力、薄膜水压力和泥沙之间的粒间离散力一系列计算，获取中低压管道输水二相流参数，估算农作物的需水量，调整智慧罐区输水定额，得出智能节水灌溉涉及的精确数值，确保工程能够顺利推进。未来将融入更多农作物种类的数据，以完善此次研究成果。