平原地区低压管道输水灌溉管网优化设计

2015-12-23单陆丹张智韵淮安市水利勘测设计研究院有限公司淮安223005

治淮 2015年4期

常贵单陆丹张智韵（淮安市水利勘测设计研究院有限公司淮安 223005）

平原地区低压管道输水灌溉管网优化设计

常贵单陆丹张智韵
（淮安市水利勘测设计研究院有限公司淮安 223005）

本文以淮安地区水稻作物低压管道灌溉设计为研究方向，重点阐述管道输水灌溉管网优化设计方法，以管网年费用最小为目标，建立管道输水灌溉管网优化设计模型，并采用界限流量法求解，推导出相邻管径的界限流量的计算公式，从而优化管径，对合理配套机泵、管道，减少工程投资、降低运行费用，持久发挥管灌工程效益具有重要意义。

低压管道管网优化设计灌水定额灌水周期

1 低压管道管网优化布置

管网布置通常分为树状管网和环状管网两种类型。淮安地区多为平原河网提水灌区，因此在本地农田低压管道输水灌溉工程中普遍采用树状管网形式。在实际工程设计中为使管网布置更加合理，需要在充分调查灌区基本情况的基础上，根据取水位置、田块地形以及道路布置等情况，在实测地形图上初步布置管网。在水源可选择的情况下，位置尽可能布置在距离灌区中心处，管网形式尽量呈梳齿式或鱼骨式布置（如图1），以达到减少管道用量、均衡管道压力和流量、减少管网水力损失以及方便管理等目的。合理的管网布置方案是进行管网后续设计的基础，是总体规划设计非常重要的一个环节。

2 基本参数计算

2.1 设计灌水定额

灌水定额是指单位面积一次灌水的灌水量或水层深度。在管网设计中，采用作物生育期内各次灌水量中最大的一次作为设计灌水定额，对于同时种植不同作物的灌区，设计时采用主要作物的最大灌水定额作为设计灌水定额。

针对水稻这一作物，设计灌水定额可根据当地灌溉试验资料采用泡田期灌水定额。通常，泡田定额根据土壤、地势、地下水埋深和耕犁深度相似田块上的实测资料确定。泡田定额也可根据时段初适宜水层上限与时段末适宜水层下限之差确定：

m=1000γsh（β1-β2）（1）

式中：m—灌水定额，m3/hm2；

γs—计划湿润层土壤干容重，kN/m3；

h—计划湿润层深度，m；

β1—适宜含水量（质量百分比）上限（%），可取田间持水量的85%～100%；

β2—适宜含水量（质量百分比）下限（%），可取田间持水量的60%～65%。

2.2 灌水周期

设计灌水周期和作物种类、灌区面积大小以及农业生产劳动计划等因素有关，不同作物允许的灌水延续时间不同，灌区面积较大的情况下灌水时间可相对延长。对于大中型灌区，灌溉面积在万亩以上的，水稻泡田期灌水7～15昼夜，对于灌溉面积较小的灌区，灌水延续时间要相应减小。灌水周期可根据灌水试验和当地灌水经验确定，具备必要的基础资料时也可以通过计算确定：

式中：T—灌水周期，d；

m—灌水定额，mm；

Ed—作物日耗水强度，mm/d。

2.3 灌溉工作制度

图1 河网提水灌区管网布置示意图

灌溉工作制度是指管网输配水及田间灌水的运行方式，分为续灌、轮灌和随机取水3种方式。其中随机取水方式适用于灌溉系统面积较大，区内用水单位多并且作物种植结构复杂，取水随意性大的情况，不适用于本文介绍的情况。

灌水期间，上一级管道同时向所有下一级管道配水的灌水方式称为续灌；上一级管道按预先划分好的轮灌组分组向下一级管道配水的灌水方式称为轮灌。

在地形平坦，灌区面积适中的情况下，设计的时候可以考虑整个管网系统采用续灌的方式。考虑水稻不同于其他作物，需水量较大，在灌区面积确定的情况下采用续灌方式易导致管道取用管径偏大，对提水首部枢纽也有更高的要求，如此工程投资将大幅提高。根据水稻种植灌溉经验，采用轮灌方式大可满足生产需求。

2.4 设计流量

2.4.1 出水口流量

式中：q—出水口设计流量，m3/h；

m—水稻泡田定额，m3/亩；

A—个给水栓控制的田块面积，亩；

T—灌水高峰期作物一次灌水延续时间，d；

t—日工作时间，可取18～22h；

η—灌溉水利用系数，取0.95。

2.4.2 干支管设计流量

式中：Q干—干管设计流量，m3/h；

Q支—支管设计流量，m3/h；

n—支管控制范围同时开启的出水口个数；

N—干管控制范围同时工作的支管条数。

3 管网优化

管网优化包括布置方案优化和管径优化。在同类型管网（树状网或环状网）的不同布置方式下，最优经济管径即为该类型管网最优设计方案。管网管径的优化通常以工程造价最小和年费用最小为目标函数进行优化。对需要通过加压系统加压的灌溉管网优化，采用年费用最小为目标函数进行优化比较适宜。该地区一般采用渠灌或河网提水，管网系统主要采用树状网，这里主要介绍以年费用最小为目标函数进行优化管径的方法。

3.1 管网年费用确定

管网系统投资主要由基建投资和管网的年运行费用两部分组成。管网布置形式及管材选定后，管径即成为管网优化设计的主要决策因素。在各级管道管径的多种组合中，必有一种管径的最优组合，使管网系统的年费用最小，以此作为管网系统优化设计的目标。

灌溉管网年费用可用下式表示：

式中：W—管网年费用，元；

F—管网基建投资，元；

C—管网年运行费，元；

α—均付因子；

i—社会折现率；

t—经济计算期（折旧年限），年；

f（Di）—第i管段的工程造价，元/m；

li—第i管段的长度，m；

n—管段数；

a，d—管网造价系数和指数。

由于泵站的工程造价与管网投资相比所占比重较小，并且泵站投资主要与设计流量有关，随管网扬程变化不明显，对于确定的管道输水工程，泵站投资可视为常数，故予以忽略。

管网的年运行费用C包括管网运行的能耗费CE、维修费CU和管理费CM。对于确定的管网系统而言，管理费用差别不大，而且对经济管径的影响也不大，故不予考虑。因此管网年运行费可表示为：

系统年能耗费CE，计算：

式中：E—电价，元/kW·h；

Q—管网设计流量，m3/h；

T—水泵年工作时间，h；

H—水泵扬程，m；

η—水泵工作效率。

系统年维修费CU和管理费CM，计算：

式中：P为年维修费率；R为管理费率。

3.2 管网费用目标函数的确定

目标函数可采用水泵扬程H利用下式计算：

图2 界限流量示意图

式中：HO—水泵的净扬程，m；

hf—管网的水头损失，m；

β—考虑局部水头损失的系数，一般取1.1左右；

f、m、b—管道的管材系数，硬塑料管f=0.948×105，m=1.77，b=4.77。

将式（7）、（8）、（9）、（10）、（11）、（12）分别代入（5）式可得：

3.3 求解方法探讨

本文选用界限流量法对优化管径进行求解。界限流量是指某一标准管径所对应的相对经济的流量范围，当流量在这一范围内时选用该管径都是经济的。确定界限流量的前提是使相邻两档商品管径的年费用相等，以此为基础来推求。假定Dn-1＜Dn＜Dn+1（n＞1）为3个相邻管径，给定参数可绘得如图3条曲线。如图2所示，qn既是管径Dn-1的上限设计流量，又是管径Dn的下限设计流量；qn+1既是管径Dn的上限设计流量，又是管径Dn+1的下限设计流量，则凡是管段流量在qn和qn+1之间的，应选用Dn，否则不经济。

将管径Dn、Dn+1分别代入式（13）。对于管网中任一管段，其设计流量qi与管网的设计流量Q总是存在如下关系：