滴灌系统的自动化控制的研究(1)程力学毕业论(2)

　　2.2.2.6 管网水力计算滴灌系统各级管道布置好以后，即可从最末端或最不利毛管位置开始，逐级推算各级管道的水头损失（包括沿程水头损失和局部水头损失）。在设计中，同一条支管上的第一条毛管最前端出水孔处水头与最末一条毛管最末端出水孔处水头之间的差值，不超过滴头设计工作压力的20％，流量差值不超过10％；对于采用压力补偿式滴水器时，仅要求区域内滴头流量差值不超过10％，并据此确定支、毛管的最大设计长度；在滴灌中，由于管网中水流压力通常小于0．3兆帕，所以多选用pvc塑料管道。 管道中水流在运动过程中的压力损失通常包括沿程阻力损失和局部阻力损失。工程设计中塑料管道的沿程阻力损失常选用式（4－1 6）、（4－17）计算，局部阻力损失常用式（4－18）计算。 ①沿程阻力损失hf

当管道有多个出水口时，管道的沿程阻力应考虑多口出流对沿程阻力的折减问题，多口出流折减系数k，对应计算公式

　　②局部阻力hj

　　工程设计中为了计算方便，局部阻力损失也常按沿程阻力损失hf的10％估算。

　　2.2.2.7 管道系统设计包括各级管道的管材与管径的选择、各级固定管道的纵剖面设计、管道系统的结构设计。

　　① 管材的选择：可用于灌溉的管道种类很多，应该根据滴灌区的具体情况，如地质、地形、气候、运输、供应以及使用环境和工作压力等条件，结合各种管材的特性及适用条件进行选择。一般情况下，对于地理固定管道，可选用钢筋混凝土管、钢丝网水泥管、石棉水泥管、铸铁管和硬塑料管。钢管易锈蚀和腐蚀，最好不要选用。随着材料工业的发展，地埋管道多选用塑料管。选用塑料管时一定要注意，不同材质的塑料管在几何尺寸相同的情况下可承受的工作压力相差甚远，特别是在使用低密度聚乙烯管（pe管）时，一定要注意管壁的厚度是否达到了能承受系统所要求压力的厚度，若没有达到，千万不能使用，否则将会埋下隐患，造成运行时管道发生爆破，甚至导致整个管道系统瘫痪。用于滴灌地埋管道的塑料管，最好选用硬聚氯乙烯管（upvc管）。对于口径150毫米以上的地埋管道，硬聚氯乙烯管在性能价格比上的优势下降，应通过技术经济分析选择合适的管材。塑料管经常暴露在阳光下使用，易老化，缩短使用寿命。因此，地面移动管最好不采用塑料管。

　　② 管径的选择：当轮灌编组和轮灌顺序确定之后，各级管道在每一轮灌组所通过的流量即可知道。通常选用同一级管道在各轮灌组中可能通过的最大流量，作为本级管道的设计流量，依据这个设计流量来确定管道的管径。若某一级管道，其最大流量通过的时间占管道总过水时间的比例甚小，也可选取一个出现次数较多的次大流量，作为管道的设计流量来确定管径。同一级管道的不同管段通过的最大流量不同时，可分段确定设计流量。（a）支管管径的确定：支管是指直接安装竖管和滴头的那一级管道。支管管径的选择主要依据灌溉均匀的原则。管径选得越大，支管运行时的水头损失就越小，同一支管上各滴头的实际工作压力和灌水量就越接近，灌溉均匀度就越接近设计状况。但这样增大了支管的投资，对移动支管来说还增加了拆装、搬移的劳动强度。管径选得小，支管投资减少，移动作业的劳动强度降低，但由于运行时支管内水头损失增大，同一支管上各滴头的实际工作压力和灌水量差别增大，结果造成果园各处受水量不一致，影响滴灌质量。为了保证同一支管上各滴头实际出水量的相对偏差不大于20％，国家标准gbj85-85规定：同一支管上任意两个滴头之间的工作压力差应在滴头设计工作压力的20％以内。显然，支管若在平坦的地面上铺设，其首末两端滴头间的工作压力差应最大。若支管铺设在地形起伏的地面上，则其最大的工作压力差并不见得发生在首末滴头之间。考虑地形高差△z的影响时上述规定可表示为

许的水头损失即为从式（4－20）

　　可以看出：逆坡铺设支管时，允许的hw的值小，即选用的支管管径应大些；顺坡铺设支管时，因△z的值本身为负值，其允许的hw的值可以比0.2hp大些，也就是说因支管顺坡铺设时，因地形坡降弥补了支管内的部分水力坡降，选用的支管管径可适当的小些。 当一条支管选用同管径的管子时，从支管首端到朱端，由于沿程出流，支管内的流速水头逐次减小，抵消了局部水头损失，所以计算支管内水头损失时，可直接用沿程水头损失来代替其总水头损失，即h'f=hw，式（4－20）可改写为

　　滴头选定后，满头的设计工作压力可从滴头性能表中查得。两滴头进水口高程差（实际上就是两滴头所在地的地面高差）可以从系统平面布置图中查取。则h'f即可求出。利用公式h'f=fflqm／db，在其他参数已知的情况下反求管径d，d就是该支管可选用的最小管径的计算值。因管材的管径已标准化、系列化。因此，还需按管材的标准管径将计算出的管径规范取整。对滴灌系统的支管，考虑到运行与管理的方便，最大的管径一般不超过100毫米，并且应尽量使各支管取相同的管径，至少也需在一个作业区中统一。对于固定管道式滴灌系统，地理支管的管径可以不同，但规格不宜太多，同一条支管一般最多变径两次。 （b）支管以上各级管道管径的确定：一般情况下，这些管道的管径是在满足下一级管道流量和压力的前提下按费用最小的原则选择的。管道的费用常用年费用来表示。随着管径的增大，管道的投资造价（常用折旧费表示）将随之增高，而管道的年运行费随之降低。因此，客观上必定有一种管径，会使上述两种费用之和为最低，这种管径就是我们要选择的管径，称之为经济管径。经济管径中对应的流速称为经济流速。图4-7就是用最小年费用法计算经济管径的原理示意图。用这种方法确定管径概念清楚，但计算相当繁琐，往往需要分别计算出多种管径的年投资和年运行费，比较后再确定。随着科学技术的进步，计算机技术的飞速发展，许多优化设计方法，如微分法、动态规划法等已在管道灌溉管网的设计中得到应用，具体方法可参阅有关书籍。 对于规模不太大的滴灌工程，也可用式（4－22）、式（4－23）的经验公式估算管道的直径：

　　应该指出的是，由于管道系统年工作小时数少，而所占投资比例又大。因此，一般在灌溉系统压力能得到满足的情况下，选用尽可能小的管径是经济的，但管中流速应控制在2.5～3米／秒以下。

　　③ 管道纵剖面设计：管道纵剖面设计应在系统平面市置图绘制后进行，设计的主要内容是确定各级固定管道在平面上的位置及各种管道附件的位置。管道的纵剖面应力求平顺，减少折点，有起伏时应避免产生负压。

　　ⅰ 埋深及坡度：地埋管的埋深指管径距地面的垂直距离，埋深应根据当地的气候条件、地面荷载和机耕要求确定。一般管道在公路下埋深应为0.7～1.2米；在农村机耕道下埋深为0．5～0．9米。地埋管的坡度主要视地形条件而定，同时也应考虑地基好坏及管径大小。一般在地形条件许可的情况下，管径小、基础稳定性好的管道坡度可陡一点；反之应缓些。总的来说，管道坡度不得超过1:1，通常控制在1:1.5～1:3以下。

　　ⅱ 管道连接及附件：地埋管道的连接多采用承插或黏接的形式，转向处用弯头，分水处用三通或四通接头，管径改变处采用异径接头，管道末端用堵头。为方便施工和安装，同类管件应考虑其规格尽量统一。

　　为了按计划进行输水、配水、管道系统上应装置必要的控制阀。白果园中为了实现灌水的有效控制,设置了30多个电子阀.而且各级管道的首端还设了进水阀或水分阀；当管道过长或压力变化过大时，设置节制阀。为保证管道的安全运行，还安装一些附设装置。自压系统的进水口和各类水泵吸水管的底端应分别设置拦污棚和滤网，管道起伏的高处应设排气装置，自压系统进水阀后的干管上设高度高出水源水面高程的通气管，管道起伏的低处及管道末端设泄水装置，管道可能发生最大水锤压力处设置安全阀。

　　2.3 评价

　　从整体上来看,xx白果园的滴灌系统是建设的比较完善的一套滴水灌溉系统,设计施工都符合现代滴灌的要求,是一套先进的现代化滴水灌溉系统，而且产生了很好的经济效果。不过当时考虑到经济条件的限制，其毛管采用了单行直线布置，灌水均匀度不高，鉴于对多种毛管布置形式的比较分析，笔者认为百果园应改进为双行毛管平行布置；而且其控制系统自动化程度不高，全园仅能使用微机控制电磁阀的开启，不能精确实现作物的轮灌、对灌水时间和灌水量都不能实现有效的控制，故需进一步对其控制系统加以设计改进。正在建设的二期工程应该吸收一期工程中的好的经验，改进一期工程中的不足，特别是应该实现灌水的全自动控制。

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