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      低壓管道輸水灌溉技術(shù)灌水均勻性問題及對策分析

      2021-07-20 07:59:18茅和平郁程鵬
      智能城市 2021年12期
      關(guān)鍵詞:灌溉系統(tǒng)管徑水頭

      茅和平 高 叢 郁程鵬

      (無錫市三和農(nóng)業(yè)灌排工程設(shè)計有限公司,江蘇無錫 214072)

      1 灌水均勻性問題分析

      1.1 放水口存在較大的壓差及水頭損失

      在配水管道的設(shè)計流量符合標(biāo)準(zhǔn)時,配水管道的管徑過小或管道過長,均會導(dǎo)致水頭發(fā)生損失。在特定條件下,如水源或所處地形因素較為復(fù)雜,將無法控制配水管的長度,在這種狀態(tài)下導(dǎo)致配水管道的水頭發(fā)生損失的主要誘導(dǎo)因素為配水管道的管徑[1-2]。

      1.2 放水口設(shè)計工作水頭未達(dá)到需求標(biāo)準(zhǔn)

      放水口的設(shè)計工作水頭未達(dá)標(biāo)準(zhǔn),可能是出水管道損失、能量轉(zhuǎn)換成勢能及功能的出流等方面存在問題。在低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)分布形式確立后,水流的勢能處于一定的狀態(tài),當(dāng)放水口處工作水頭較大時,會導(dǎo)致出流量、水流速度增加,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中,對此類情況下的放水口工作水頭選擇范圍為0.3~0.5 m,按經(jīng)濟流速確定管徑后,實際的值最大可達(dá)到2.0 m,這種選擇范圍會造成能量損失,在實際應(yīng)用中會對農(nóng)作物造成沖刷[3-4]。

      1.3 放水口流量的設(shè)計值與實際值有差異

      放水口管道管徑的選擇按照流量的多孔流出公式進(jìn)行計算所得,在實際中,配水管道首端具有較高壓力,因此,放水口的實際值將高于設(shè)計值。

      流量的多孔流出公式計算放水口內(nèi)徑:

      式中:q——放水口位置=設(shè)計流量數(shù)值(m3/s);μ——流量系數(shù);g——重力加速度,取值為9.807 m/s2;h——放水口的設(shè)計工作水頭(m)。

      流量系數(shù)可分為自由出流、淹沒出流兩種形式:

      式中:λ——流量的沿程阻力系數(shù);L——放水管道的長度(m);ξ——局部水頭損失系數(shù)。

      根據(jù)式(2)、式(3)可知,其中包含放水口內(nèi)徑d,與式(1)存在矛盾,進(jìn)行流量系數(shù)計算時,由于存在管徑因素的限制,本研究將采用試算法進(jìn)行計算,即首先選定放水管的內(nèi)徑,再通過流量的多孔流出公式校驗放水口內(nèi)徑是否符合要求。

      1.4 計算調(diào)整、校驗

      為了更好地解決上述問題,將對傳統(tǒng)設(shè)計中相應(yīng)的計算進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、校驗。

      對傳統(tǒng)設(shè)計的調(diào)整校驗流程如圖1所示。

      圖1 傳統(tǒng)設(shè)計的調(diào)整校驗步驟

      2 實例分析

      2.1 基本情況分析

      某農(nóng)場面積為26.5 hm2,規(guī)格為300 m×900 m,農(nóng)作物為稻麥輪作,農(nóng)場平均高程為2.5 m,所處區(qū)域為粉質(zhì)黏土,臨近河流可作為灌溉水源,河流水位為1.8 m,水源滿足農(nóng)作物的灌溉需求。

      2.2 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)布置

      利用三級管網(wǎng)系統(tǒng),系統(tǒng)中干管的總長度為20 m,為南北方向布置。

      通過垂直于干管分出的兩條長度為100 m的管道進(jìn)行南北方向分水,使用三條支管將水輸送至田間,各條支管管道長度為900 m,各支管采用雙側(cè)配水,各放水口距離50 m,管網(wǎng)中共有放水口110個,各放水口負(fù)責(zé)50 m×50 m的農(nóng)田灌溉。該低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計灌溉定額根據(jù)水稻定額計算為150 mm,水稻泡田期為2 d,實施續(xù)灌。

      系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

      圖2 系統(tǒng)平面布置

      2.3 結(jié)果分析

      系統(tǒng)調(diào)整校驗后各支管放水口出流量如表1所示。

      表1 系統(tǒng)調(diào)整校驗后各支管放水口出流量

      針對常規(guī)設(shè)計,總干管采用規(guī)格為DN400的PVC-M管道,干管、支管與總干管材質(zhì)相同,規(guī)格為DN315,放水管采用PE管規(guī)格DN50;系統(tǒng)中管道公稱壓力0.4 MPa;系統(tǒng)設(shè)計流量1 100 m3/h,水泵定額揚程為7.5 m,轉(zhuǎn)速為750 r/min,配30 kW電機;各放水口設(shè)計流量為8.8 m3/h。在實施連續(xù)灌溉作業(yè)的情況下,系統(tǒng)中水泵運行工況流量約為1 260 m3/h、水泵揚程為6.9 m、轉(zhuǎn)速為750 r/min,系統(tǒng)中支管1~8放水口實際出流量高于設(shè)計流量,但各支管放水口均從第9個以后的放水口實際出流量已無法滿足灌溉的需求,尤其是各支管第10~18放水口均為無水狀態(tài)。

      利用本研究中設(shè)計方式對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行計算調(diào)整、校驗,總干管、干管、支管均為PVC-M管道、規(guī)格為DN400,放水管材質(zhì)、管徑保持不變。系統(tǒng)中管道壓力為0.4 MPa,將水泵更換為軸流泵,其額定流量為1 225 m3/h、額定揚程為4.6 m、轉(zhuǎn)速為1 450 r/min,配25 kW電機。

      在常規(guī)系統(tǒng)中進(jìn)行有效調(diào)整、校驗后,實施連續(xù)灌溉作業(yè)的情況下,系統(tǒng)水泵運行工況流量為1 150 m3/h、水泵揚程為3.6 m,轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)中,各放水口出流量均可達(dá)到灌溉的需求,且支管流量沿程分出管道水頭損失逐漸減小,穩(wěn)定性不斷提高,提升了灌水均勻性。

      2.4 工程效益分析

      工程實施后按照國民經(jīng)濟的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,該農(nóng)場內(nèi)部收益率為14.13%,高于社會折現(xiàn)率12%,其經(jīng)濟效益費用比值為1.15,高于標(biāo)準(zhǔn)值,農(nóng)場各項經(jīng)濟指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

      工程成本增加10%~20%及農(nóng)場效益降低5%~10%時,農(nóng)場經(jīng)濟內(nèi)部收益率在可保持在12.4%~13.30%范圍內(nèi),綜合效益費用比值在1.0%~1.03%內(nèi)波動,該工程具有較好的經(jīng)濟抗風(fēng)險能力。

      3 結(jié)語

      常規(guī)低壓管道輸水灌溉技術(shù)在運用中常出現(xiàn)流量不均勻的情況,無法滿足農(nóng)業(yè)灌溉中的需求,通過對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行計算、調(diào)整,可提升各放水口的出流量、灌溉的均勻性,并且對水泵、放水口進(jìn)行計算校驗,提升了常規(guī)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適用性。

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