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        井灌區(qū)枝狀和環(huán)狀管網灌溉模式經濟優(yōu)選

        2015-07-29 05:24:50石偉南
        山東水利 2015年12期

        金 麗,石偉南,薛 雁

        (1.山東省水利科學研究院,山東 濟南 250014;2.山東省水利外資項目服務中心,山東 濟南 250014)

        井灌區(qū)枝狀和環(huán)狀管網灌溉模式經濟優(yōu)選

        金麗1,石偉南2,薛雁1

        (1.山東省水利科學研究院,山東 濟南 250014;2.山東省水利外資項目服務中心,山東 濟南 250014)

        從管網的優(yōu)化布置出發(fā),分析了環(huán)狀管網和枝狀管網特點,對其運行工況進行了比較,并以典型的管網布置形式為例,從投資費用分析出發(fā),對環(huán)狀與枝狀管網進行了經濟優(yōu)選分析。

        管網;投資費用;優(yōu)選;水力計算

        1 枝狀管網和環(huán)狀管網的特點

        枝狀管網形如樹枝狀,只有一個水源,由一條管道供水。即輸送至某一管段的灌溉水只能由一個方向供給,每個給水栓的水只能來自一個方向。主干來水,如枝條伸向各個給水栓,因此,管網每一段的輸轉流量只有一個數值。與枝狀管網不同的是,環(huán)狀管網如同一個封閉的環(huán),由一個封閉成環(huán)的管道組成,可由兩個或多個方向供水,輸送到某管段的水同時可由一條或幾條管道供給。灌溉水由幾條管道輸送到一個節(jié)點,而每條管道達到該節(jié)點的水量完全可以任意分配。

        2 枝狀管網和環(huán)狀管網運行工況比較

        由于環(huán)狀管網中的每個節(jié)點至少可由2個或多個方向提供流量,因此,在環(huán)狀管網中的任意一點發(fā)生斷裂而切斷所在管段流量時,由于管網中各節(jié)點的瞬間壓力不同,會重新分配各個管段中的流量和流動方向,以便保證各節(jié)點的流量供應。因此,環(huán)狀管網從安全供水的角度看可靠性較高。而枝狀管網中的某點若斷開,將會影響局部的正常灌溉。特別是如果枝狀管網中發(fā)生事故的管道是干管,則影響范圍會更大。

        其次,環(huán)狀管網內壓力相對趨于均衡,各節(jié)點壓力受源點到節(jié)點之間多條輸水管路影響,使節(jié)點間的壓差縮小,提高了節(jié)點間壓力分布的均勻程度。當其發(fā)生水錘時,水錘峰值明顯低于樹狀管網的水錘峰值,起到了保護管網的作用。因此對于管網來說,較均衡的節(jié)點壓力意味著更穩(wěn)定的運行工況、更安全的供水和對下一級管網設備更好的保護。因此,從管網運行工況的角度來說,環(huán)狀管網方案優(yōu)于枝狀管網方案。

        3 枝狀管網和環(huán)狀管網投資分析

        若對2種管網固定管道系統(tǒng)進行投資經濟比較,就需分析兩種系統(tǒng)的投資與效益狀況,假定相同地塊,合理灌溉條件下農作物種植效益是一定的,因此經濟比較只需對管道系統(tǒng)投資進行比較。管道輸水灌溉投資包括管道系統(tǒng)基建投資和管網運行、管理費。對于不同布置型式的管網系統(tǒng),設計流量一定時,如允許的管網水頭損失不變,即可分析出在相同的運行費用條件下,僅由于管道布置型式不同而引起的造價差異。由于管網布置型式不同,所需管道長度、直徑及管道附件數量亦不同,埋管土方量也不同,但他們的費用相對較小,所以這里僅比較不同布置型式固定管道的投資。而影響投資的主要是管徑和管道長度。

        在井灌區(qū)低壓管灌系統(tǒng)中,三條支管的枝狀管網與“曰”字形環(huán)狀管網是常見的布置型式,如圖1、圖2示。在此對稱單一出水口條件下枝狀管網與雙環(huán)管網兩種布置型式的管道投資進行經濟比較。

        在假定單給水栓出流、選擇單一管材管徑的基礎上,由圖1、圖2知,設管路長度為L,寬度為B,單環(huán)或單枝寬度為0.5B,設a=B/L,表示管網系統(tǒng)的長寬比??紤]現狀井灌區(qū)的實際設計及施工要求,均采用同一直徑PVC管。假定采用相同型號的水泵,水泵提供給不同布置管網系統(tǒng)管路的水頭損失相同,兩種管網水力計算如下:

        3.1枝狀管網水力計算

        如圖1所示,假定以枝狀管網最不利的點III為控制點,由農田低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范(GB/T20203-2006)知,總水頭損失計算公式為:

        圖1三條支管的枝狀管網示意圖

        圖2“曰”字形環(huán)狀管網示意圖

        式中:H為水頭損失,m;K為沿程阻力系數;Q為機井出水量,m3/h;m為流量指數;n為管徑指數。則枝狀管網系統(tǒng)管道直徑計算公式為:

        當a給定后,即可應用求解管網的直徑。

        3.2“曰”字形雙環(huán)狀管網水力計算

        如圖2所示,“曰”字形雙環(huán)狀管網出水口位于三條支管中的某一條支管上。為了與枝狀管網對比需要,假設位于支3上的III點由“管段1”、“管段2”、“管段3”、“管段4”共4個管段3個節(jié)點組成。若以3條管段中的流量為未知量,則3個節(jié)點流量平衡方程為:

        對“曰”字形雙環(huán)狀管網的兩個環(huán),根據式(1),分別列出其能量方程(環(huán)方程),設式中的B 為B/L,L取1,且可同時除以KL/Dn,得到:

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

        式中RHi=QHi/Q,為各管段i的流量分配系數。當a給定后,即可應用以上方程組求解管網各管段的流量。在求解時,解析法求解較為復雜,可以將方程組中的非線性方程線性化,然后用迭代法逐步逼近其數值解。本研究采用matlab求解。取m=1.77,上述方程組求解結果見表1。

        表1“曰”字形雙環(huán)狀管網水力計算結果

        為與枝狀管網進行比較,同樣以圖2所示點III為控制點,同理得“曰”字形雙環(huán)狀管網系統(tǒng)管道直徑為:

        3.3“曰”字形雙環(huán)狀與枝狀管網投資經濟比較

        1)固定管道投資經濟比較。固定管道投資跟管徑D及管長L有關。通過調研統(tǒng)計并進行相關分析得到,通常情況下,國家標準(GB/T13664-2006)的PVC管道單價P與管徑D的關系可用冪函數式表示,見圖3示。

        設r為管道的造價指數,則PVC管道單價P與管徑D的關系為:

        圖3PVC-U低壓灌溉用管單價(1m)與管徑D統(tǒng)計關系圖

        由圖3知:r=1.96。假設管道總長為l,則固定管道投資為:P=PL=λDrL,根據前文管網水力計算結果,則“曰”字形環(huán)狀網與枝狀管網固定管道投資比為:

        當r=1.96,m=1.77,n=4.77,a取(0,1)區(qū)間中不同的值時,計算PH/PZ值列于表2。由表2可知,在一定條件下,“曰”字形雙環(huán)管網比相應的枝狀管網管道節(jié)省投資。

        2)管網年運行管理費用經濟比較。根據相關研究及實際工程實踐,在管材管網布置型式和管網流量一定的條件下,年費用僅隨管徑變化而變化,因此使費用達到最小的管徑即為最優(yōu)管徑?!霸弧弊中苇h(huán)狀管網比相應的枝狀管網管道年運行管理費用要稍經濟。但年運行管理費用因素較多,社會、人為主觀因素影響較多,總體來說,管網年運行管理費用環(huán)狀管網與相應的枝狀管網區(qū)別不大,因此這部分本研究暫不考慮。

        表2環(huán)狀網與枝狀管網固定管道投資比

        4 研究結論

        研究結果表明,環(huán)狀管網從安全供水角度看可靠性較枝狀管網高。從運行工況來說,環(huán)狀管網方案優(yōu)于枝狀管網方案;通過對“曰”字形雙環(huán)狀與枝狀管網進行經濟優(yōu)選分析,結果顯示對井灌區(qū)常采用的單一出水口的輪灌模式下,一般“曰”字形雙環(huán)狀管網經濟性相對優(yōu)于枝狀管網。

        課題名稱:山東省淮河流域平原洼地排灌區(qū)運行與管理模式研究(編號:sd-zx-06)。

        (責任編輯遲明春)

        S 274

        B

        1009-6159(2015)-12-0024-03

        金麗(1963—),女,研究員

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