平移式喷灌机供水明渠底坡设计

贺 城，廖 娜

(1.中工国际工程股份有限公司，北京 100080；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

平移式喷灌机是实现现代节水灌溉农业、实现农业灌溉机械化的重要装备之一。平移式喷灌机的供水方式有封闭式供水和开放式供水2种。封闭式供水是指将供水软管直接接在平移式喷灌机的中心塔架车上，通过供水软管为平移式喷灌机供水。开放式供水是指通过天然河道或修建人工明渠为平移式喷灌机供水。当有条件使用天然河道取水时，由于天然河道的水深远大于平移式喷灌机进水口取水最低水位要求，因而可采用浮动式进水口。然而，由于平移式喷灌机一般要求直线行走，天然河道很难具备平移式喷灌机的取水条件，更多情况是需要修建人工明渠进行取水。采用人工明渠对平移式喷灌机进行供水时，平移式喷灌机一般使用滚轮行走式进水口进行取水，进水口安装在滚轮上，滚轮沿着明渠渠底随平移式喷灌机一起行走。当明渠水位高于平移式喷灌机进水口顶部时，启动平移式喷灌机的真空泵对进水管道抽空气，使进水管道达到负压状态，明渠里的水在外界气压的作用下会自动进入喷灌机进水管道内，再启动平移式喷灌机的离心泵将进水管道内的水输送至喷灌机各个喷头喷出。

明渠底坡设计是明渠设计的一项重要内容。明渠底坡有顺坡、平坡和逆坡3种。顺坡和平坡明渠在一般的给排水工程中被广泛使用。平移式喷灌机供水明渠对其水面线有一定的要求，应当在设计中予以考虑：明渠全程水面线应高于平移式喷灌机进水口顶部，以保证喷灌机的取水要求；明渠渠高设计不应过大，以确保明渠修建的经济性；明渠渠高设计不应过小，应避免水漫渠顶事故；应将灌渠的时间控制在合理范围；应根据喷灌机的流量设计明渠流量。

本文提供平移式喷灌机供水明渠常见的流量和渠长范围，在确定了渠底宽度、粗糙系数、边坡系数的情况下，比较明渠底坡采用顺坡和平坡设计对明渠水面线的影响，并给出结论，为工程应用提供参考。

1 理论与方法

1.1 平移式喷灌机相关参数

水渠流量取决于喷灌机需水量，而喷灌机的需水量由喷灌机跨数、单跨喷头个数和单个喷头流量决定，因而可根据常用平移式喷灌机流量界定平移式喷灌机供水明渠的流量范围。本文以配有非旋转低压喷头的平移式喷灌机为例，经计算可知单跨流量约为0.01 m3/s。据此计算，当明渠流量为0.1 m3/s时，可给总计10跨的平移式喷灌机供水，以此类推，当明渠流量为0.3 m3/s时，可给总计30跨的平移式喷灌机供水，喷灌机各跨体可根据地形情况，以每5至20跨的方式组装成单台喷灌机，在一条长直明渠上可布置一台或多台喷灌机。从流量上看，平移式喷灌机供水人工明渠在规模上均为小型渠道。本文考察明渠流量分别为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 m3/s时的水面线。

1.2 明渠相关设计参数

对于使用人工明渠供水的平移式喷灌机，其取水装置一般为在渠底使用滚轮行走的方式，明渠和平移式喷灌机进水口示意图如图1所示。

图1 明渠和平移式喷灌机进水口示意图Fig.1 Schematic drawing of open channel and water inlet of lateral irrigation machine

对明渠的设计，一方面要保证明渠水面线要高于平移式喷灌机进水口的顶部，保证取水装置在水渠的任何位置以及任何时间都能顺利地抽水；另一方面要对明渠的断面形式、渠高、底坡进行优化设计，使修筑明渠的工程量达到最少，以减少建设成本。由于平移式喷灌机进水口顶部以下的水需要快速壅高，以减少明渠的灌水时间，因此明渠断面宜采用梯形断面，本文明渠边坡系数m取1；明渠底宽应根据平移式喷灌机进水口尺寸以及明渠流量要求进行设计，本文渠底宽b为0.35 m；本文假设平移式喷灌机供水明渠全部为混凝土现场浇筑或混凝土衬砌，且为断面形状及尺寸沿程不变的棱柱形顺直平整人工明渠，粗糙系数n取0.014[1]；平移式喷灌机进水口高0.60 m，定义明渠工作时最低水位为0.62 m。假设渠高为0.90 m，渠高的设置仅作观察水面线的相对位置，并不参与明渠水面线及灌水时间的计算。

平移式喷灌机的最大移动速度一般设计得很低，且在最大移动速度范围内根据百分比计时器来控制其移动速度。本文所述平移式喷灌机的最大移动速度约为4.1 m/min，假设单台平移式喷灌机的灌溉区域长度为1.5 km，则走完单程至少耗时6.1 h，这意味着单台喷灌机的行走距离不宜太长。一条明渠可给一台或多台平移式喷灌机供水，明渠设计过短，影响喷灌机和明渠的使用效率；明渠设计过长，对明渠水面线影响很大，从而影响了喷灌机的使用。本文对明渠长度分别为3.0和4.5 km时的水面线进行研究，这个长度范围适宜布置2至4台平移式喷灌机。

本文考察明渠流量分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 m3/s，明渠底坡分别为顺坡(i=0.000 1)和平坡(i=0)，渠长分别为3.0 和4.5 km时的水面线。

1.3 水面线计算方法

顺坡明渠采用下式计算正常水深h0：

(1)

式中：Q为流量；A为过水断面面积；C为谢才系数，C= 1/nR；R为水力半径；i为底坡；n为粗糙系数。

顺坡和平坡明渠采用下式计算临界水深hk：

(2)

式中：B为水面宽；g为重力加速度；α为动能修正系数，其值为1。

为了使明渠达到平移喷灌机进水口的水位要求，明渠末端需要设置挡水坎，对明渠水位进行壅高。经计算可知，底坡采用顺坡设计且水位达到工作状态时，明渠水面线为壅水曲线；采用平底坡方案且水位达到工作状态时，明渠水面线为降水曲线。

按照明渠恒定非均匀流、采用分段试算法计算明渠水面线，计算公式为：

(3)

在工程应用中，平移式喷灌机使用真空泵和离心泵从水渠中取水，因此在平移式喷灌机抽水工作之前，水渠的水面必须完全淹没平移式喷灌机的入水口。从水渠开始灌水到水渠水面线满足平移式喷灌机工作要求的这段时间为水渠灌水时间T，其计算公式为：

(4)

2 结果与讨论

图2为当明渠流量为0.10 m3/s时的水面线。图2(a)所示当底坡为0.000 1、 渠长为3.0 km时，渠首水深为0.62 m、渠末水深为0.89 m，此时若采用渠高0.9 m的设计，则明渠末端水漫渠顶的风险增大。若降低整体水面线高度，则会导致明渠渠首段达不到平移喷灌机最低水位要求。从图2(b)可以看出，当采用平底坡设计时，水渠全程都能保持较为水平的理想水面线，且渠顶与水面线之间有一定的高差。继续增大明渠长度，当明渠长度为4.5 km时[见图2(c)和图2(d)]，图2(c)渠末的水一定会漫过渠顶，当采用渠高为0.9 m的设计时，渠首无法达到平移喷灌机的最低水位要求，渠首的一段距离内喷灌机无法取水灌溉。在采用底坡为0.000 1的设计时，为了达到喷灌机的使用要求，需要增加渠高，则增大了明渠的施工成本。由图2(d)可以看出即使当水渠长度增加至4.5 km，平底坡设计仍然能产生符合平移式喷灌机使用要求的水面线。从图2可以看到，由于明渠流量小、水渠较长，水渠灌水时间都很长，水渠灌水的最短时间为6.2 h。如果是采用水泵给明渠灌水，则在灌水时应考虑增开泵的数量，以缩短水渠灌水时间，待明渠水面线达到要求时再将增开的泵关闭，稳定运行时泵的流量应与平移式喷灌机的需水量保持一致。图2渠长相同但水渠灌水时间不一样，是因为水面线高度不同所致。

图3为当明渠流量为0.15 m3/s时的水面线。图3(a)所示当底坡为0.000 1、 渠长为3.0 km时，渠首水深为0.63 m、渠末水深为0.83 m，此时水面线能够满足喷灌机使用要求。图3(b)所示，当采用平底坡设计时，水渠全程能保持较为水平的水面线，渠首水深为0.67 m、渠尾水深为0.77 m，此时水面线也能够满足喷灌机使用要求，且其水面线比图3(a)更佳。继续增大明渠长度，当明渠长度为4.5 km时[见图3(c)和图3(d)]，图3(c)渠首和渠末水深分别为0.61和0.90 m，此时明渠渠末水漫渠顶的风险很大。图3(d)可以看出即使当水渠长度增加至4.5 km，平底坡设计仍然能产生符合平移式喷灌机使用要求的水面线。从图3可以看到，由于明渠流量较小、水渠较长，水渠灌水时间都较长，水渠灌水最短时间达到了4.3 h。如果在使用时需要缩短灌水时间，同样需要在灌水时考虑增开泵的数量，以缩短水渠灌水时间，待明渠水面线达到使用要求时再将增开的泵关闭，稳定运行时泵的流量与平移式喷灌机的需水量保持一致。

图2 明渠流量为0.10 m3/s时的水面线Fig.2 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.10 m3/s

图3 明渠流量为0.15 m3/s时的水面线Fig.3 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.15 m3/s

图4为当明渠流量为0.20 m3/s时的水面线。图4(a)所示当底坡为0.000 1、 渠长为3.0 km时，渠首水深为0.67 m、渠末水深为0.80 m，此时水面线能够满足喷灌机使用要求。图4(b)所示，当采用平底坡设计时，渠首水深为0.83 m、渠末水深为0.69 m，此时水面线也能够满足喷灌机使用要求。继续增大明渠长度，当明渠长度为4.5 km时[见图4(c)和图4(d)]，图4(c)渠首和渠末水深分别为0.67和0.88 m，图4(d)渠首和渠末水深分别为0.86和0.65 m，这两种情况下的水面线都能够满足喷灌机使用要求，但水漫渠顶的风险都增加了。

从水面线的情况看，在明渠不断地有水被灌入、喷灌机不断地从明渠抽水时，底坡设计为0.000 1和采用平底坡设计时水面线效果没有明显差异。但当水泵和喷灌机同时停止时，由于水渠的水面会在重力作用下自行恢复到水平状态，图4(c)所示情况下，渠末端有可能会出现水漫渠顶事故。图4(b)和图4(d)采用平坡设计的水渠则不会有渠末水漫渠顶的风险。因此在当流量为0.20 m3/s时，平坡方案更优。

图5为当明渠流量为0.25 m3/s时的水面线。图5(a)所示当底坡为0.000 1、 渠长为3.0 km时，渠首水深为0.73 m、渠末水深为0.80 m，此时水面线能够满足喷灌机使用要求。图5(b)所示，当采用平底坡设计时，渠首水深为0.86 m、渠末水深为0.64 m，此时水面线也能够满足喷灌机使用要求，但渠首段渠顶与水面线之间的高差很小，水漫渠顶风险较大。继续增大明渠长度，当明渠长度为4.5 km时[见图5(c)和图5(d)]，图5(c)渠首和渠末水深分别为0.80和0.72 m，水面线能够满足喷灌机的使用要求。但图5(d)渠首和渠末水深分别为0.92和0.62 m，在渠首会产生水漫渠顶事故。综合4种条件下的水面线表现，当明渠流量为0.25 m3/s时，采用底坡为0.000 1的方案较优。

图4 明渠流量为0.20 m3/s时的水面线Fig.4 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.20 m3/s

图5 明渠流量为0.25 m3/s时的水面线Fig.5 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.25 m3/s

图6为当明渠流量为0.30 m3/s时的水面线。当底坡为0.000 1、 渠长为3.0 km时，渠首和渠末水深分别为0.77和0.79 m[见图6(a)]；当底坡为0.000 1、 渠长为4.5 km时，渠首和渠末水深分别为0.78和0.84 m[见图6(c)]，两种条件下的水面线均能够满足喷灌机使用要求。当采用平底坡、渠长为3.0 km时，渠首和渠末水深分别为0.91和0.62 m[见图6(b)]；当采用平坡、渠长为4.5 km时，渠首和渠末水深分别为0.97和0.62 m[见图6(d)]，2种条件下水渠渠首均会产生水漫渠顶事故。从结果可以看出当明渠流量为0.30 m3/s时，采用底坡为0.000 1的方案较优。

图6 明渠流量为0.30 m3/s时的水面线Fig.6 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.30 m3/s

3 结 语

水面线是明渠设计的重要依据。本文依据平移式喷灌机供水明渠的常用流量和渠长范围，结合平移式喷灌机对其供水明渠水面线的具体要求，研究了当明渠底坡为0.000 1和采用平底坡设计时的水面线变化规律。结果显示在本文的设计参数下，当明渠流量不大于0.20 m3/s、渠长不大于4.5 km时明渠宜采用平底坡设计。当明渠流量大于0.20 m3/s时，还应根据具体的流量、渠长和粗糙系数对渠高和底坡进行设计。粗糙系数对明渠水面线有重要影响，明渠施工时应注意渠道施工质量会对粗糙系数产生影响。明渠使用过程中过多的泥沙和垃圾沉积会增大明渠粗糙系数，亦会影响平移式喷灌机的吸水性能，在明渠管理中注意及时清理明渠中的泥沙和垃圾。

[1] 王 开，魏加华，王光谦．大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析[J]. 应用基础与工程科学学报，2008，16(6)：870-878．

[2] 吴持恭．水力学[M]. 4版．北京：高等教育出版社，2008．