常 貴 單陸丹 張智韻(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司 淮安 223005)
平原地區(qū)低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計
常 貴 單陸丹 張智韻
(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司 淮安 223005)
本文以淮安地區(qū)水稻作物低壓管道灌溉設(shè)計為研究方向,重點闡述管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法,以管網(wǎng)年費用最小為目標,建立管道輸水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型,并采用界限流量法求解,推導(dǎo)出相鄰管徑的界限流量的計算公式,從而優(yōu)化管徑,對合理配套機泵、管道,減少工程投資、降低運行費用,持久發(fā)揮管灌工程效益具有重要意義。
低壓管道 管網(wǎng)優(yōu)化 設(shè)計灌水定額 灌水周期
管網(wǎng)布置通常分為樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩種類型。淮安地區(qū)多為平原河網(wǎng)提水灌區(qū),因此在本地農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程中普遍采用樹狀管網(wǎng)形式。在實際工程設(shè)計中為使管網(wǎng)布置更加合理,需要在充分調(diào)查灌區(qū)基本情況的基礎(chǔ)上,根據(jù)取水位置、田塊地形以及道路布置等情況,在實測地形圖上初步布置管網(wǎng)。在水源可選擇的情況下,位置盡可能布置在距離灌區(qū)中心處,管網(wǎng)形式盡量呈梳齒式或魚骨式布置(如圖1),以達到減少管道用量、均衡管道壓力和流量、減少管網(wǎng)水力損失以及方便管理等目的。合理的管網(wǎng)布置方案是進行管網(wǎng)后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ),是總體規(guī)劃設(shè)計非常重要的一個環(huán)節(jié)。
2.1 設(shè)計灌水定額
灌水定額是指單位面積一次灌水的灌水量或水層深度。在管網(wǎng)設(shè)計中,采用作物生育期內(nèi)各次灌水量中最大的一次作為設(shè)計灌水定額,對于同時種植不同作物的灌區(qū),設(shè)計時采用主要作物的最大灌水定額作為設(shè)計灌水定額。
針對水稻這一作物,設(shè)計灌水定額可根據(jù)當?shù)毓喔仍囼炠Y料采用泡田期灌水定額。通常,泡田定額根據(jù)土壤、地勢、地下水埋深和耕犁深度相似田塊上的實測資料確定。泡田定額也可根據(jù)時段初適宜水層上限與時段末適宜水層下限之差確定:
m=1000γsh(β1-β2)(1)
式中:m—灌水定額,m3/hm2;
γs—計劃濕潤層土壤干容重,kN/m3;
h—計劃濕潤層深度,m;
β1—適宜含水量(質(zhì)量百分比)上限(%),可取田間持水量的85%~100%;
β2—適宜含水量(質(zhì)量百分比)下限(%),可取田間持水量的60%~65%。
2.2 灌水周期
設(shè)計灌水周期和作物種類、灌區(qū)面積大小以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動計劃等因素有關(guān),不同作物允許的灌水延續(xù)時間不同,灌區(qū)面積較大的情況下灌水時間可相對延長。對于大中型灌區(qū),灌溉面積在萬畝以上的,水稻泡田期灌水7~15晝夜,對于灌溉面積較小的灌區(qū),灌水延續(xù)時間要相應(yīng)減小。灌水周期可根據(jù)灌水試驗和當?shù)毓嗨?jīng)驗確定,具備必要的基礎(chǔ)資料時也可以通過計算確定:
式中:T—灌水周期,d;
m—灌水定額,mm;
Ed—作物日耗水強度,mm/d。
2.3 灌溉工作制度
圖1 河網(wǎng)提水灌區(qū)管網(wǎng)布置示意圖
灌溉工作制度是指管網(wǎng)輸配水及田間灌水的運行方式,分為續(xù)灌、輪灌和隨機取水3種方式。其中隨機取水方式適用于灌溉系統(tǒng)面積較大,區(qū)內(nèi)用水單位多并且作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜,取水隨意性大的情況,不適用于本文介紹的情況。
灌水期間,上一級管道同時向所有下一級管道配水的灌水方式稱為續(xù)灌;上一級管道按預(yù)先劃分好的輪灌組分組向下一級管道配水的灌水方式稱為輪灌。
在地形平坦,灌區(qū)面積適中的情況下,設(shè)計的時候可以考慮整個管網(wǎng)系統(tǒng)采用續(xù)灌的方式??紤]水稻不同于其他作物,需水量較大,在灌區(qū)面積確定的情況下采用續(xù)灌方式易導(dǎo)致管道取用管徑偏大,對提水首部樞紐也有更高的要求,如此工程投資將大幅提高。根據(jù)水稻種植灌溉經(jīng)驗,采用輪灌方式大可滿足生產(chǎn)需求。
2.4 設(shè)計流量
2.4.1 出水口流量
式中:q—出水口設(shè)計流量,m3/h;
m—水稻泡田定額,m3/畝;
A—個給水栓控制的田塊面積,畝;
T—灌水高峰期作物一次灌水延續(xù)時間,d;
t—日工作時間,可取18~22h;
η—灌溉水利用系數(shù),取0.95。
2.4.2 干支管設(shè)計流量
式中:Q干—干管設(shè)計流量,m3/h;
Q支—支管設(shè)計流量,m3/h;
n—支管控制范圍同時開啟的出水口個數(shù);
N—干管控制范圍同時工作的支管條數(shù)。
管網(wǎng)優(yōu)化包括布置方案優(yōu)化和管徑優(yōu)化。在同類型管網(wǎng)(樹狀網(wǎng)或環(huán)狀網(wǎng))的不同布置方式下,最優(yōu)經(jīng)濟管徑即為該類型管網(wǎng)最優(yōu)設(shè)計方案。管網(wǎng)管徑的優(yōu)化通常以工程造價最小和年費用最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化。對需要通過加壓系統(tǒng)加壓的灌溉管網(wǎng)優(yōu)化,采用年費用最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化比較適宜。該地區(qū)一般采用渠灌或河網(wǎng)提水,管網(wǎng)系統(tǒng)主要采用樹狀網(wǎng),這里主要介紹以年費用最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化管徑的方法。
3.1 管網(wǎng)年費用確定
管網(wǎng)系統(tǒng)投資主要由基建投資和管網(wǎng)的年運行費用兩部分組成。管網(wǎng)布置形式及管材選定后,管徑即成為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的主要決策因素。在各級管道管徑的多種組合中,必有一種管徑的最優(yōu)組合,使管網(wǎng)系統(tǒng)的年費用最小,以此作為管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目標。
灌溉管網(wǎng)年費用可用下式表示:
式中:W—管網(wǎng)年費用,元;
F—管網(wǎng)基建投資,元;
C—管網(wǎng)年運行費,元;
α—均付因子;
i—社會折現(xiàn)率;
t—經(jīng)濟計算期(折舊年限),年;
f(Di)—第i管段的工程造價,元/m;
li—第i管段的長度,m;
n—管段數(shù);
a,d—管網(wǎng)造價系數(shù)和指數(shù)。
由于泵站的工程造價與管網(wǎng)投資相比所占比重較小,并且泵站投資主要與設(shè)計流量有關(guān),隨管網(wǎng)揚程變化不明顯,對于確定的管道輸水工程,泵站投資可視為常數(shù),故予以忽略。
管網(wǎng)的年運行費用C包括管網(wǎng)運行的能耗費CE、維修費CU和管理費CM。對于確定的管網(wǎng)系統(tǒng)而言,管理費用差別不大,而且對經(jīng)濟管徑的影響也不大,故不予考慮。因此管網(wǎng)年運行費可表示為:
系統(tǒng)年能耗費CE,計算:
式中:E—電價,元/kW·h;
Q—管網(wǎng)設(shè)計流量,m3/h;
T—水泵年工作時間,h;
H—水泵揚程,m;
η—水泵工作效率。
系統(tǒng)年維修費CU和管理費CM,計算:
式中:P為年維修費率;R為管理費率。
3.2 管網(wǎng)費用目標函數(shù)的確定
目標函數(shù)可采用水泵揚程H利用下式計算:
圖2 界限流量示意圖
式中:HO—水泵的凈揚程,m;
hf—管網(wǎng)的水頭損失,m;
β—考慮局部水頭損失的系數(shù),一般取1.1左右;
f、m、b—管道的管材系數(shù),硬塑料管f=0.948×105,m=1.77,b=4.77。
將式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)分別代入(5)式可得:
3.3 求解方法探討
本文選用界限流量法對優(yōu)化管徑進行求解。界限流量是指某一標準管徑所對應(yīng)的相對經(jīng)濟的流量范圍,當流量在這一范圍內(nèi)時選用該管徑都是經(jīng)濟的。確定界限流量的前提是使相鄰兩檔商品管徑的年費用相等,以此為基礎(chǔ)來推求。假定Dn-1<Dn<Dn+1(n>1)為3個相鄰管徑,給定參數(shù)可繪得如圖3條曲線。如圖2所示,qn既是管徑Dn-1的上限設(shè)計流量,又是管徑Dn的下限設(shè)計流量;qn+1既是管徑Dn的上限設(shè)計流量,又是管徑Dn+1的下限設(shè)計流量,則凡是管段流量在qn和qn+1之間的,應(yīng)選用Dn,否則不經(jīng)濟。
將管徑Dn、Dn+1分別代入式(13)。對于管網(wǎng)中任一管段,其設(shè)計流量qi與管網(wǎng)的設(shè)計流量Q總是存在如下關(guān)系:
使Wn=Wn+1,可得管徑Dn、Dn+1的界限流量為:
在進行推求計算的過程中,根據(jù)管網(wǎng)確定的流量Q以及管網(wǎng)系統(tǒng)的工作制度,來選擇一定的值,從而確定管段的流量,與計算得出的界限流量進行比較,以選定合適的管徑。
4.1 管道水頭損失
管道水頭損失采用下列公式計算:
式中:hf—管道沿程與局部水頭損失之和,m;
L—管道的工作長度,m;
Q—管道設(shè)計流量,m3/h;
d—管道的內(nèi)徑,mm;
k—系數(shù),取局部水頭損失為沿程水頭損失的10%,則k=1.1;
f、m、b—管道的管材系數(shù),硬塑料管f=0.948×105,m=1.77,b=4.77。
4.2 管網(wǎng)入口工作水頭
管網(wǎng)入口是指管網(wǎng)系統(tǒng)干管進口,設(shè)計壓力可按式(6)計算:
式中:Hm—主干管入口工作水頭,m;
Σhf0—計算管線沿程水頭損失,m;
Σhj0—計算管線局部水頭損失,m;
Δz0—設(shè)計控制點與管網(wǎng)入口地面高程之差,m;
Hg—設(shè)計控制點給水栓工作水頭,m。
水泵設(shè)計揚程:
式中:H—水泵設(shè)計揚程,m;
Hm—主干管入口工作水頭;m;
Σhf—水泵吸水管路的沿程水頭損失之和,m;
Σhj—水源到主干管入口所有局部水頭損失之和,m;
Δz—水泵安裝高程與水源水位之高差,m。
根據(jù)水泵揚程和系統(tǒng)設(shè)計流量便可以從水泵類型系列中選取所需水泵型號。為保證所選機泵在高效區(qū)運行,對于按照輪灌組運行的管網(wǎng)系統(tǒng),可根據(jù)不同輪灌組的流量和揚程進行比較,選擇合適的泵型;若各輪灌組流量與揚程差別很大且控制面積大,可選擇兩臺或者多臺水泵分別對各個輪灌組提水灌溉。
低壓管道輸水系統(tǒng)能有效防止水的滲漏和蒸發(fā)損失,可大大提高水的利用率,是一項有效的節(jié)水灌溉工程措施。在管道輸水灌溉系統(tǒng)中,管網(wǎng)投資約占總投資的60% ~70%,直接影響工程造價。因此加強對管網(wǎng)設(shè)計及管道優(yōu)化設(shè)計的研究,對提高管道輸水灌溉工程設(shè)計水平,降低運行費用具有重要意義
(專欄編輯:顧 梅)