王利紅，袁新明，侯 苗，張小林

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；2.溧陽市水利局，江蘇 溧陽 213300)

0 引 言

噴灌主要是通過管網(wǎng)將灌溉水運送并分配到田間，經(jīng)噴頭噴射到空中后形成霧狀水，均勻地灑落在農(nóng)田上，以供農(nóng)作物吸收。噴灌系統(tǒng)具有高效、節(jié)水、經(jīng)濟實用、安全可靠等優(yōu)點，是一種重要的管道灌溉方式，在農(nóng)業(yè)灌溉中的應用越來越多。噴灌系統(tǒng)中的管道水力計算是噴灌系統(tǒng)設計的關鍵，主要計算各級管道的水頭損失，以此來進行水泵選型和泵站設計。目前較常用的方法是基于GB50085-2007《噴灌工程技術規(guī)范》[1]中的計算公式進行人工計算，而人工計算效率低，且易于出錯。

EPANET軟件是一款由美國環(huán)境保護局(EPA)開發(fā)的用于管網(wǎng)分析的軟件，可進行有壓管網(wǎng)的水力和水質(zhì)特性模擬計算，具有管網(wǎng)分析、管網(wǎng)平差、運行模擬、信息管理等功能。EPANET具有強大的水力計算模塊功能和易于操作的圖形界面，目前該軟件主要用于供水管網(wǎng)、消防系統(tǒng)等方面，在噴灌系統(tǒng)水力計算中的應用尚未見報道。筆者運用EPANET軟件的管網(wǎng)分析和管網(wǎng)平差功能進行實例校核，探討了EPANET在噴灌系統(tǒng)設計中的應用。

1 計算方法

1.1 沿程水頭損失計算

EPANET中提供Hazen-William公式、Darcy-Weisbach公式、Chezy-Manning公式三種管道沿程水頭損失公式，其中Hazen-William公式適于較光滑的圓管滿管紊流計算，對于給水管道水力計算計算精度較高，公式為：

(1)

式中：q為流量，m3/s；l為管道長度，m；Cw為Hazen-William系數(shù)(無量綱)；D為管徑，m。

1.2 局部水頭損失計算

局部水頭損失用下式計算：

(2)

式中：hm為局部水頭損失，m；v為流速，m/s；ζ為局部阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

在EPANET中通過賦給管道或組件一個局部水頭損失系數(shù)來考慮。

1.3 流量計算

在EPANET中無專門的噴頭組件可用，但其中的擴散器可用于模擬噴嘴系統(tǒng)。擴散器是與連接節(jié)點相關的設備，通過噴嘴或者控制模擬流量排向大氣[2]。通過擴散器的流量是節(jié)點壓強的函數(shù)：

q=Cpγ

(3)

式中：q為流量，L/s；C為流量系數(shù)；p為噴嘴處水頭，m；γ為壓強指數(shù)。

對于噴嘴，γ采用0.5。

由廠家提供流量系數(shù)的數(shù)值[2]。

1.4 模型的建立

先將AutoCAD管網(wǎng)圖輸出為文本文件，再將文本文件轉(zhuǎn)換為EPANET輸入文件，將其導入EPANET中。為方便設置管段、節(jié)點的屬性，可將EPANET的管網(wǎng)導出為文本文件。對于節(jié)點較多，管網(wǎng)復雜的情況，管網(wǎng)基本信息的輸入，不僅工作量大，而且容易出錯，EPANET的導入、導出功能解決了這個問題并提高了繪圖效率。

1.5 控制點的確定

管網(wǎng)水力分析有兩個前提條件，一是已知參與水力分析的管段的水力特性，二是管網(wǎng)中必須至少有一個定壓節(jié)點，滿足這兩個條件才能使恒定流方程組可解。在泵站未設計之前，泵站的水力特性是未知的，泵站水力特性是其所在管段水力特性的一部分，所以其管段的水力特性也是未知的。為了進行水力分析，可以暫時將該管段刪除，暫時不計算與之相關的管段能量方程[3]。對于設計工況水力分析而言，由于泵站所在管段暫時刪除，使水庫與管網(wǎng)分離，所以管網(wǎng)中的節(jié)點水頭均未確定。為了解決這一問題，可以假設一個壓力控制點，設定管網(wǎng)供水壓力條件。由此引入兩個概念：①節(jié)點服務水頭----節(jié)點地面高程加上節(jié)點所連接用戶的最低供水壓力。②控制點----給水管網(wǎng)中用水壓力最難滿足的節(jié)點。先任意假設某個節(jié)點為控制點，令其節(jié)點水頭等于服務水頭，使之成為定壓節(jié)點，進行水力分析，輸出各節(jié)點自由水壓，通過節(jié)點自由水壓比較，找到用水壓力最難滿足的節(jié)點----真正的控制點。在滿足控制點的服務水頭情況下，管網(wǎng)入口壓力加泵站內(nèi)部水頭損失即為泵站的設計揚程。

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

圖1 項目區(qū)管道布置圖(單位：m)Fig.1 Pipeline layout of the project area

2.2 輸入管網(wǎng)信息

以AutoCAD繪制的管網(wǎng)圖為基礎，建立EPANET管網(wǎng)模型，流量單位選擇LPS(升每秒)，管道水頭水頭損失按Hazen-William公式計算。根據(jù)文獻[2]中給出的管材的粗糙系數(shù)：鍍鋅鐵管Cw=120，塑料管Cw=140～150。本例中豎管Hazen-William系數(shù)Cw取120，其他管道Cw取140。γ采用文獻[2]中推薦值取0.5。本例中噴頭廠家未提供流量系數(shù)的數(shù)值，故將噴頭設計流量0.22 L/s，工作壓力20 m，γ=0.5，帶入公式(3)計算得到流量系數(shù)C=0.049 1。已知泵站進水池節(jié)點水頭為29 m，管網(wǎng)要求最低供水壓力為20 m(噴頭的工作壓力要求)。各節(jié)點高程在地形圖上讀取，選取最不利工況進行計算，計算輪灌組的管網(wǎng)如圖2所示，主要管段參數(shù)見表1。

圖2 計算輪灌組的管網(wǎng)圖Fig.2 The network diagram of wheel irrigation group

2.3 水泵選型

根據(jù)輪灌制度，確定同時工作的噴頭數(shù)，按噴頭的設計流量，粗略確定水泵的設計流量。本工程，同時工作的噴頭數(shù)為93個，每個噴頭的設計流量為0.21 L/s，則水泵的設計流量初定為19.5 L/s。管網(wǎng)節(jié)點參數(shù)如表2、表3所示。

將泵站所在管段刪除，并將泵站的設計流量合并到節(jié)點1中，設定其需水量為19.5 L/s，在任意節(jié)點添加一水庫，設置水庫的總水頭等于節(jié)點服務水頭，可設置連接水庫的管段長度和直徑為任意值。運行程序，確定灌溉最遠區(qū)域(分干管11下支管1～13工作時)最不利配水點為支管13上最高點，滿足該點服務水頭時，管道入口壓力為57 m；灌溉最高區(qū)域(分干管13下支管1～12工作時)最不利配水點為支管12上最高點，滿足該點服務水頭時，管道入口壓力為66 m?？紤]管道損失，根據(jù)管道入口計算流量19.5 L/s，入口壓力66 m，選用SG100-90-70型離心泵一臺，流量25 L/s，揚程70 m。

表1 管段信息表

表2 管網(wǎng)設計節(jié)點數(shù)據(jù)

表3 管網(wǎng)設計分支管數(shù)據(jù)

注：表中支管上的節(jié)點僅列出支管上最高處噴頭位置，軟件計算中考慮所有噴頭的節(jié)點參數(shù)。

2.4 結(jié)果對比與分析

確定泵站性能參數(shù)后，執(zhí)行分析，輸出管網(wǎng)平差結(jié)果。每個計算區(qū)域選取兩根典型支管，列出噴頭工作流量和壓力見表4。從表4中可以看出：噴頭的流量和壓力并不是均勻的，主要是因為地形和位置差異，即使支管上噴頭數(shù)相同，各個支管的工作壓力和流量也是不同的。為找出流量壓力不均勻?qū)λτ嬎愕挠绊?，沿程水頭損失公式仍選公式(1)，取典型支管作為代表進行水頭損失計算，按噴頭平均流量進行人工計算。從表4得出：分干管11下典型支管上噴頭平均流量為0.28 L/s；分干管13下典型支管上噴頭平均流量為0.25 L/s。軟件平差結(jié)果與手算結(jié)果對比見表5。

從表5中可以看出：按平均噴頭流量計算的管道流量比軟件平差結(jié)果偏小，相對偏差最大超過18%。手算的水頭損失和軟件平差結(jié)果偏差較大，手算的干管損失比軟件平差結(jié)果偏小，而分干管和支管的水頭損失比軟件平差結(jié)果偏大。根據(jù)公式(1)可知，水頭損失隨著流量的減小而減小，輪灌組工作時干管水流只有一個出口，所以干管流量是均勻的，手算的流量偏小，對于干管手算和軟件計算的偏差主要是流量偏小的影響。手算的分干管和支管水頭損失比軟件平差結(jié)果偏大，主要是因為各個位置流量壓力不均勻的影響。分干管、干管手算的流量偏小會導致水頭損失偏小，但手算的水頭損失卻偏大，可見流量壓力分布不均勻?qū)λ^損失的有一定的影響。最高區(qū)域工作時，水頭損失相對偏差較大，最大接近32%，從管道布置圖中可知，最高區(qū)域較最遠區(qū)域地形起伏更大，支管上噴頭分布也更不均勻?？梢姡鱾€節(jié)點的壓力流量分布越不均勻，按噴頭平均流量計算流量和水頭損失偏差越大。

表4 噴頭工作情況

注：支管上噴頭按水流流動方向從1開始編號。

表5 軟件平差與手算結(jié)果對比

軟件計算的水泵損失較小，僅考慮了局部水頭損失，泵站設計時應考慮水泵吸水管路的沿程損失之和以及水源至干管入口所有局部水頭損失之和。一般泵站總水頭損失取5 m，本工程水泵吸水管道穿堤而過，長度較長，損失較大，考慮實際情況總水頭損失取6.5 m比較合理。將水泵揚程降低5 m，按設計流量25 L/s，揚程65 m進行修正，修正結(jié)果對比見表6。從表6可得修正后水泵運行工況點更貼近設計工況，軟件計算的水頭損失與手算結(jié)果偏差減小，噴頭壓力峰值降低，壓力更加均勻。

表6 水泵揚程修正結(jié)果對比

3 結(jié) 論

(1)EPANET具有較強的有壓管道水力計算功能，利用其擴散器組件可實現(xiàn)噴灌系統(tǒng)的水力模擬。

(2)在EPANET中，管道水頭損失計算公式選用Hazen-William公式是可行的。EPANET軟件可以反復試算，確定每一處的流量及壓力，EPANET模擬的噴頭壓力和流量是不均勻的，比較符合實際水流運動情況。

(3)EPANET考慮的水泵損失偏小，實際應用中可對泵站揚程進行修正，增加一定的安全度。

(4)采用EPANET軟件對噴灌系統(tǒng)進行水力計算或校核是可行的，易于操作，可為發(fā)展管道灌溉技術及同類工程提供一定的參考。

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