微灌系統(tǒng)田間管網(wǎng)水力解析模型與優(yōu)化設(shè)計方法研究.pdf

1、微灌系統(tǒng)水力設(shè)計是微灌系統(tǒng)安裝運行的前提和基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)的工程投資、運行費、灌水質(zhì)量和安全可靠性。本文以微灌系統(tǒng)田間管網(wǎng)的水力解析與優(yōu)化設(shè)計問題為研究對象，在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果的基礎(chǔ)上，分析了目前存在的問題，應(yīng)用微灌管網(wǎng)水力學(xué)知識及數(shù)學(xué)方法，構(gòu)建了均勻坡毛管和灌水小區(qū)及非均勻坡毛管的水力解析模型，進而提出了微灌系統(tǒng)田間管網(wǎng)的簡易優(yōu)化設(shè)計步驟，借助Microsoft Excel表格中的“單變量求解”功能及VBA編程語言編制了簡便

2、實用的設(shè)計程序，進行實例驗證與分析。
　　本文主要得到以下幾點成果及結(jié)論:
　　(1)基于能量輪廓線法，通過修正考慮水溫的摩阻系數(shù)，補充和完善了現(xiàn)有的均勻坡單向毛管水力解析模型;在提出一個新的均勻坡雙向毛管最佳進口位置參數(shù)計算公式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)構(gòu)建了新的均勻坡雙向毛管水力解析模型;以與雙向毛管設(shè)計參數(shù)相同的單向順坡毛管坡降比參數(shù)為自變量，借助最小二乘法擬合了不同流量指數(shù)對應(yīng)的雙向毛管最佳進口位置參數(shù)等相關(guān)設(shè)計參數(shù)的回歸方程;

3、通過設(shè)計案例演示了在無需計算機輔助情況下快速實現(xiàn)均勻坡毛管水力設(shè)計過程;此外，分別提出了進口工作水頭已知時，均勻坡單向和雙向毛管優(yōu)化設(shè)計步驟。研究表明:均勻坡雙向毛管逆坡段長度隨坡降比參數(shù)的增大而減小，隨流量指數(shù)的增大而增大。
　　(2)通過分析管網(wǎng)布置形式對毛管進口工作水頭及灌水均勻度的影響，提出均勻坡毛管適宜管網(wǎng)布置形式的選取標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)坡降比參數(shù)取值為0～1時，宜雙向布置，否則，則應(yīng)單向布置。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建考慮適宜布置形式的毛

4、管水力解析模型，分別推導(dǎo)了以坡降比參數(shù)為設(shè)計變量的均勻坡毛管設(shè)計管徑和設(shè)計管長的簡易計算公式;通過變換受水力因素影響的各灌水均勻度評價指標(biāo)的計算公式，分別定義了對應(yīng)于各灌水均勻度評價指標(biāo)的毛管設(shè)計管徑和管長的無量綱設(shè)計參數(shù)，并分別推導(dǎo)了各管徑設(shè)計參數(shù)與坡降比參數(shù)的關(guān)系及各管長設(shè)計參數(shù)與坡降比參數(shù)的關(guān)系，繪制了相關(guān)設(shè)計圖，并分析了管徑設(shè)計參數(shù)或管長設(shè)計參數(shù)不同取值情況下毛管設(shè)計管徑或設(shè)計管長的取值范圍;以各管徑和管長設(shè)計參數(shù)為自變量，借助

5、最小二乘法擬合了不同流量指數(shù)對應(yīng)的坡降比參數(shù)的回歸方程;進一步簡化了毛管進口工作水頭的計算公式;最終提出了滿足微灌系統(tǒng)設(shè)計要求的均勻坡毛管設(shè)計管徑和管長的優(yōu)化設(shè)計步驟。研究表明:相比現(xiàn)有的設(shè)計經(jīng)驗，本文推薦的坡降比參數(shù)定量標(biāo)準(zhǔn)，可以更可靠地優(yōu)選毛管布置形式;滿足微灌系統(tǒng)設(shè)計要求的灌水均勻度和灌水器設(shè)計流量的毛管設(shè)計管徑或設(shè)計管長存在1、2或多個設(shè)計值，且這一現(xiàn)象顯著受到灌水均勻度設(shè)計指標(biāo)及流量指數(shù)的影響。
　　(3)構(gòu)建了支管和毛

6、管在單向和雙向布置組合情況下的均勻坡灌水小區(qū)水力解析模型，提出了管網(wǎng)布置形式已知，進口工作水頭未知和已知時灌水小區(qū)的優(yōu)化設(shè)計步驟。通過設(shè)計實際案例分析不同管網(wǎng)布置形式下灌水小區(qū)各設(shè)計參數(shù)間的差異，提出均勻坡灌水小區(qū)適宜管網(wǎng)布置形式的選取標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)毛管坡降比參數(shù)取值為0～1時，毛管宜雙向布置，否則應(yīng)單向布置;當(dāng)支管坡降比參數(shù)取值為0～1時，支管宜雙向布置，否則應(yīng)單向布置。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了考慮適宜布置形式的均勻坡灌水小區(qū)的水力解析模型;將灌

7、水小區(qū)作為一個整體，以灌水均勻度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和灌水器設(shè)計流量為設(shè)計參數(shù)，提出了灌溉面積最大及管網(wǎng)一次性投資最低的灌水小區(qū)優(yōu)化設(shè)計步驟。
　　(4)根據(jù)概率論原理，選取實測地形高程數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差2個統(tǒng)計量定量描述非均勻坡地形的特征;通過水力解析，推導(dǎo)了非均勻坡地形條件下毛管受水力因素影響的灌水器流量偏差系數(shù)計算公式，進而構(gòu)建了非均勻坡單向和雙向毛管的水力解析模型;在此基礎(chǔ)上，分別提出了進口工作水頭已知和未知時非均勻坡單向和雙向毛管

8、的優(yōu)化設(shè)計步驟。
　　(5)根據(jù)構(gòu)建的均勻坡毛管和灌水小區(qū)水力解析模型，通過設(shè)計案例演示了快速評價毛管及灌水小區(qū)灌水均勻度的計算過程;在Microsoft Excel2013中編制了進口工作水頭已知時均勻坡毛管和灌水小區(qū)的設(shè)計表格，借助于“單變量求解”功能，可以快速便捷地實現(xiàn)設(shè)計過程中的試算;根據(jù)提出的進口工作水頭未知時均勻坡微灌毛管設(shè)計管徑和管長的簡易設(shè)計步驟，可以在無需計算機輔助的情況下快速便捷地優(yōu)化設(shè)計毛管管徑或管長，同時優(yōu)

9、選出適宜的毛管布置形式;根據(jù)提出的進口工作水頭未知時均勻坡灌水小區(qū)及進口工作已知和未知時非均勻坡毛管簡易設(shè)計步驟，在Microsoft Excel2013中編制了相應(yīng)的設(shè)計表格，利用VBA編程語言編制了相應(yīng)的“宏模塊”，可以快速便捷地實現(xiàn)設(shè)計過程中的試算，同時優(yōu)選出適宜的管網(wǎng)布置形式。
　　(6)通過設(shè)計實際工程案例，對比分析本文設(shè)計方法的計算結(jié)果與現(xiàn)有其他方法設(shè)計結(jié)果以及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)間的差異，驗證本文解析模型及設(shè)計方法的準(zhǔn)確性和