基于树状管网的低压管道流量计算方法浅析

摘要：在灌溉输水管网的设计中，不同的灌溉工作制度会在管网中产生不同的流量分配，直接影响工程造价。本文针对树状管网的管道设计工作中流量计算方法存在的问题，对不同的工作制度进行分析，提出一个具体的计算方法，以供相关设计技术人员参考。

关键词：树状管网；低压管道；工作制度；设计流量

1引言

水资源短缺是制约我国农业可持续发展的障碍之一，节水灌溉已成为共识。由于节水效果好，管理便捷，管道灌溉已经成为重要的节水灌溉方式之一。不同的作物种植结构和灌溉工作制度会影响灌溉管网设计中的流量分配模式，直接影响管网总投资。在《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》[1]中有给出树状管网各级管道的设计流量的计算公式，未阐述不同的工作制度对计算过程具体的影响，对公式中同时开启的给水栓数取值如何确定未作具体说明，对部分设计者造成困扰。本文基于树状管道的管道流量设计过程，分析说明具体的计算方法及流程，浅析不同的灌溉输水过程、轮灌组的划分及灌水的先后次序会导致流量参数的影响。

2灌溉管道系统设计流量计算

在水源水量有限的情况下，灌溉系统为了减少工程投资，提高设备利用率，增加灌溉面积，通常干管采用续灌工作制度，支管采用轮灌工作制度。农田灌溉供水系统中，应用最多的是树状管网，这样既能节省材料，同时每一管段的流量容易确定，在《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》[1]中有给出树状管网各级管道的设计流量的计算公式：

式中 ―某级管道的设计流量，单位为立方米每小时（ ）；

―该管道控制范围内同时开启的给水栓个数；

―全系统同时开启的给水栓个数；

―灌溉系统设计流量，单位为立方米每小时（ ）。

低压灌溉管道系统的工作压力较小，管内水流为有压流，所以水能从出流口自流溢出，本文中计算例题讨论的为一般的地面灌溉系统。树状管网是逐级向下分支配水，成树枝的形状，管道总长较短，管段流量推算逐级进行，跟渠道流量推算过程相似，即从最末端开始逐级推算上一级管段的流量。

一般情况下，管道系统的工作制度有续灌、轮灌和随机取水三种方式[2]。续灌即上一级管道同时向下一级所有管道配水，如果在干管这一级进行续灌，那么干管和所有支管都同时过水，连续工作，特点是下一级管道的设计流量小、工作时间长。轮灌即上一级管道按预先划分好的轮灌组分组向下一级管道输水，轮灌管道在灌水时期轮流工作。由于灌溉管道系统中各级管道设计流量推算不需要考虑沿程的流量损失，所以在续灌工作制度下推求管道流量时，由下向上逐级推算管道流量，上级管道设计流量等于其所控制的下一级管道流量之和；而在轮灌工作制度下，上级管道设计流量等于同时工作的下一级管道流量之和的最大值。

根据灌区的面积大小及地形条件，管网一般分为干管、支管、毛管等几级，对于树状管网的流量计算，应由下往上逐级推算。

2.1 毛管设计流量计算

毛管是低压灌溉管道系统中的最末一级管道，其上的灌水器间隔距离一般是等距离的，其流量计算公式为：

式中 ―毛管首部到第 i 个出水口之间各灌水器的出流量， ；

―灌水器或出水口的流量， 。

在分析毛管时假定沿毛管各灌水器或出水口的出流量是相等的，而且在整个管道中的流量都是通过这些出流孔口流出的，即管道末端是封闭的。设管长为 ，进口流量为 ，管道上有 个出水口，每个出水口流量为 ，出水孔口间距为 的沿程均匀泄流管道，则

管道上任一孔口前的管段流量为：

式中 ―毛管上第i个灌水器或出水口与前一个出水口之间毛管内的流量，

；

―灌水器或出水口的流量， ；

―毛管上灌水器或出水口的个数。

2.2 支管设计流量计算

将毛管与支管的连接点称为节点，根据流量的平衡关系，即流入任一节点的总流量等于流出该节点的总流量，其流量关系可表示为：

利用流量关系表达式，从支管最末端与毛管连接的节点开始，由下往上逐个推算出各管段流量和节点流量。

2.3 干管设计流量计算

根据干管的输水方式，有以下两种干管流量的推算方法 ：

① 干管同时向所有支管和毛管输水

这种输水方式相当于续灌，这样可避免流量集中，减小水头损失，较经济安全，此时干管任一管段的流量等于该管段以下所有支管流量之和，流量推算方法与支管相同。

② 干管分组向支管输水，支管实行轮灌

灌溉系统中的首部总流量取所有轮灌组流量中干管的管段流量的最大值。在一个轮灌组中，干管的管段流量等于该管段下游所有各支管流量的和。实际管网的布置会因诸多因素影响而呈现一定的复杂性，如轮灌组划分、灌水先后次序等，这些因素会影响管道流量的不同，与此相应的管径、水头损失等参数也会改变。

3结论与讨论

在灌区改造设计流量的计算时，首先应该结合灌区来水实际，制定切实可行符合灌区实情的灌溉制度，确定灌溉管道的工作制度、灌溉输水方式。其次，按照轮灌工作方式灌溉时，根据控制灌溉面积、分布位置，结合行政单元划分轮灌组，尽可能使轮灌组面积大体相当，以便配水，使各用水户收益均衡，便于调配劳力和运行管理。一个系统中应有一定数量的轮灌组，便于充分利用每天可灌溉的时间安排轮灌。

虽然管道的布置受地形限制不大，但在布置的过程中，应让干管尽量布置在坡地上端，与等高线平行，使支管垂直等高线，以充分利用地面落差来抵消水头损失，使每个灌水器的压力近似相等。

正确的计算灌溉系统的设计流量，可以使灌区运行优良，发挥最大的灌溉效益。对于树状管网，确定了干管走向后逐级由下往上推算出各管段流量。如果灌溉系统设计的非常合理，而且管理完善，就能够有效避免灌溉引水过程中由于引水太小、沿程损失太大、水利用率过低的问题，它能够提高灌区水利用量和作物的产量，同时又进一步实现农业增产、增收、增效，实现灌区水资源的合理配置。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.GB20203-2006.农田低压管道输水灌溉工程技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2006，5.

[2] 史海滨，田军仓，刘庆华，等著.灌溉排水工程学[M].北京：中国水利水电出版社，2006，164-165.