通南高沙土区低压管道灌区 控制面积优化研究

姜国华， 单媛媛

(1.如皋市水利建筑安装工程有限公司， 江苏 南通 226500； 2.如皋经济技术开发区水利服务站， 江苏 南通 226576)

通南高沙土区位于长江三角洲北缘，含泰州、南通、扬州市的8个县(市)，耕地面积22.33万hm2。近年来，该地区积极推进以管道灌溉为主的高效节水灌溉工程建设，实施了一大批管道灌溉工程。已建项目后评价表明，部分管道灌区一次性投资成本太大、耗电过高，对后期管道灌溉的大面积推广造成一定影响。开展控制面积优化研究，可降低工程建设成本和运行成本，更好地指导规划设计工作[1-2]。

1 研究路线

以通南高沙土地区控制灌溉面积13.33 hm2、16.67 hm2、20 hm2为例，进行管灌系统设计。在此基础上进行典型灌区装置效率、管网工程单位面积投资、单位面积年耗电费用3项技术指标计算与评价。

2 管灌系统设计

规划区域为长方形，长宽比为2∶1。灌溉水源取自河道，取水泵站位于长方形区域的角点，设计净扬程3.5 m。

结合如皋本地农业生产情况，泡田期灌溉定额m取1 500 m3/hm2，灌水周期T取2 d，日工作时间t=15 h。根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203—2006)要求，取管道水利用系数η管=0.95，田间水利用系数η田=0.95[3-4]。

2.1 设计流量推求

根据设计灌水定额、灌溉面积、灌水周期和每天的灌水时间，按式(1)计算灌溉设计流量：

(1)

式中：Q0为管灌系统的灌溉设计流量，m3/h；αi为灌水高峰期第i种作物的种植比例，取1.0；mi为灌水高峰期第i种作物的设计灌水定额，项目区主要作物为稻麦轮作，mi按水稻泡田定额计，取1 500 m3/hm2；e为灌水高峰期的作物种类，取1.0；η=η管×η田=0.903；T为设计灌水周期，取T=2 d；t为每天灌水时间，取15 h；A为灌溉面积，hm2。

2.2 灌溉管网布置

管道系统按树状管网布置，采用地埋式干、支两级固定管道，支管上布置全塑出水口出水。管材选用硬聚氯乙烯PVC-U管材。管径采用经济流速法确定，计算公式如下：

(2)

式中：D为设计管径，mm；Q为管道设计流量，m3/h；v为经济流速，塑料管中一般为1.0～1.5 m/s，取1.2 m/s。

经过比选，选择干、支管管径。

干管：13.33 hm2的管灌区采用Φ450 mm、Φ280 mm两种规格，16.67 hm2的管灌区采用Φ500 mm、Φ280 mm两种规格，20 hm2的管灌区采用Φ560 mm、Φ315 mm两种规格。

支管：全部采用Φ250 mm、Φ160 mm两种规格。

2.3 管道系统设计工作水头

(1)管道沿程水头损失hf

管道沿程水头损失hf计算式为

(3)

式中：hf为沿程水头损失，m；f为管材摩阻系数，塑料管取f=0.948×105；Q为管道设计流量，m3/h；D为管内径，mm；m为流量指数，塑料管取m=1.77；b为管径指数，塑料管取b=4.77；L为管道长度，m。

由于干、支管沿程流量逐渐变化，管路损失需按各段实际流量逐一分段计算。对于支管，为简化水头损失计算过程，可采用考虑多口系数的修正沿程损失公式计算。

(2)局部水头损失

为简化计算，局部水头损失可按沿程水头损失的10%～15%考虑。此处取沿程水头损失的15%作为局部水头损失。

(3)管道系统最大、最小工作水头

管道系统最大、最小工作水头分别按以下公式计算：

Hmax=Z2-Z0+ΔZ2+∑hf2+∑hj2+h0

(4)

Hmin=Z1-Z0+ΔZ1+∑hf1+∑hj1+h0

(5)

式中：Hmax、Hmin分别为管道系统最大、最小工作水头，m；Z1为参考点1的地面高程，m，在平原地区参考点1一般为距水源最近的给水栓；Z2为参考点2的地面高程，m，在平原地区参考点2一般为距水源最远的给水栓；Z0为管道系统进口高程，取-0.7 m；ΔZ1、ΔZ2分别为参考点1、2处给水栓出口中心线与地面的高差，给水栓出口中心线的高程应为其控制的田间最高地面高程加0.15 m，考虑田块内部的高差0.05 m，取ΔZ1、ΔZ2为0.2 m；∑hf1，∑hf2为管道系统进口至参考点1、2给水栓的管路沿程水头损失，m；∑hj1，∑hj2为管道系统进口至参考点1、2给水栓的管路局部水头损失，m；h0为给水栓工作水头，取0.4 m。

(4)管道系统设计工作水头

需设水泵加压的管道灌溉系统，其设计工作水头宜按最大和最小工作水头的平均值近似取用，计算式为

(6)

式中：H0为管道系统设计工作水头，m。

2.4 水泵选型及动力机配套

(1)水泵扬程计算

水泵设计扬程计算式为

Hp=H0+Z0-Zd+∑hf0+∑fj0

(7)

式中：Hp为灌溉系统水泵的设计扬程，m；H0为管道系统设计工作水头，m；Z0为管道系统进口高程，取-0.7 m；Zd为泵站前池水位，取-3.5 m；∑hf0、∑fj0为水泵吸水管进口至压水管出口之间的管道沿程水头损失与局部水头损失，m。

其中，水泵压水管出口与前池水位高差取3.5 m，水泵吸水管进口至管道系统进口之间的水头损失按该高差的25%取值为0.87 m。

(2)水泵及电机选择

根据设计扬程、设计流量，查变频控制条件下低扬程水泵选型成果表，选择水泵型号和电动机配套功率。

通过计算水泵管路阻力参数S1、管网阻力参数S2，求得装置需要的扬程曲线，以此进行工况点校核。确保在变频控制条件下，所选水泵型号在设计扬程、最小扬程和最大扬程工况时均在高效区运行，流量满足灌溉用水要求，同时进行电机功率复核。

电动机配套功率计算式为

Pd=KpPz/ηc

(8)

式中：Pd为动力机功率配套值，kW；Kp为动力机功率备用系数，取1.15；Pz为水泵轴功率，kW；ηc为传动效率，直接传动方式取1.0。

水泵及电机选择结果：13.33 hm2的灌区水泵选用300HW-8混流泵(转速970 r/min)，配22 kW电机；16.67 hm2的灌区水泵选用350HW-8混流泵(转速980 r/min)，配30 kW电机；20 hm2的灌区水泵选用400HW-7混流泵(转速730 r/min)，配30 kW电机。

3 技术指标计算

3.1 装置效率

(1)管路效率η管

管路效率可以用管路的输出和输入功率之比求得。设计工况下管路的输出功率为ρgHstQ，输入功率为水泵的有效功率即ρgHpQ,其中Hp和Hst分别为水泵设计扬程和净扬程，故管路效率η管计算公式为

(9)

式中：Hp为设计扬程，m；Δh为水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道水头损失。

(2)传动效率η传

传动方式为直接传动，取η传=1.0。

(3)动力机效率η动

根据所选电动机的型号查询η动。

(4)水泵效率η泵

根据水泵设计工况，查性能曲线得出η泵。

(5)装置效率η

装置效率计算公式为

η=η管η传η动η泵

(10)

3.2 管网工程单位面积投资

计算管网工程总投资G，管网工程单位面积投资C的计算式为

C=G/A

(11)

式中：G为总投资，元；A为灌溉面积，hm2。

3.3 单位面积年耗电费用

提水电费即为泵站向管网输水并且满足灌溉所需压力的动力费用，泵站所消耗电量计算式为

(12)

根据计算电量，电单价取0.52元，可计算出单位面积年耗电费用。

4 技术指标评价

针对通南高沙土地区不同控制灌溉面积的灌区典型设计，以装置效率、管网工程单位面积投资和单位面积年耗电费用为评价指标(表1)，确定管道灌区适宜控制面积。其中，电费中的灌溉定额根据实地考察采用1 200 m3/hm2。

表1 通南高沙土区不同控制面积管道灌区的技术指标

(1)节能指标

装置效率是管道灌溉项目的节能指标。从表1可以看出，通过优化管路布局和水泵选型，不同控制面积的典型灌区的泵站装置效率均大于65%，其中控制面积为20 hm2的装置效率最高。从节能角度看，单机单泵控制面积在20 hm2左右节能效果较佳。

(2)经济指标

管网工程单位面积投资和单位面积年耗电费用作为管道灌溉系统的经济指标进行评价。从表1可以看出，当控制面积为13.33 hm2时，管网工程单位面积投资为50 928元/hm2，在三者中最低；当控制面积为16.67 hm2时，管网工程单位面积投资为52 494元/ hm2，为三者中最高。从单位面积年耗电费用指标看，不同控制面积情况下的单位面积年耗电费用成本差别不大，且单位面积年耗电费用成本与管网工程单位面积投资相比，在总成本中所占比重很小。按工程使用15年考虑，当控制面积在13.33 hm2左右时，所需成本最低，工程的经济效益最好。

综合以上对管道灌区的节能指标和经济指标的分析，建议低压管道灌区单机单泵的控制灌溉面积控制在13.33 hm2左右。管网布置优先采用树状管网，设2～3级固定管道，出水口口径宜选用110 mm。

5 结 语

低压管道灌溉具有节水、节地、省工等优点，具有广阔的使用前景。管道灌区控制面积优化研究成果近年已在如皋市推广应用，实践证明管网工程单位面积投资及单位面积年耗电费用指标明显下降。该研究成果可为通南高沙土区管道灌溉系统规划设计提供技术支撑和示范引领，项目研究符合一定的社会需求，经济效益和社会效益明显。