王洪俊

（中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528400）

1 低壓管道輸水灌溉技術(shù)的特點(diǎn)和適用條件

低壓管道輸水灌溉技術(shù)指的是借助管道進(jìn)行輸水和配水，在田間通過(guò)軟管或者閘管系統(tǒng)、傳統(tǒng)地面灌溉技術(shù)所開(kāi)展的灌溉技術(shù)。其中“低壓”指的是末級(jí)水管的出水壓力相比于滴灌系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)，遠(yuǎn)小于灌水器工作壓力，通常情況下出水壓力低于3 kPa，平原提水灌區(qū)，系統(tǒng)的工作壓力低于0.10 MPa，丘陵區(qū)域，工作壓力低于0.20 MPa。低壓管道輸水灌溉技術(shù)具有省工、節(jié)時(shí)、節(jié)能、節(jié)水、適用性較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。但是低壓管道輸水灌溉技術(shù)應(yīng)用所需要的相關(guān)設(shè)備以及管件較多，多泥沙水進(jìn)行灌溉時(shí)還將導(dǎo)致泥沙淤積問(wèn)題。在不考慮建設(shè)水源因素時(shí)，低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的造價(jià)成本為100～150元/hm2，滿足中國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，適用于低含沙量渠水與機(jī)井抽水灌溉。

2 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成

此案例低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)主要由水源、取水樞紐、灌水系統(tǒng)、輸水管、配水管、給水設(shè)備、保護(hù)裝置組成。其中，水源是井水，但只要滿足灌溉需求，水渠、水庫(kù)、河湖都可以作水源，如果水源中含有較多的雜質(zhì)和沙量，需要首先進(jìn)行沉沙等處理再使用。取水樞紐主要為動(dòng)力機(jī)、水泵和相關(guān)配套設(shè)施。輸水、配水管網(wǎng)，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)種植面積較大，通常情況下，低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的設(shè)置為多級(jí)管網(wǎng)，使用機(jī)井進(jìn)行灌溉時(shí)，通常選擇單級(jí)管道進(jìn)行輸水、灌水，輸水、配水管網(wǎng)的設(shè)置選擇對(duì)地埋式鋪設(shè)方式。在整個(gè)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)建設(shè)中輸水、配水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)鋪設(shè)投資占總項(xiàng)目投資50%以上。所以，需要在正式開(kāi)展管網(wǎng)鋪設(shè)前對(duì)當(dāng)前的情況加以全面考察，因地制宜，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)階段，輸水、配水管網(wǎng)多選用混凝土管、水泥管、PVC管或者PE管。在低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)中，灌水系統(tǒng)主要包括兩種：第一種，借助田間移動(dòng)或者固定管網(wǎng)，通過(guò)退水管法進(jìn)行澆地；第二種，借助田間的明渠進(jìn)行溝灌、畦灌。給水系統(tǒng)包括在低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的各級(jí)管道設(shè)置配水閘門(mén)、分水井等，并在豎管的出口位置設(shè)置出水口。附件則主要為保護(hù)裝置，在特殊位置安裝調(diào)節(jié)閥、排氣閥等裝置，避免管道輸水過(guò)程中局部受到水擊而出現(xiàn)破裂等情況。為計(jì)算灌溉水量安裝水表和防凍、泄水口、沖砂閘等。

3 低壓管道輸水灌溉技術(shù)灌水均勻性影響因素

3.1 壓力差影響

當(dāng)?shù)蛪汗艿垒斔喔认到y(tǒng)首端和末端水口壓力差比較大時(shí)，水頭損失大將對(duì)灌水均勻性產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)流量為固定值時(shí)，造成水頭損失的主要原因包括兩點(diǎn)：①管道管徑較??；②管道長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。在實(shí)際低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)建設(shè)中，因?yàn)槭艿降匦魏退匆蛩赜绊?，無(wú)法有效縮減管道長(zhǎng)度，則控制水頭損失的主要措施需要從管徑方面著手。因?yàn)榭紤]到系統(tǒng)的工作壓力均衡問(wèn)題，一般情況下采用控制首端和末端灌水器工作壓力，對(duì)管道管徑加以合理設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)要求，管道的最小管徑按照首端、末端灌水器水頭差不超過(guò)設(shè)計(jì)水頭20%計(jì)算。但是在低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在同一管道中首端和末端放水口流量應(yīng)當(dāng)符合qmin≥0.75qmax，流量差和水頭差關(guān)系見(jiàn)表1。

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，確保灌水均勻性，結(jié)合投資、流量差等因素合理設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算校驗(yàn)確定最佳管道管徑。另外，需要注意，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合等距、等流量、多孔出流簡(jiǎn)化計(jì)算水頭損失。一般情況下，微灌、噴灌項(xiàng)目中，同一配水管首、末端流量差應(yīng)當(dāng)小于10%，因此利用多口系數(shù)進(jìn)行計(jì)算損失誤差比較??；但是在低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)槭?、末端流量差比較大，造成計(jì)算誤差增加，所以，在初步確定管徑之后需要分段校核水頭損失。

3.2 放水口工作水頭設(shè)計(jì)不合理

放水口工作水頭設(shè)計(jì)指的是水流于該位置具備能量，能量部分與出水管路水頭損失，其余部分轉(zhuǎn)換為出流動(dòng)能和勢(shì)能。確定管網(wǎng)的布置形式后，勢(shì)能變化固定，如果放水口水頭較大，相應(yīng)流速、出流量也較大。通常情況下放水口的水頭設(shè)定為0.30～0.50 m，但在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中部分取值達(dá)2～3 m，導(dǎo)致大量的能量損失，并可能因?yàn)樗^過(guò)大對(duì)田塊造成沖刷。

3.3 實(shí)際出流量和設(shè)計(jì)流量不匹配

放水口管徑流量設(shè)計(jì)通常按照小孔出流公式計(jì)算，實(shí)際運(yùn)行時(shí)配水管首端的工作壓力較大，因?yàn)榉潘谑锥顺隽髁繎?yīng)當(dāng)大于設(shè)計(jì)流量，造成末端出流量較小，甚至存在不出水情況。管徑計(jì)算公式為：

式中：d 表示放水口的內(nèi)徑，m；q 表示放水口的設(shè)計(jì)流量，33/s；μ表示流量系數(shù)；g表示重力加速度，取值為9.80 m/s2；h表示放水口的設(shè)計(jì)水頭，m。

4 設(shè)計(jì)方法和對(duì)策

為有效解決以上存在問(wèn)題，需要對(duì)常規(guī)的設(shè)計(jì)結(jié)果合理性實(shí)施校驗(yàn)與調(diào)整，在實(shí)際過(guò)程中需要按照以下步驟進(jìn)行。

第一，大量收集和整理土壤、水源等相關(guān)資料，進(jìn)行管網(wǎng)、放水口的合理布置，設(shè)計(jì)放水口結(jié)構(gòu)形式。第二，明確灌水定額，確定一次灌水設(shè)計(jì)的流量、具體的延續(xù)時(shí)間及管道制度等，按照水位和田塊高差，初步選定水泵型號(hào)。第三，按照同時(shí)工作放水口數(shù)量，明確放水口流量，計(jì)算放水口水頭，初步選定放水口管徑。第四，明確同一配水管的放水口最大流量差和工作水頭差，初步確定配水管管徑。第五，通過(guò)經(jīng)濟(jì)流速法初步確定干管等輸水管道管徑。第六，校驗(yàn)管網(wǎng)水力，對(duì)配水管水頭損失情況進(jìn)行逐段計(jì)算，推算各放水口的實(shí)際水頭與流量。具體推算過(guò)程如下。按照配水管的進(jìn)口能量方程公式計(jì)算：

得出第t個(gè)位置的放水口實(shí)際工作水頭是：

因此第t個(gè)位置的放水口實(shí)際的出流量是：

式（2）（3）（4）中，Hd是配水管的進(jìn)口位置水頭（m）；Hp是水泵的揚(yáng)程（m）；△H是水源和田面具有的高差距離（m）；Hin是水泵進(jìn)水管路位置水頭的損失（m）；Ht是輸水管路位置水頭的損失（m）；i是放水口、配水管具體管段的編號(hào)；A是放水口位置出水?dāng)嗝娴拿娣e（m2）；hωi是第i數(shù)量的管段具有水頭的損失，主要包括了沿程、局部的水頭損失（m）。

第七，校驗(yàn)配水管放水口出流量之和以及配水管進(jìn)口流量誤差是否符合精度要求，按照連續(xù)方程，同一根配水管上所有放水口出流量之和應(yīng)與配水管進(jìn)口流量相等。此連續(xù)方程表示為：

第八，以同一根配水管放水口的實(shí)際出流量之和作為配水管進(jìn)口流量，反復(fù)確認(rèn)水泵的工況點(diǎn)，之后轉(zhuǎn)為第六步計(jì)算流程，如果此時(shí)最大校驗(yàn)次數(shù)符合精度要求，則確定為低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)管道參數(shù)，并完成計(jì)算；如果不符合精度要求，則重新進(jìn)行第二步操作，并對(duì)水泵重新選擇，直至符合精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，農(nóng)業(yè)灌溉中選擇使用低壓管道輸水灌溉技術(shù)，因?yàn)槭艿匦?、水源等因素的影響，?dǎo)致配水管的設(shè)置長(zhǎng)度較長(zhǎng)，選擇使用常規(guī)的設(shè)計(jì)方式導(dǎo)致出水流量不均、末端不出水等情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的農(nóng)業(yè)灌溉。通過(guò)設(shè)置水表、閥門(mén)等調(diào)壓控流能夠?qū)嗨鶆蛐约右杂行Ц纳?，但需要消耗大量的人力，并且隨著時(shí)間的推移，閥門(mén)會(huì)出現(xiàn)汽蝕情況。文章對(duì)低壓管道輸水灌溉技術(shù)中灌水不均勻問(wèn)題提出相應(yīng)的策略，通過(guò)調(diào)整輸水管管徑，合理選擇水泵型號(hào)，校驗(yàn)放水口、水泵工況，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠度和精度。