浅谈引黄灌区低压管道输水灌溉中管网的优化设计（苏畔河）

摘 要： 随着工农业生产的发展、用水量的增加，黄河水资源供需矛盾日益突出，同时灌水技术落后，灌溉用水浪费十分严重，因此节约用水、提高水的利用率已成为当务之急。而管灌技术的推广在很大程度上提高了灌溉水的利用率，达到了节水的目的，管道输水与渠道输水相比，具有输水快、省地、省水、节能、增产等优点。输水损失可减少到5%左右，管灌主要应用于灌区输水系统层次少（一级或二级）的小型灌区，对输配水系统层次较多的大型灌区，管灌可用作田间配水系统。近年来，我们灌区的支、斗渠已开始采用管灌技术，现有管灌面积2.5万亩，管道长度16.94km，几年来不仅运行良好，而且节水效果十分明显，管系水利用系数达到规范规定的95%。下一步随着沉沙池工程的建设，我们将在末级渠道广泛使用管灌技术，进一步扩大高标准节水灌溉面积，不断提高节水水平。

关键词： 管灌 管网系统 合理布局 优化设计

管道输水灌溉系统，在满足田间灌水效益的前提下，以管网布置和各级管道的管径为决策变量，以管网年费用最低为优化目标函数。根据黄灌区低压管网系统的组成及运行特点，提出了管网优化设计数学模型。模型同时考虑管网布置及各级管道的管径选择。将目前习惯称谓的移动式、半固定式、固定式三种形式统一于一体。对比较规则的矩形田块，单井管道系统使用该模型，可一次完成管网布置及管径选择整体优化过程，对非规则地块很容易化处理后也可完成优化设计。

一、决策因素与优化目标

管网优化设计，主要是优化管网布置与各级管道管径的选择，为此将管网布置要素（包括各级管道的位置、走向、间距、条数、长度、分水口个数及位置、出水口个数及田间分布等）及各级管道的管径作为优化分析的决策因素。

影响管网系统费用的主要因素是系统的形式（固定式、半固定式、移动式），布置方式（管道走向、间距……）、管材及管径等。投资由基建投资和运行费用两部分组成，当管网系统布置形式和管材一定时，管径增大，一般情况下基建投资增大，由于管径增大，水头损失减小能耗费用降低，从而减少了运行费用。反之，减小管径，基建投资减少，但水头损失增加。能耗费用增大，相应增加了运行管理费用。因此，在各级管道管径的多种组合中，必有一种最优管径的组合，使系统基建投资和运行管理费用总和最低。

优化设计是分析社会投入及产出大小的一种手段，可以采用不同的经济指标作为优化分析的目标，考虑到当前水利工程的效益受许多随机因素的影响，逐年产值难以预测。故将达到设计要求条件下，工程年效益作为常量考虑，而以年费用最小作为优化分析的目标。

二、田间管网布置分析

1.管网系统组成与特点

黄灌区低压管网系统一般由井、机泵、各级输配水管道及其附属设施组成。系统形成可以分为移动式、半固定式和固定式三种。

在黄灌区低压管网中，一般单井自成系统，固定管道只设干管、支管两级，末级移动管只设一级，多为单口出流，输水距离较短，压力一般不超过0.2Mpa。

2.三种管网形式的统一

若不考虑机泵是否固定，只考虑输配管网时，可将三种形式概化为半固定式。认为移动式及固定式是半固定系统的一种特例，即当半固定式系统中的开级移动管，由于布置方案的演化，使其移动管长度趋于零时，则系统全部转化为固定式。而当固定管道的长度趋于零时，即转化为移动式。故在建立数学模型时，可将三种形式统一于半固定式。

根据管网系统各输配水任务和特点，一般可将管网概化为三级，即干管、支管、末级移动管（输水入畦）。对于一个具体工程，任一级管道的长度均可能为零，但至少有一级管道长度不为零。

3.各级管道的布置方案

目前在管网优化设计过程中，暂不考虑环状布置，只考虑树枝状管网，对应于出水口的任一可行分布，末级移动管只有一种布置方案，考虑运行方便，末级布置一般不与种植行斜交。

支管连接出水口有两种可行方案，平行种植连接或垂直种植连接，各条支管相互平行。当支管的走向确定后，干管与支管的连接方向便是唯一的，即支管垂直于干管。主管道的走向应视水源位置及管网的布置而定。一般水源与管网就近相连。

4.管网布置模式要素分析

矩形田块田间网所有可布置的叠加，构成特定结构的平面正支网格，可将此网格作为田间管网的可行布置模型，只要按着一定规律，对此进行逐次分解，便可得到全部可行布置方案，通过对这些方案的分别优化，便可得到最优决策方案。

水源（井）位置对田间管网的布置有较大影响，而井位有可能位于灌溉田块的任一相对位置，不可能一一考虑，在构造布置模型时，应进行概化处理。

5.几个假定

（1）田块是较规则的矩形，对于不规则的田块可做近似处理。

（2）固定管道不超过两级（干、支）；半固定式系统中的移动管不分级。

（3）每支管（或出水口）的灌溉面积相等。

（4）田间净灌水定额，年灌水次数不变。

（5）管件和附属设备单价与管径无关。

（6）灌水用工量与灌水时间成正比。

三、主要参数分析

1.单井控制面积与灌水畦长

田间管网单井泵成系统，其控制面积可按下式计算：

A=QTt/浊r/M

式中：A—单泵控制灌溉面积，亩；

M —设计净灌水定额，m3/h；

Q —水泵出水量，m3/h；

T —一次灌水延续时间，d；

t —灌水日工作时数，一般t=12-14h；

/浊r —管网系统输水效率；

/浊r —0.95-0.99

灌水畦长视土质、入畦流量、地面坡度、灌水定额等因素而定。一般30-60m，如单井出水量小，相应畦长可短一些。

2.管材造价

为了简化计算，各种管材、管件的单价均采用单位长度的田间造价。包括管道材料、运输费和施工费用等。

3.管道水头损失计算

管道水头损失计算包括沿程水头损失和局部水头损失两部分，沿程水头损失计算，为便于优化分析计算，采用单项式指数公式。

即： hf=LQm/Dn

式中：

hf —沿程水头损失，m；

Q —流量，m3/s；

D —管径，m；

L —管道长度，m；

f —摩阻系数；

m —流量系数；

n —管径指数。

F、m、n可通过试验或参考有关文献（例如喷灌工程规范）取得。局部水头损失计算，在优化分析时，可按沿程水头损失10%左右估算，以减少计算工作量。

4.管网压力

优化分析过程，只计算正常工作压力，运行中可能出现的非正常压力（例如水锤压力）除在设计和管理中采取措施，尽可能避免外，可在管道允许最大压力水头的安全系数适当考虑。

5.机泵工作状态参数

当泵出水口与管网直接相连时，由于输水距离的变化，机泵工作状态参数可采用平均值。

6.经济计算参数

（1）基准年：黄灌区管灌工程一般当年投资，当年受益，故可将投资年作为基准年，以年初作为折算的基点。

（2）经济计算期：即从基准年到计算终止的年限，以管网中使用寿命较长的管道使用期，年为经济计算期，参照《水利经济计算规范》。

（3）经济报酬率或年利率：一般可取代5%—10%。

（4）工程年维修费：根据类似工程考核定。

（5）电价。

（6）劳务工日单价。

五、计算方法

1.管径优化

当管材、管网布置形式和管中流量一定时，每一管段的年费用仅随管径变化，若各管段的水头损失不受限制，则使各管段年费用值均达到最小的管径系列，即为最优管径系列。干、支管部分压力超过允许值时，存在着压力最优分配问题，任一管段管径的变化，均影响其它各管段管径压力值的变化。

若考虑水泵工作点约束，先假定水泵平均工作流量和平均效率，优选管径。再按优选出的管径计算泵的工作效率和流量，反复试算，直到两者接近为止。

2.支管条数和出水口个数的优化

上述管径优化过程是已定管系布置条件下进行的，当假定不同的出水口个数、支管条数可得到不同的年费用，年费用最小组合的出水口个数、支管条数即为布置最优化方案。计算时从小到大逐次计算系统年费用，当年费用开始增大时则停止计算。

干管有单、双向分水，优化计算时以干管分水点个数，作为优选变量。每条支管出水口个数和干管分水点个数，均以从1开始循环计算。每条支管出水口个数的上限，应使出水口的间距，在支管垂直种植行布置的系统中，不小于两倍畦宽；在支管平行种植行布置的系统中，不小于灌水畦长。

在管网优化设计计算中，如目标函数和约束条件均为线性函数，则采用线性规划方法，并将管段作为决策变量。而每管段由若干管径组成，求解每小段的长度，这时目标函数中的造价与管长呈线性关系，从而构成线性规划模型。反之，可采用非线性规划中的位格朗日未定乘数法求解。另一种方法——微分法，是将管网的费用函数变成只有一个自变量，水力梯度与总费用的关系，求出总费用最小的水力梯度值，再根据其计算出的最优水力梯度，确定最优管径。

管网系统的优化设计还涉及到各级管道管径的优化选择问题。管径的选择与管材造价、能耗、运行时间、机泵效率等因素有关，这些因素不同地区差别较大，优化设计可以对此进行较全面的分析，以往设计中的一般笼统的采用所谓经济流速或经济比降选择管径，是不全面的。管网多种方案形式比较，采用优化设计，编制简易计算程序；借助于计算机，可以较快的取得计算分析结果，供选择使用，这在一般情况下，用手算是难以实现的。事实证明，采用优化设计方法工程总投资或年费用都比按常规设计方法有所降低。

作者简介

苏畔河，男，工程师，1967年12月25日出生。1991年7月毕业于河海大学农田水利工程系农田水利专业。