低压管道输水灌溉技术灌水均匀性问题及对策分析

2021-07-20茅和平郁程鹏

智能城市 2021年12期

关键词：灌溉系统管径水头

茅和平高丛郁程鹏

（无锡市三和农业灌排工程设计有限公司，江苏无锡 214072）

1 灌水均匀性问题分析

1.1 放水口存在较大的压差及水头损失

在配水管道的设计流量符合标准时，配水管道的管径过小或管道过长，均会导致水头发生损失。在特定条件下，如水源或所处地形因素较为复杂，将无法控制配水管的长度，在这种状态下导致配水管道的水头发生损失的主要诱导因素为配水管道的管径[1-2]。

1.2 放水口设计工作水头未达到需求标准

放水口的设计工作水头未达标准，可能是出水管道损失、能量转换成势能及功能的出流等方面存在问题。在低压管道输水灌溉管网分布形式确立后，水流的势能处于一定的状态，当放水口处工作水头较大时，会导致出流量、水流速度增加，设计标准中，对此类情况下的放水口工作水头选择范围为0.3～0.5 m，按经济流速确定管径后，实际的值最大可达到2.0 m，这种选择范围会造成能量损失，在实际应用中会对农作物造成冲刷[3-4]。

1.3 放水口流量的设计值与实际值有差异

放水口管道管径的选择按照流量的多孔流出公式进行计算所得，在实际中，配水管道首端具有较高压力，因此，放水口的实际值将高于设计值。

流量的多孔流出公式计算放水口内径：

式中：q——放水口位置=设计流量数值（m3/s）；μ——流量系数；g——重力加速度，取值为9.807 m/s2；h——放水口的设计工作水头（m）。

流量系数可分为自由出流、淹没出流两种形式：

式中：λ——流量的沿程阻力系数；L——放水管道的长度（m）；ξ——局部水头损失系数。

根据式（2）、式（3）可知，其中包含放水口内径d，与式（1）存在矛盾，进行流量系数计算时，由于存在管径因素的限制，本研究将采用试算法进行计算，即首先选定放水管的内径，再通过流量的多孔流出公式校验放水口内径是否符合要求。

1.4 计算调整、校验

为了更好地解决上述问题，将对传统设计中相应的计算进行适当调整、校验。

对传统设计的调整校验流程如图1所示。

图1 传统设计的调整校验步骤

2 实例分析

2.1 基本情况分析

某农场面积为26.5 hm2，规格为300 m×900 m，农作物为稻麦轮作，农场平均高程为2.5 m，所处区域为粉质黏土，临近河流可作为灌溉水源，河流水位为1.8 m，水源满足农作物的灌溉需求。

2.2 低压管道输水灌溉系统布置

利用三级管网系统，系统中干管的总长度为20 m，为南北方向布置。

通过垂直于干管分出的两条长度为100 m的管道进行南北方向分水，使用三条支管将水输送至田间，各条支管管道长度为900 m，各支管采用双侧配水，各放水口距离50 m，管网中共有放水口110个，各放水口负责50 m×50 m的农田灌溉。该低压管道输水灌溉系统设计灌溉定额根据水稻定额计算为150 mm，水稻泡田期为2 d，实施续灌。

系统平面布置如图2所示。

图2 系统平面布置

2.3 结果分析

系统调整校验后各支管放水口出流量如表1所示。

表1 系统调整校验后各支管放水口出流量

针对常规设计，总干管采用规格为DN400的PVC-M管道，干管、支管与总干管材质相同，规格为DN315，放水管采用PE管规格DN50；系统中管道公称压力0.4 MPa；系统设计流量1 100 m3/h，水泵定额扬程为7.5 m，转速为750 r/min，配30 kW电机；各放水口设计流量为8.8 m3/h。在实施连续灌溉作业的情况下，系统中水泵运行工况流量约为1 260 m3/h、水泵扬程为6.9 m、转速为750 r/min，系统中支管1～8放水口实际出流量高于设计流量，但各支管放水口均从第9个以后的放水口实际出流量已无法满足灌溉的需求，尤其是各支管第10～18放水口均为无水状态。

利用本研究中设计方式对灌溉系统进行计算调整、校验，总干管、干管、支管均为PVC-M管道、规格为DN400，放水管材质、管径保持不变。系统中管道压力为0.4 MPa，将水泵更换为轴流泵，其额定流量为1 225 m3/h、额定扬程为4.6 m、转速为1 450 r/min，配25 kW电机。

在常规系统中进行有效调整、校验后，实施连续灌溉作业的情况下，系统水泵运行工况流量为1 150 m3/h、水泵扬程为3.6 m，转速为1 450 r/min。低压管道输水灌溉系统中，各放水口出流量均可达到灌溉的需求，且支管流量沿程分出管道水头损失逐渐减小，稳定性不断提高，提升了灌水均匀性。