苏北稻区低压管灌工程优化设计中若干关键问题研究

王 刚 徐鹏飞 代 晴 王海波 张丽萍 牛平平

（1.徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221002 2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223000 3.安徽华邦工程设计有限公司 淮北 235000）

1 问题的提出

由于江苏省水资源时空分布极不均匀，北方水少地多，南方水多地少，苏北有限的水资源严重制约着水稻事业的发展。因此，研究水稻节水灌溉技术，对保障区域粮食安全、缓解区域水资源供需矛盾和推动农业现代化进程和实施乡村振兴战略具有十分重要的意义。

低压管灌技术是目前公认的高效节水灌溉方式之一，其具有节水、节地、省工、输水速度快、地形适应能力强、便于实现水肥一体化、自动化和智能化等优点，目前在北方旱作物井灌区推广应用面积较大，但对于具有灌溉面积大、灌水量多和灌水集中等特点的稻区低压管灌优化设计的研究较少。目前，在苏北地区低压管灌工程设计中对于管材选择、管网布置形式、灌溉制度、最优单站控制灌溉面积、管道经济流速、附属设施的优化布置等若干关键问题认识仍不够深入。为充分发挥低压管灌工程的技术优势，促进管灌技术在水稻节水灌溉中更好地推广应用，有必要对稻区低压管灌工程优化设计中的若干问题开展系统的研究。

2 低压管灌系统优化设计关键问题研究

苏北稻区低压管灌系统组成包括：水源工程（泵站）、输配水管网、田间灌水系统和附属设施等，由此可见影响系统优化设计的因素较多。在解决此问题时，首先应对影响系统设计的各个因素进行分析，找出主要因素，按照由主到次的顺序逐步优化。本文以泵站和灌溉管网相关设计规范为基础，建立以年均亩成本最小为目标函数，采用分层优化方法、并利用Matlab中的优化工具箱进行优化分析，逐步解决低压管灌工程优化设计若干关键问题。

2.1 目标函数的建立

本文建立以一定折旧年限内年均亩成本最小的目标函数如下：

式中：Wmin为年均亩成本（元/亩·年）；C为系统总造价（元）；T为折旧年限（年）；M为年运行费用（元），包括工程维护费用、管理费用、固定资产保险、抽水电费和水资源费等；A为单站控制灌溉面积（亩）。

2.2 管材优化选择

管道是水流输送的载体，选择应以经济合理、安全可靠、便于施工等为目标进行综合确定。目前，可用于管灌工程的管材主要有：钢筋混凝土管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、PVC-U管和PE管等，技术定性分析可知PE管和PVC-U管具有安装、运输、施工方便，投资省和水损小的明显优势，目前在灌溉工程上得到了广泛应用。相同管径的PE管价格约为PVC-U管价格的1.5倍，本着工程造价最低的目标，管径≤DN500管选用PVC-U管，管径＞DN500选用球墨铸铁管，同时建议国家推进大口径管材研发，供工程选择使用。

2.3 管网布置形式及轮灌组优化选择

低压管灌工程管网形式一般为树状和环状管网，环状管网造价明显高于树状管网。轮灌组数越多，各支管所需管径越大。因此就目标函数最低来讲，设计推荐采用树状管网，轮灌组尽量少，本文建议2～3组为宜。

2.4 最优控制灌溉面积的确定

苏北地区稻区低压管灌单站控制灌溉面积以多少为最优，一直困扰着工程设计和管理人员，直接关系到工程投资和运行管理。为得到最优单站控制灌溉面积，此次灌溉系统设计采用同一设计边界条件，仅考虑单站控制灌溉面积变化对目标函数的影响，边界条件如下：

（1）管网布置：低压管灌管网一般在原渠系的基础上进行改造升级，渠系一般以梳齿形和丰字形布局居多，本次以梳齿形布置形式进行管网布置。根据《高标准农田建设标准》平原地区斗渠间距宜为400～800m；末级固定渠道（农渠）长度宜为400～800m，间距宜为100～200m。此次模拟田块长度取400m，宽度取100m，灌溉面积以60亩为基本单元递增布置，管网布置示意如图1所示。

表1 年运行费用计算方法及相关参数的选取表

图1 田块管网布置示意图

图2 面积与年均亩成本关系曲线图

图3 流速与年固定投资和运行费关系曲线图

图4 流速与年均亩成本关系曲线图

（2）流量的确定和灌溉制度：灌溉流量计算采用《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203-2006）中的流量计算公式，灌水定额泡田期85m3/（5天·亩），灌溉水利用系数0.85，采用2个轮灌组。

（3）根据规范GB/T20203-2006，初估管道流速塑料管取1～1.5m/s。

（4）泵站土建、水机和电气设计参照现行规范，电气配置仅考虑变压器（不含）以下部分。

（5）年运行费用：根据规范SL72-2013附录C，折旧年限T=20年；年运行费用为表1中项目之和，各单项计算方法和依据如表1所示。

根据以上边界条件，计算不同灌溉面积系统的固定资产投资、年运行费用和年均亩成本，并采用Matlab对单站面积和年均亩成本进行拟合，拟合曲线为4次多项式（y =1.926×10-09x4-4.414×10-06x3+0.003669x2-1.291x+344.8），关系曲线如图2所示，采用优化工具箱中的最优化方法求得最优控制灌溉面积为367.9亩，建议单站控制灌溉面积为300～400亩。

2.5 管道经济流速分析

为避免悬浮物在管道中沉积和防止管网因水锤造成破坏，供水管网流速范围为0.6～3.0m/s，可见技术上允许的流速幅度较大。为确定适用于苏北地区的塑料管道最优流速，本文采用接近最优控制面积的360亩田块管网布置为基础，仅改变管道平均流速。并将管道流速与年运行费用、年均固定投资和年均亩成本等计算成果的关系进行拟合，得到关系曲线如图3和图4所示。

由图3可知流量相同时，流速越小，灌溉系统年固定投资越大；年运行费用随着流速的逐步增大先减少后增加，这是由于流速增大，造成水头损失增加，从而使经常性抽水电费增加。管内平均流速和年均亩成本关系曲线为4次多项式（y =16.11x4-135.1x3+419.9x2-561.7x+453.3），采用优化工具箱中最优化方法分析得最优管内流速为1.44m/s，对应年均亩成本最小值为181.0元/亩·年。本文管道流速建议取值1.2～1.5，并宜取大值。

2.6 附属设施优化布置

管道附属设施包括出水口、安全保护装置、分取水装置和排水装置。目前工程设计对附属设施设计重视不够，从而导致工程事故频发。本文经过长期实践提供一些经验供设计者参考：（1）管灌工程灌水器主要为出水口，其选择直接关系整个管网的灌水效率和使用安全。由于农业机械化程度的提高，农机极易对出水口造成破坏，因此宜选用具有地埋式和耐锈蚀的产品，同时应加强出水口的消能防冲设计；（2）干、支管入口应设置必要的阀门，若阀门数量过少，一旦发生事故，不但延误抢修时间，浪费水源，供水无法保障，还会因水量外泄形成次生灾害；（3）由于塑料管自身特性易产生爆管，水泵启停设备宜选用变频控制等软启动方式，管网应配备安全阀和足够的自动进排气阀，防止因水锤和气锤造成破坏；（4）在输水管线的最低点和管道末端应布置泄水阀，并设置排污井或接入河道，以便排除管内沉淀物；冬季和检修时放空管内积水。

3 结语

本文通过分层优化方法，对苏北稻区低压管灌工程优化设计中若干关键问题进行了研究分析，有如下经验供类似工程借鉴：（1）设计推荐管径＞DN500选用球墨铸铁管，管径≤DN500管选用PVC-U管；（2）建议管网采用树状管网，轮灌组建议2～3组为宜；（3）最优控制灌溉面积367亩左右，建议单站控制灌溉面积300～400亩为宜；（4）管道流速建议采用1.2～1.5m/s，宜取大值；（5）管道附属设施是管网能否长久运行的关键，应加强合理布置和优化设计，并制定明确安全的运行方案，确保工程安全、高效运行。目前稻区低压管灌工程在徐州地区得到了大面积应用，取得了较好的效果，为苏北稻区低压管灌工程规划设计提供了一些经验依据，也为国内其他相似灌区设计提供了一定的经验借鉴■