滴灌系统优化设计研究及其软件系统开发的研究

    我中心2005届博士研究生朱德兰，在导师吴普特研究员的指导下，经过三年努力完成了滴灌系统优化设计研究及其软件系统开发的研究 摘    要     滴灌是当今世界上最节水的灌水技术之一，但由于其投资昂贵，限制了该技术的广泛应用，因此，降低滴灌系统造价是国内外研究者和滴灌设备制造商急于突破、解决的问题。本研究从制约滴灌发展的问题出发，立足于滴灌急需解决的理论和技术问题，以减小滴灌系统造价为目标，以满足灌水均匀度为前提，以确定滴头设计工作压力为突破口，以滴灌系统优化设计为手段，从滴灌灌水均匀度设计指标、滴头设计工作压力取值和系统优化设计三个方面进行了深入细致的研究，最终达到完善滴灌系统设计理论、实现系统设计优化、降低系统造价的目标。主要研究结论及成果如下：     1、提出了新的灌水均匀度设计指标计算公式     首先，在滴灌系统设计中考虑了田面微地形这一重要因素，田面不平整度不仅是灌水均匀性公式分析的基础，而且决定了滴头设计工作压力值。在灌水均匀度指标体系研究中，首先将微地形因素差、制造因素、水力因素作为独立事件分析其各自的水力计算公式，然后分析出同时考虑微地形因素差、制造因素、水力因素情况下的综合水力计算公式；同时提出了田面高程偏离值、制造系数计算方法，并编写了随机模拟田面高程偏离值和制造系数的计算机程序；最后利用Visual-Basic语言编制程序，对三因素独立作用和共同作用下的参数进行了计算机模拟计算，在此基础上，通过大量数据分析，提出了滴灌系统设计均匀度指标的系列公式。     其次，分析了灌水器制造因素、田面微地形因素对灌水均匀度的影响，如果制造偏差因素Cmv、田面微地形因素ΔZ/Hd过大，不论水力流量偏差率qhv取任何值都不能满足灌水均匀度的要求，因此，在进行滴灌设计时，首先应选择性能良好的滴头，以Cu=0.95作为设计标准，可得到如下结论：       当Cmv≤0.02，滴头性能为优；       当Cmv在0.02～0.05、x在0.2～0.5之间，滴头性能一般；       当Cmv>0.05，滴头不合格。       选用性能优良的滴头（Cmv=0.02），ΔZ/Hd的取值范围为0.2~0.65，当ΔZ/Hd>0.65时，不能满足滴灌系统设计均匀度的要求。     最后，通过对总流量偏差率在水力流量偏差率、制造流量偏差率、微地形流量偏差率之间进行优化分配，初步得出结论：当田面微地形流量偏差率等于水力流量偏差率时，毛管年费用最低。     2、确定了滴头设计工作压力计算方法     在三因素影响条件下灌水均匀度设计指标研究基础上，提出了滴头设计工作压力计算模型及计算方法。通过毛管年费用分析，提出了计算毛管年费用的两种公式，以毛管年费用为目标函数，以三因素影响下的灌水均匀度为约束条件，以毛管直径和滴头设计工作压力为决策变量，建立了非线性优化模型，借助于计算机优化理论求解模型，确定出滴头设计工作压力计算方法；对运用滴灌较多（如果园、温室、花卉、蔬菜、棉花）的田块进行田面高程测量，根据滴头设计工作压力计算公式，制定出了果园、温室、棉田滴头设计工作压力取值范围：     山丘区果园、温室、棉田滴头工作压力分别为1.1~2.9、0.18~0.48、0.36~0.96m。     通过对滴头、毛管、支管、干管工作压力值进行分析，对滴灌系统的滴头、管材性能指标重新作了规定，在制造滴头时，滴头额定工作压力应小于3m；在生产支管和毛管时，管材耐压应小于0.1Mpa。干管管材耐压应由原来的0.40Mpa降低到0.30Mpa；通过滴头工作压力与毛管优化设计研究，从理论上说明滴头的设计工作压力可降低到3m以下，滴头工作压力降低后，毛管与常规滴灌毛管相比，年费用降低22％，滴灌管网投资是常规滴灌投资的1/5～1/3，滴头工作压力降低后，首部枢纽费用、年运行费也会有大幅度降低。本研究不仅为降低滴灌系统造价找到了突破口，并且提供了理论基础。     3、开发出滴灌系统优化设计软件     在满足灌水均匀度的前提下，将滴头设计工作压力作为决策变量（而不是以往的固定值），将土壤、作物、水源的约束条件考虑在内，在优化过程中，不仅对毛管、支管、干管进行水力优化计算，而且对多个灌水小区尺寸（长宽比、面积、数量）进行优化，然后将主要材料清单显示在Microsoft Excel中，将设计说明书显示在Word文档中，利用Visual Basic对Autocad 2002进行二次开发，将管网布置图显示在Autocad 2002中，最终开发出理论性强且实用的设计软件。 该设计软件的管道系统水力计算均采用两级优化法数学算法理论性强，计算速度快、精度高，且能够直接用于施工。     在软件中，建立了滴头选型、管材选型、水泵及电动机选型数据库，用户可根据需要添加、修改数据，并能根据水力参数查找产品规格和型号。 为了设计人员在很短时间内学会运用该软件，利用Flash动画制作多媒体教学课件，系统介绍软件使用方法，使用户在1小时内学会运用该系统。该软件界面友好，功能较完善，全部以可视化界面和人机对话方式操作，简便易用。       关键词：灌水均匀度；田面微地形流量偏差率；滴头设计工作压力；滴灌设计软件