中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，311100，
【摘 要】由于梯田有田块高程变化较大的特性，采用低压管道灌溉时存在出水量不均衡、此多彼少的问题，经常出现末端无水的情况，本文主要分析如何根据水力计算分析结果确定合理的管道布置方案，提高供水的均匀性，从而最大程度实现按需分配。
【关键词】农田水利；低压管道灌溉；树状管网；水量分配；均匀性；水力计算
低压管道灌溉突破了传统地面灌溉方法的局限性，使灌溉质量不再受地形、土壤等条件的影响，灌水时间、灌水部位、灌水定额等能比较自如地控制，可以做到“精确灌溉”，代表了现代灌溉的发展趋势，逐渐被运用到梯田灌溉中。但由于梯田的地形复杂，出水口较多，管路较长，灌水均匀度很难控制，末端的出水口经常出现出流量较少或者无水的现象，通常需要借助人工控制阀门或者其他自动化调压控流等措施，加大了管理的难度，本文针对该问题进行了浅析，提出了解决思路。
某工程共有1529.9亩水田采用低压管道灌溉，分为若干个片区，原设计将管道分为干（分干）管、支管和出水管，干（分干）管根据各片区的面积不同，主要采用De110或160管道，支管统一采用De75管道，出水管采用De50管道，建成后，当多个出水管阀门同时打开时，仅有部分出水口出流，梯田末端（高程低处）出水口无水，需要人工调配使用，增加了运行管理难度。考虑到管网已经基本铺设完成，全面调整则返工费用大，经研究后决定仅对干（分干）管的布置和管径进行优化，支管和出水管维持原状。加大干（分干）管管径、增加管道数量等措施后，管网基本满足使用要求，但调整后的管网仍不具备“精确灌溉”的条件，过度依靠人工调控。鉴于该工程的经验，为避免下一工程出现类似的情况，本文进行研究，进行水量分配优化分析，完善理论研究。
本次研究取其中一个片区，总面积为600亩，由于片区内管网分支较多，为减少不同支管的干扰，取其中1根支管作为一个单元进行分析，该支管为沿线的6个梯田田块供水，每个田块尺寸为100×30m（长×宽），面积为4.50亩，每个田块之间的高差为0.5m，分析单元的支管灌溉总面积为27.03亩，系统图如下所示。
梯田低压管道灌溉案例系统示意图
低压管道灌溉的管网初步水力计算分析主要包括以下几个步骤：
一、灌溉管道材料的选择
根据工程经验，灌溉常用的管材主要有聚乙烯管（PE管）和硬聚氯乙烯管（UPVC管）。硬聚氯乙烯管具有线性膨胀系数大、耐热性能差、刚性差和容易扎碎等缺点，聚乙烯管优势明显，卫生无毒、不易结垢、耐腐蚀、管材内壁光滑、水流阻力小、抗冲击，同时具有较好的柔韧性。考虑到输水的安全可靠性，本工程低压管道管材采用PE管。
二、计算管道流量
根据对应灌溉面积，结合设计灌水率和灌溉水利用系数确定各级管道设计流量，干管设计流量
。其中设计灌水率
，m3/(h·亩)；
为灌水高峰期的灌水定额，本次取70 m3/亩；
为灌水高峰期一次灌水延续时间，本次取4
；
为系统日工作小时数，本次取12
；经计算
1.46m3/(h·万亩)；
为干管控制的灌溉面积，万亩；
为灌溉水利用系数，取0.95。
经计算，干管设计流量为921.05m3/h。
本次设计采用的是树状管网，支管的设计流量
，
为支管控制的灌溉面积（亩），经计算该支管的设计流量为41.49m3/h。
三、初拟管径
在初拟管径时，应通过技术经济计算确定，根据规范[1]，塑料管流速可初定为1.0~1.5m/s，由于支管沿线有6个出水口，管内流量非恒定，为简化设计，暂按平均流量估算管径。经计算，支管初算管径为69.94mm，结合PE管道规格要求，可选用直径75mm以上的管道，初步计算若采用De75mm管道，支管进口至1#放水口的沿程水头损失过大导致无法出水，故暂定直径放大一级，采用De90PE管。
按照规范[1]，推荐的出水口工作水头为0.3~0.5m，本次拟为0.5m，出水管面积可按
计算，每个田块实际需水量为6.91m3/h，经计算可知，出水管的管径暂定32mm。
根据实际使用情况可知，上述方案存在以下几个问题：①部分出水口的工作水头较大，远超规范[1]推荐的0.3~0.5m，会出现田块局部冲毁的情况，需要设置消能设施；②同时放水时，前部出水口和尾部出水口出流量出现极度不均匀的现象，同时工作的各出水口的流量不满足
的要求，尾部出水口出流量小甚至无水，无法满足使用需求。为更加清晰地了解各出水口的出流量，进行计算如下。
由于灌溉管道沿线设多处出水口，在进行管网水力计算时，可逐段计算各段管道的水头损失，推算各出水口实际的工作水头和流量。
第t个出水口的出流量
第t个出水口的实际工作水头
式中：
为管道进口处的水头，m；
为管道进口与出水口之间的高差，m；
为第i段输水管道水头损失，m，包括沿程水头损失和局部水头损失，其中沿程水头损失
，管道局部水头损失可按沿程水头损失的10%计取，
为摩阻系数，取0.948×105；
为第i段输水管道的长度，m； 为流量指数，取1.77；
为管径指数，取4.77；
为管嘴流量系数，取0.82。
各出水口的出流量计算结果参见下表。
各出水口流量计算汇总表
序号 | 管段名称 | 管段长度 | 流量 | 起点水头 | 管道进出口高差 | 沿程水头损失 | 工作水头 | 出流量 | 实际需水量 |
Li（m） | Q（m3/h） | H0（m） | ΔH（m） | hfi（m） | ht（m） | Qt（m3/h） | Q实（m3/h） | ||
1 | 1#管段 | 30 | 41.49 | 2.00 | 0.00 | 0.99 | 0.91 | 10.03 | 6.91 |
2 | 2#管段 | 30 | 31.46 | 0.91 | 0.50 | 0.61 | 0.74 | 9.06 | 6.91 |
3 | 3#管段 | 30 | 22.39 | 0.74 | 0.50 | 0.33 | 0.88 | 9.85 | 6.91 |
4 | 4#管段 | 30 | 12.55 | 0.88 | 0.50 | 0.12 | 1.25 | 11.74 | 6.91 |
5 | 5#管段 | 30 | 0.81 | 1.25 | 0.50 | 0.00 | 1.74 | 0.81 | 6.91 |
6 | 6#管段 | 30 | 0.00 | 1.74 | 0.50 | 0.00 | 2.24 | 0.00 | 6.91 |
总 计 | 41.49 | 41.49 | |||||||
由于每个出水口对应一定的灌溉面积，上述计算所得的出水量与实际需水量进行比较，若出水量大于实际需水量则减小第i段管道的管径，由于沿线由多个出水口，无法使每个出水口达到理想出水量，故应进行整体适配，反复迭代计算管径，确定最优方案。
由于影响出流量的变量较多，有支管起点水头 、田块之间的高差、支管管径
和出水管管径
等，在工程设计中，田块之间的高差根据土地平整方案确定（根据现状地形和土石方平衡等因素确定），一般是已知条件，因此应对支管起点水头 、支管管径 和出水管管径 进行分析，拟定方案如下。
作为变量由于在原始条件H0=2.0m时，5#出水口出流量仅为0.81m3/h，6#出水口无水，其余参数不变的情况下，加大起点水头进行分析，分别增加拟定H0=2.5、3.0、3.5、4.0m，同时增加一组H0=1.5m的数据进行对比。经计算得到下列结果，可知增加水头时水量分配逐渐往前2个出水口倾斜，靠后的出水口逐渐断流，水量分配比初始条件（H0=2.0m）更不均匀；而起点水头减少为1.5m时，由于水头差与沿程水头损失差值减小，导致前两个出水口的水量也在减少，3#出水口出现断流，总出水量也仅为10.28 m3/h。由此可见，通过单一调整起点水头的办法无法根本性解决梯田水量均匀分配的目的。
不同支管起点水头下的出流量计算结果汇总表
序号 | 出水口名称 | 实际需水量Q实（m3/h） | 出流量Qt（m3/h） | |||||
H0=1.5m | H0=2.0m | H0=2.5m | H0=3.0m | H0=3.5m | H0=4.0m | |||
1 | 1#出水口 | 6.91 | 6.74 | 10.03 | 12.49 | 14.53 | 16.33 | 17.94 |
2 | 2#出水口 | 6.91 | 3.55 | 9.06 | 12.14 | 14.50 | 16.50 | 18.25 |
3 | 3#出水口 | 6.91 | 0.00 | 9.85 | 13.35 | 12.45 | 8.67 | 5.30 |
4 | 4#出水口 | 6.91 | 0.00 | 11.74 | 3.52 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
5 | 5#出水口 | 6.91 | 0.00 | 0.81 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
6 | 6#出水口 | 6.91 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
总 计 | 41.49 | 10.28 | 41.49 | 41.49 | 41.49 | 41.49 | 41.49 | |
根据管网的特性，在支管进水量一定的情况下，支管管径 和出水管管径 对出水量均有影响，其中支管管径主要影响管道的沿程水头损失，继而对工作水头产生影响，而出水管管径则直接影响出流量。
方案一：根据初始方案计算结果可知，1#出水口的出流量为10.03 m3/h，大于实际需要，故将直径由32mm调整为25mm，调整后1~3#出水口的出流量与实际需水量相近，通过试算调整4~6#出水管，拟定方案，见下表。
方案二：根据初始方案计算结果可知，末端的工作水头较大，但前几个出水口已过量放水，到时后半段管道内流量较小甚至是无水，可考虑对支管的管径进行优化，管径自大向小布置，自95mm变化为63mm，既可优化后半段工作水头，又可以提高管网的经济性，方案见下表。
不同管径方案的出水口工作水头计算结果表
序号 | 出水口名称 | 管径（mm） | 工作水头（m） | |||||||
原方案 | 方案一 | 方案二 | 原方案 | 方案一 | 方案二 | |||||
支管管径 | 出水管管径 | 支管管径 | 出水管管径 | 支管管径 | 出水管管径 | |||||
1 | 1#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 90.00 | 25.00 | 0.91 | 0.91 | 0.91 |
2 | 2#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 0.74 | 0.59 | 0.74 |
3 | 3#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 32.00 | 75.00 | 25.00 | 0.88 | 0.57 | 0.37 |
4 | 4#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 75.00 | 25.00 | 1.25 | 0.79 | 0.39 |
5 | 5#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 63.00 | 25.00 | 1.74 | 1.13 | 0.45 |
6 | 6#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 32.00 | 63.00 | 25.00 | 2.24 | 1.59 | 0.92 |
不同管径方案的出水口出流量计算结果表
序号 | 出水口名称 | 管径（mm） | 出流量Qt（m3/h） | ||||||||
原方案 | 方案一 | 方案二 | 实际需要 | 原方案 | 方案一 | 方案二 | |||||
| | | | | | ||||||
1 | 1#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 90.00 | 25.00 | 6.91 | 10.03 | 6.12 | 10.03 |
2 | 2#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 6.91 | 9.06 | 8.07 | 9.06 |
3 | 3#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 32.00 | 75.00 | 25.00 | 6.91 | 9.85 | 7.94 | 6.39 |
4 | 4#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 75.00 | 25.00 | 6.91 | 11.74 | 5.69 | 6.55 |
5 | 5#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 25.00 | 63.00 | 25.00 | 6.91 | 0.81 | 6.84 | 7.08 |
6 | 6#出水口 | 90.00 | 32.00 | 90.00 | 32.00 | 63.00 | 25.00 | 6.91 | 0.00 | 6.83 | 2.37 |
总 计 |
|
|
|
|
|
| 41.49 | 41.49 | 41.49 | 41.49 | |
根据计算可知，通过调整支管和出水管的管径对水量均匀分配均起到了较大的作用，优化方案后各出水口的出水量与实际需水量均有所靠近。其中，方案一各出水口的偏差（计算出流量和实际需水量差值/实际需水量）最大为-17.67%（4#出水口），其余多为±10%左右。
梯田低压灌溉管道出水不均匀问题在实际应用过程中很常见，在使用过程中一般会通过出水口处的阀门进行调压控流，从而改善配水均匀性，但此法耗时耗力，如能在设计阶段就考虑优化改善，可大大减小运用管理的难度。通过对各影响因素的分析，可得出以下初步结论，由于本次分析的是单一案例，尚应结合工程项目的实际情况进行运用。
1、通常在梯田低压管道灌溉中，前几个出水口的工作水头较大，一般能满足出流要求，且流量多大于实际需水量，应通过优化设计进行前半段控流；
2、通过单一调整起点水头的方法无法根本性解决梯田水量均匀分配的问题，在确定初始水头时应根据田块的高差情况和管网布置，通过试算的方法确定；
3、出水口的工作水头宜为0.5m左右，在此基础上拟定管网系统是比较合适的，考虑到部分出水口工作水头大于0.5m，应考虑采取必要的消能措施，如消能池等；
4、经过比较，调整支管管径和出水管管径对出水量的影响均较为明显，但调整出水管管径的经济性更高，实施更加便利，应作为首选，必要时可同时调整支管和出水管的管径，在提高配水均匀性的同时，使方案更加经济；
5、低压管道灌溉大多选用PE管，管径规格是固化的，无法精准地采用计算的管径，可通过调整其他设计参数，尽可能使出流量与实际需水量的偏差降到最低；
6、建议在工程设计中应结合理论计算初步确定管道大小和布置，在实施阶段，如条件允许可挑选典型地块进行试验，选择最佳方案后再全面铺开；
7、在设计中，如投资允许的情况下，可考虑引入田间自动化灌溉系统，可结合灌溉地块的实际蓄水情况，根据作物生长状态确定灌水制度，制定准确、合理的灌水计划，通过中央计算机控制灌溉系统精准控制各出水口的流量，使得供需相互匹配。
[1] GB/T 20203-2006，农田低压管道输水灌溉工程技术规范[S]
[2] 蒋晓红，龚志浩，低压管道输水灌溉技术灌水均匀性问题及对策[J]，节水灌溉，2018（5）
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