井灌区枝状和环状管网灌溉模式经济优选

2015-07-29石伟南

山东水利 2015年12期

关键词：管段管径字形

金　丽，石伟南，薛　雁

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250014；2.山东省水利外资项目服务中心，山东济南 250014）

井灌区枝状和环状管网灌溉模式经济优选

金丽1，石伟南2，薛雁1

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250014；2.山东省水利外资项目服务中心，山东济南 250014）

从管网的优化布置出发，分析了环状管网和枝状管网特点，对其运行工况进行了比较，并以典型的管网布置形式为例，从投资费用分析出发，对环状与枝状管网进行了经济优选分析。

管网；投资费用；优选；水力计算

1　枝状管网和环状管网的特点

枝状管网形如树枝状，只有一个水源，由一条管道供水。即输送至某一管段的灌溉水只能由一个方向供给，每个给水栓的水只能来自一个方向。主干来水，如枝条伸向各个给水栓，因此，管网每一段的输转流量只有一个数值。与枝状管网不同的是，环状管网如同一个封闭的环，由一个封闭成环的管道组成，可由两个或多个方向供水，输送到某管段的水同时可由一条或几条管道供给。灌溉水由几条管道输送到一个节点，而每条管道达到该节点的水量完全可以任意分配。

2　枝状管网和环状管网运行工况比较

由于环状管网中的每个节点至少可由2个或多个方向提供流量，因此，在环状管网中的任意一点发生断裂而切断所在管段流量时，由于管网中各节点的瞬间压力不同，会重新分配各个管段中的流量和流动方向，以便保证各节点的流量供应。因此，环状管网从安全供水的角度看可靠性较高。而枝状管网中的某点若断开，将会影响局部的正常灌溉。特别是如果枝状管网中发生事故的管道是干管，则影响范围会更大。

其次，环状管网内压力相对趋于均衡，各节点压力受源点到节点之间多条输水管路影响，使节点间的压差缩小，提高了节点间压力分布的均匀程度。当其发生水锤时，水锤峰值明显低于树状管网的水锤峰值，起到了保护管网的作用。因此对于管网来说，较均衡的节点压力意味着更稳定的运行工况、更安全的供水和对下一级管网设备更好的保护。因此，从管网运行工况的角度来说，环状管网方案优于枝状管网方案。

3　枝状管网和环状管网投资分析

若对2种管网固定管道系统进行投资经济比较，就需分析两种系统的投资与效益状况，假定相同地块，合理灌溉条件下农作物种植效益是一定的，因此经济比较只需对管道系统投资进行比较。管道输水灌溉投资包括管道系统基建投资和管网运行、管理费。对于不同布置型式的管网系统，设计流量一定时，如允许的管网水头损失不变，即可分析出在相同的运行费用条件下，仅由于管道布置型式不同而引起的造价差异。由于管网布置型式不同，所需管道长度、直径及管道附件数量亦不同，埋管土方量也不同，但他们的费用相对较小，所以这里仅比较不同布置型式固定管道的投资。而影响投资的主要是管径和管道长度。

在井灌区低压管灌系统中，三条支管的枝状管网与“曰”字形环状管网是常见的布置型式，如图1、图2示。在此对称单一出水口条件下枝状管网与双环管网两种布置型式的管道投资进行经济比较。

在假定单给水栓出流、选择单一管材管径的基础上，由图1、图2知，设管路长度为L，宽度为B，单环或单枝宽度为0.5B，设a=B/L，表示管网系统的长宽比。考虑现状井灌区的实际设计及施工要求，均采用同一直径PVC管。假定采用相同型号的水泵，水泵提供给不同布置管网系统管路的水头损失相同，两种管网水力计算如下：

3.1枝状管网水力计算

如图1所示，假定以枝状管网最不利的点III为控制点，由农田低压管道输水灌溉工程技术规范（GB/T20203-2006）知，总水头损失计算公式为：

图1三条支管的枝状管网示意图

图2“曰”字形环状管网示意图

式中：H为水头损失，m；K为沿程阻力系数；Q为机井出水量，m3/h；m为流量指数；n为管径指数。则枝状管网系统管道直径计算公式为：

当a给定后，即可应用求解管网的直径。

3.2“曰”字形双环状管网水力计算

如图2所示，“曰”字形双环状管网出水口位于三条支管中的某一条支管上。为了与枝状管网对比需要，假设位于支3上的III点由“管段1”、“管段2”、“管段3”、“管段4”共4个管段3个节点组成。若以3条管段中的流量为未知量，则3个节点流量平衡方程为：

对“曰”字形双环状管网的两个环，根据式（1），分别列出其能量方程（环方程），设式中的B 为B/L，L取1，且可同时除以KL/Dn，得到：

将a=B/L代入（6）、（7）式，同时（3）、（4）、（5）、（6）、（7）式同除以Qm得到方程组：

式中RHi=QHi/Q，为各管段i的流量分配系数。当a给定后，即可应用以上方程组求解管网各管段的流量。在求解时，解析法求解较为复杂，可以将方程组中的非线性方程线性化，然后用迭代法逐步逼近其数值解。本研究采用matlab求解。取m=1.77，上述方程组求解结果见表1。

表1“曰”字形双环状管网水力计算结果

为与枝状管网进行比较，同样以图2所示点III为控制点，同理得“曰”字形双环状管网系统管道直径为：

3.3“曰”字形双环状与枝状管网投资经济比较

1）固定管道投资经济比较。固定管道投资跟管径D及管长L有关。通过调研统计并进行相关分析得到，通常情况下，国家标准（GB/T13664-2006）的PVC管道单价P与管径D的关系可用幂函数式表示，见图3示。

设r为管道的造价指数，则PVC管道单价P与管径D的关系为：

图3PVC-U低压灌溉用管单价（1m）与管径D统计关系图

由图3知：r=1.96。假设管道总长为l，则固定管道投资为：P＝PL=λDrL，根据前文管网水力计算结果，则“曰”字形环状网与枝状管网固定管道投资比为：

当r=1.96，m=1.77，n=4.77，a取(0，1）区间中不同的值时，计算PH/PZ值列于表2。由表2可知，在一定条件下，“曰”字形双环管网比相应的枝状管网管道节省投资。

2）管网年运行管理费用经济比较。根据相关研究及实际工程实践，在管材管网布置型式和管网流量一定的条件下，年费用仅随管径变化而变化，因此使费用达到最小的管径即为最优管径。“曰”字形环状管网比相应的枝状管网管道年运行管理费用要稍经济。但年运行管理费用因素较多，社会、人为主观因素影响较多，总体来说，管网年运行管理费用环状管网与相应的枝状管网区别不大，因此这部分本研究暂不考虑。