微灌設(shè)計中管道流量的實用計算方法

微灌系統(tǒng)的流量計算是依據(jù)管網(wǎng)布置，按照最不利水力條件的應(yīng)用場景逐段進行的，對地形、管網(wǎng)水力學運行場景等分 析條件要求較高，遇到環(huán)狀管網(wǎng)、隨機運行，輪灌制度多變時，

僅采用支狀管網(wǎng)、單一支管或毛管計算存在一定的誤差 。參考文獻 [1] 給出了復雜管網(wǎng)的精確分析計算方法，參考文獻 [2－4，7] 都是試圖通過細分出管網(wǎng)的管段水力計算模型得到計算 結(jié)果 。模擬真實運行條件下的管道流量、壓力，解決了水力分 析中流量確定的問題 [5] 。

然而，計算假定的運行場景管網(wǎng)水力條件并不是普遍條件，不能夠說明其假定條件就是真實的運行條件 。對于灌溉工微灌系統(tǒng)的流量計算是依據(jù)管網(wǎng)布置，按照最不利水力條件的應(yīng)用場景逐段進行的，對地形、管網(wǎng)水力學運行場景等分析條件要求較高，遇到環(huán)狀管網(wǎng)、隨機運行，輪灌制度多變時，僅采用支狀管網(wǎng)、單一支管或毛管計算存在一定的誤差 。參考文獻 [1] 給出了復雜管網(wǎng)的精確分析計算方法，參考文獻 [2－4，7] 都是試圖通過細分出管網(wǎng)的管段水力計算模型得到計算 結(jié)果 。模擬真實運行條件下的管道流量、壓力，解決了水力分 析中流量確定的問題 [5] 。

計算假定的運行場景，不能夠說明其假定條件就是真實的運行條件 。對于灌溉工程來說，管道在運行過程中工作水頭壓力允許有 20% 的誤差， 灌水器出水流量允許有 10% 的誤差，在這種條件下可以認為管 道的灌水器流量是不變的或者說毛管、支管的流量就是毛管、支管上所有的灌水器的流量總和。

對于小型灌溉項目，常常會碰到“以水定地”的問題，以水定地就是有多少水(水源來水量) 灌多少地 。假定水源的總來 水量是 Q(m3 / h) ，計算目標就是把這個水量用完，能夠灌溉多少面積土地 。本 文 利 用 GB /T 50485－2020《微灌工程技術(shù)規(guī) 范》公式(3.2.3-1) 的基本概念，給出一種更加方便計算的、也更加簡便的基于管道控制的灌溉面積，直接計算管道的流量計算方法。

1 計算公式

GB /T 50485－2020《微灌工程技術(shù)規(guī)范》公式(3.2.3-1) 從水量平衡的角度給出了在供水量給定的條件下，如果沒有淋洗要求，灌溉面積 A 按公式( 1) 計算 :

文獻 [5] 公式(2) 給出了需要灌溉的面積 A已經(jīng)確定時， 要求計算水源需水量 Qs，或者是水泵的流量、揚程的計算方法。 對上述公式做出變換，給出補充滿足作物一天耗水量的水源需水量的簡單計算方法 :

進一步，給出針對任意灌溉控制面積 Ai    的灌水需要流量 的計算公式 :

式中 : Qi   為單元設(shè)計流量，m3 / h;Ai   為單元設(shè)計控制面積，hm2 ; ti   為單元設(shè)計灌水時間，h ; mi   為單元設(shè)計灌溉定額，mm / d ; η 為設(shè)計灌溉水利用系數(shù)。

公式(3) 的形式與公式 (2) 一樣，但是具體的含義已經(jīng)改 變 。采用公式(3) 計算，就可以計算出設(shè)計灌溉單元控制面積 Ai   對應(yīng)的 Qi，而且 mi，ti，η 可以采用系統(tǒng)設(shè)計時單元工作要求 的灌水定額和灌水時間。

應(yīng)當特別指出的是，如 Ai   對應(yīng)支(毛) 管的灌水控制面積，這個控制面積就是支(毛) 管開啟后其通過的水流能夠達到區(qū) 域的面積，Qi   就是支管的設(shè)計流量 。簡單地說，如 Ai   對應(yīng)灌水 器，Qi   就是灌水器的設(shè)計流量 。至此，利用 GB /T 50485－2020 《微灌工程技術(shù)規(guī)范》的水量平衡計算原理，得到管道流量的具 體計算公式 。滿足工作壓力及流量均勻度的偏差要求是公式成立的前提條件，也是管道流量計算精度滿足工程項目計算要 求的關(guān)鍵因素。

2   控制面積

為了更好地說明灌溉控制面積的含義，加深對高效灌溉水 力計算分析實用方法的理解，這里提出以下基本的概念定義。

定義灌溉單元為 : 支管、毛管或出水口由單一閘閥控制下 的灌溉區(qū)域。

定義灌溉單元控制面積為 : 單元灌溉水流能夠達到的、單元控制下的所有地塊面積。

定義灌溉單元設(shè)計流量為 : 灌溉單元控制面積所需要的灌溉水設(shè)計流量。

有了以上定義，已知控制面積，采用公式(3) 計算其對應(yīng)的 設(shè)計流量就更加容易理解。

圖 1   微灌灌水器控制面積

如圖 1 所示，S 是灌水器的間距， L是毛管的間距，即對單 一灌水器來說，其灌水控制面積就是 L× S 。注意這個控制面積 并不是灌水器的濕潤面積，它僅僅是表明灌水器能夠分配到的單元面積，含有濕潤面積部分，同時大于濕潤面積 。基于灌水器控制面積可以計算出整個微灌系統(tǒng)使用的灌水器數(shù)量 。

公式(3) 的 Ai   可以是圖 1 中的灌水器控制面積，也可以是毛管或支管水流能夠到達區(qū)域的面積 。具體來說，可以將其定義為控制閘閥下游的灌水面積 。如果，閘閥以下的控制面積是Ai (hm2 ) ，其對應(yīng)的灌水流量就是公式(3) 的 Qi，見圖 2。

圖 2   微灌毛管對應(yīng)的控制面積

有不少專業(yè)書，特別是農(nóng)業(yè)灌溉的專業(yè)書，采用一次灌溉使土壤含水量達到田間持水量的某一定值，等植物消耗完土壤內(nèi)的有效水分后，再灌溉一次的方法，這就是周期輪灌的思路 。而采用一次灌 溉滿足植物一天耗水量的設(shè)計理念，也即一次灌溉的用水量就是作物一天所需水量相對更加合理 。這也是現(xiàn)代微灌特別是自動化灌溉系統(tǒng)設(shè)計常用的作物灌溉計算場景的假定條件。

這里應(yīng)當指出，根據(jù)物質(zhì)的質(zhì)量不變定律，無論是一次灌水滿足作物一天耗水量，還是一次灌水滿足作物 T 天的耗水總量，面積 Ai   上同等時段內(nèi)兩種方法的滿足植物耗水需求的灌水總量 Qi   是一樣的，也即其需要的灌水總時間是不變的。

3.   結(jié)   語

根據(jù)國家標準 GBT50485－2020《微灌工程技術(shù)規(guī)范》 公式(3.2.3-1) 進行變 換，得到本文的公式 ( 3 ) 。把 支 管、毛管或出水口由單一閘閥控制下的灌溉區(qū)域定義為灌溉單 元 。灌溉單元控制面積是指灌溉單元控制下水流能夠到達的 地塊面積 。那么灌溉單元設(shè)計需要的灌溉水流量可由公式(3)計算 。這個公式可以推廣到依據(jù)灌水器、支管、干管等控制面積，從而計算進水口端對應(yīng)的管道過水總流量，更進一步，在微灌工程上還可以利用灌水器控制面積的大小，計算出灌溉控制 面積內(nèi)的所有灌水器的數(shù)量，甚至于灌溉使用的支 ( 毛) 管的 數(shù)量。

參考文獻 :

[1] 姜   偉，邱 元 鋒，李 小 平，等．復雜管網(wǎng)數(shù)學模型及其分析方法 [J]．中國農(nóng)村水利水電，2009，(7) : 45－47．

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[3]   王春堂，祝培育，楊光球．用逐級計算法進行支管水力計算 [J]．節(jié)水灌溉，2000，(5) : 13－15．[4]   李永川，白    丹，宋 立 勛，等．微灌田間管網(wǎng)水力計算研究進展 [J]．電網(wǎng)與清潔能源，2006，22 (5) : 16－19．

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[7] 李   鳴．噴灌系統(tǒng)自適應(yīng)模擬方法 [J]．噴灌技術(shù)，1988，(4) : 8－10．