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丘陵山区管道灌溉工程规划设计技术
    （山东省水利科学研究院　济南　250013）

    ［提要］　管道灌溉技术是贫水山区灌溉经济作物最常用的一种方法。作者结合多年在丘陵山区从事管道灌溉工程规划设计的经验，介绍了该种技术的规划设计方法，可供进行管道灌溉规划设计时参考。
    ［关键词］　管道灌溉　　规划设计
    1　前言
    管道灌溉系统一般由输水系统和配水系统组成，其输水系统一般采用塑料管道（PVC）、铸铁管、钢筋砼管或者其他硬管材；配水系统一般采用PVC硬管材，另外还辅助以给水栓及移动锦塑软管等田件配套设施。它具有设计简便、易于掌握、投资少、施工简单、管理方便、单次灌溉时间短、节省水量等优点，因而在缺水山区被广泛采用。作者结合在丘陵山区农村从事节水灌溉工作的机会，参与了鲁中南11个县（市、区）兴建的209处小型管道灌溉工程的规划设计与施工等工作，发展节水灌溉面积15445亩，有些工程已运行了12年之久，目前仍正常运行。
    在丘陵山区，管道灌溉工程一般以井水、塘坝水及河道水为水源，主要为提水灌溉工程，需要动力，需要支付能耗费和机电设备维修费，因而其建设投资比自流灌溉工程高。因此在选择灌溉作物时应以果树、蔬菜等经济作物为主，以取得较好的经济效益。
    2　灌溉面积的确定
    在丘陵山区，由于水源水量不是很充分，因而单项工程灌溉面积的选择不易过大。据我们的实践经验，对一般的小型管道灌溉工程，单处工程灌溉面积一般以小于300亩为宜，多数在100～150亩之间较为合适。因此，在确定灌溉面积时要充分考虑到水源的出水量、投资的承受能力及灌溉作物在灌溉期的需水强度等因素的影响，可按下式计算：
    A=Q×T×t日/w毛 （1）
    式中　A——灌溉面积（亩）；
    Q——水泵出水量（m3/h）；
    T——设计灌水周期（d）；
    t日——系统日工作时数（h）；
    w毛——毛灌水定额（m3/亩）。
    按（1）式确定的灌溉面积，还需要用水源的实际出水量进行校核，可按（2）式进行：
    A×I≤Q水×T年×24 （2）
    式中　A——按（1）式确定的灌溉面积（亩）；
    I——灌溉作物的灌溉定额（m3/亩）；
    Q水——水源的实际出水量（m3/h）；
    T年——每年灌溉的时间，一般为40～50d。
    对于（2）式而言，如果成立，则说明确定的灌溉面积正确；反之，则需更换水泵，重新计算灌溉面积。
    3　管道灌溉工程管网系统设计
    3.1　灌溉系统工作制度的确定
    在进行总体规划时，为节省投资，灌溉系统的工作制度一般确定为轮灌。轮灌系统需根据作物布局、管理要求、灌区各片高差、所需流量等划分轮灌组，并用表格的形式给出各轮灌组所控制的管段编号。
    在管道灌溉工程中，作物的毛灌水定额采用下式计算：
    W毛=W/η水 （3）
    式中　W毛——作物的毛灌水定额（m3/亩）；
    W——作物的净灌水定额（m3/亩）；
    η水——系统水利用系数。
    对于管道灌溉系统，需对其单次灌水时间进行计算，然后再计算轮灌组数并合理划分轮灌组。其一次灌水时间可用下式计算：
    t次=W毛×A0/q0 （4）
    式中　t次——一次灌水的延续时间（h）；
    A0——单口控制面积（亩），可按单个给水栓控制的面积计算；
    q0——单口流量（m3/h），按单个给水栓的流量计算。
    其余符号同前。
    根据一次灌水延续时间，可按下式计算轮灌组数。
    N≤int[t日×T/t次] （5）
    式中　N——系统总的轮灌组数（个）；
    t日——系统日运行时数，一般取14-18h；
    int[ ]——取整数符号。
    其余符号同前。
    为了便于管网系统水力计算，在确定了轮灌组之后，可对轮灌组进行编号，标出每一轮灌组所控制的管段号及流量值，为管网水力计算提供依据。
    对于水源流量已定的管道输水灌溉系统，需根据取水流量大小确定同时工作的出流口数。据我们的实践经验，在山丘区管道灌溉系统中，管道系统单个给水栓流量一般以4～10ｌ/ｓ，同时工作的出流口应在扬程相近的区域，亦即同一轮灌组的出流口高差不宜过大，可分布于各支管的相应位置上。一般情况下不按支管划分轮灌组。
    3.2　管道灌溉系统管网流量计算
    灌溉系统流量计算，一般可采取下列计算步骤与方法。
    （1）首先绘制管网平面布置图和水力计算草图（示意图）。
    （2）管网流量与年工作时数的计算
    在设计时，可从末级管道开始按不同轮灌组分别推算各段流量及相应年工作时间。对于控制多个轮灌组的管段，需计算出平均流量和年总运行时数。对于末级管道流量，可按下式计算：
    Q段=W毛×A末/T次 （6）
    式中　Q段——计算管段流量（m3/h）；
    A末——末级管道的控制面积（亩）；
    T次——末级管道的一次灌水延续时间（h），T次=T×t日/N；
    T——灌水周期，N—轮灌组数，t日—日运行时数。
    其它管道流量按其所控制的轮灌组数分别自末级向管网首部逐级推算。
    各级管道的年工作时数按其所控制的轮灌组数，分别自末级管道向水源逐级推算，可只计算多年平均（或50%年份）值。
    在计算管网流量与年运行时数时，对于单口出流的管道系统，由于所有管段流量一致，可不分轮灌组，只列年运行时数。对于全续灌系统，因年运行时数各段一致，可只列流量。
    3.3　管道灌溉工程水泵取水流量与年运行时间的计算
    水泵取水流量一般等于管网进口流量。其平均、最大、最小值即为选泵的依据、管网进口流量可按下式计算：
    Q网=∑（Wi毛×Ai）/（T×t日） （7）
    式中　Wi毛、Ai——第i种作物的毛灌水定额和灌溉面积（m3/亩、亩）；
    Q网——管网进口流量（m3/h）；
    t日——系统日运行时数；同式（5）的取值；
    T——灌水周期（d）。
    水泵年运行时间一般等于管进口段的年运行时间。
    3.4　管道灌溉系统年取水量计算
    对于管道灌溉系统，一般需计算出75%水文年份及多年平均（或50%年份）的年取水量。可按下式计算：
     （8）
    式中　W年——灌溉系统年取水量（m3）；
    A——灌溉系统综合灌溉面积（亩）；
    M——综合灌溉定额（m3/亩）。
    其余符号意义同前。
    4　管道灌溉工程管网系统水力计算
    在丘陵山区兴建的低压管道灌溉工程主要为半固定式的，即干、支管为PVC塑料管，出水点为给水栓，移动管道为φ63-75mm涂塑软管。对于该种灌溉系统水力计算可按如下方法进行。
    4.1　选择控制点
    当管网系统布设完毕后，即可进行管网水力计算。在计算之前，首先应选择控制点（最不利工作点）。控制点是指对管网系统而言，可能使水泵扬程达到最大的出流点，一般是指位置高且距水源较远的点。控制点选择确定后，再计算移动管道水头损失与给水栓自由水头。
    4.2　计算给水栓的自由水头
    在计算给水栓的自由水头之前，首先要计算移动软管的水头损失。在山丘区管道灌溉中，采用的移动软管长度一般不超过100m，其水头损失计算可按下式进行。
     （9）
    式中　hf——塑料软管沿程水头损失（m）；
    L——塑料软管的长度（m）;
    Q——管道流量（m3/h）；
    d——管道内径（mm）；
    f、m、b——与管材有关的参数，可参考表4取值。
    给水栓的自由水头=移动管沿程水头损失+给水栓局部水头损失+（0.2-0.5m）+移动管道出口与给水栓之高差（仅高差为正时） (10)
    给水栓局部水头损失按下式进行：
     　　　(11)
    式中　hj——局部水头损失（m）；
    V——流速，可按经济管径确定流速（m/s）；
    δ——局部阻力系数，可查有关文献，对于塑料软管，一般取δ=1.72；
    g——重力加速度（m/s2）；
    应用（11）式计算局部水头损失较为复杂，一般情况下，可按沿程水头损失的10%计，如下式：
     　　 （12）
    符号同前。
    将（11）或（12）式的计算结果代入（10）式中，即可求得给水栓的自由水头。
    4.3　干管管径及水头损失的计算
    (1) 干管管径的确定
    自控制点直至水源点按经济流速或经济水力坡降计算确定干管管径，可按下式进行：
    d=18.8(Q/V)1/2 (13)
    式中　d——管道内径（mm）；
    Q——管道流量（m3/h）;
    V——管内流速（m/s），一般为经济流速值，可按表1取值。
    表1 各类管材经济流速参考值
    管材项目 硬PVC及PE管 砼管 钢管 陶瓷管 水泥砂管 钢筋砼管铸铁管 钢丝网水泥管 软管
    流速（m/s） 1.0-1.5 0.5-1.1 1.0-2.0 0.6-1.2 0.4-0.8 0.8-1.5 0.7-1.3 0.4-0.8
    注：一般干管应取较小值，支管应取较大值。
    （2）干管水头损失计算
    ①　干管沿程水头损失计算
    干管沿程水头损失可按下式计算：
     （14）
    式中　hf——管道沿程水头损失（m）；
    L——管道长度（m）；
    Q——管道流量（m3/h）；
    d——管道内径（mm）；
    f、m、b——与管道管材有关的参数。
    目前，国内在计算管道沿程水头损失时，采用的公式不尽相同。为了使丘陵山区管道灌溉工程设计规范化、标准化及提高设计的准确度，我们结合试验资料，同时参考国内常用的计算公式，对于（14）式中参数（f、m、b）的取值范围进行了量化定值，给出了不同管材的参数参考值，供设计时采用，见表2。
    表2 不同管材的f、m、b参数取值参考表
    序号 管 道 种 类 （f） f m b
    1 塑料微管d<10mm 0.000611 70055 1.69 4.69
    2 LDPE塑料管d≥10mm 0.000832 88500 1.75 4.75
    3 塑料硬管 0.000915 94800 1.77 4.77
    4 铝管或铝合金管 0.000800 86100 1.74 4.74
    5 石棉水泥管 0.000118 145500 1.85 4.89
    6 旧钢管旧铸铁管 0.00179 625000 1.90 5.1
    7 钢筋混凝土管
     n=0.013 0.00174 1312000 2 5.33
     n=0.014 0.00201 1516000 2 5.33
     n=0.015 0.00232 1749000 2 5.33
     n=0.017 0.00297 2240000 2 5.33
    注：对上表而言，当Q以m3/s计，d以m计时f取（f）列的值
    ②　干管局部水头损失的计算
    干管局部水头损失的计算可按公式（12）计算。
    ③干管总水头损失的计算
    干管总水头损失可按下式计算：
    h总=hf+hj或h总=1.1hf ` （15）
    式中　h总——干管总小头损失（m）；
    hf——干管沿程水头损失（m）；
    hj——干管的局部水头损失。　
    4.4　管网进口水压标高的计算
    在确定了给水栓自由水头及干管总水头损失后，可按下式计算管网进口水压标高。
    管网进口水压标高=给水栓自由水头+干管总水头损失+管网进口处地形标高。
    4.5　其它干管及支管管径的确定与水头损失的计算
    根据上述已确定的管网进口水压标高，可按轮灌组分别计算出已确定的干管各分流点的水压标高，拟定其余各管道的水力坡降，计算确定管径、水头损失、校核流速、自由水头等设计数据。在具体计算时，一般应列表计算。且一般应满足下列要求：
    ①自由水头十地形标高=水压标高（同节点）
    ②本节点水压标高+本节点至上游节点间水头损失=上游节点水压标高
    ③上游节点水压标高-上游节点地形标高=上游节点自由水头
    在进行管道灌溉工程设计时，一般要求管道流速不大于2ｍ/ｓ；给水栓自由水头不少于所需水头；管网各节点及沿线不得出现负压，且不得大于管材的允许工作压力；管材规格应尽可能少些，以便于施工；同时工作的给水栓的自由水头应相近。
    5　管道灌溉工程水泵扬程的确定
    由于丘陵山区地形复杂，管道灌溉工程各轮灌组所需的扬程也不尽相同，为减少计算工作量，可以只对最高扬程、平均扬程及最低扬程的轮灌组进行计算。
    水泵扬程＝管网进口所需的自由水头＋水源动水位＋泵进出水管沿程水头损失＋泵站局部水头损失
    根据上式确定的水泵扬程有3个值，在实际工作中，一般以平均扬程作为选泵的依据。对所需最高扬程的轮灌组，可采用控制总闸阀、减少水泵上水量以增加水泵扬程的办法解决。这样即可以降低工程造价，又能满足工程要求。
    6　结语
    本文介绍的丘陵山缺水区管道灌溉工程规划设计方法，在209处工程上得到了采用，取得了较好的效果。有些工程已运行12年之久，目前仍能正常运行，为推动当地农业的发展和人民群众生活水平的提高发挥了重要的自用。实践证明，该方法具有设计简便、直观、易于掌握、准确度较高等优点，可供进行管道灌溉工程规划设计时借鉴。