旱田滴灌系统管网布置模式优化研究

摘要

滴灌管道输水灌溉方式具有节约土地、减少水量损失，适应更多地形条件以及便于机耕和扩大灌溉面积等多种优点，能够有效解决旱田灌溉问题，是未来输水灌溉方式的发展趋势。但滴灌系统高昂的投资成本成为制约滴灌管道灌水方式大面积推广的最主要因素。研究滴灌管网的布置方案，利用智能算法寻求最优管径及布置模式，可以减少对设计人员经验的过度依赖、降低工程投资，有利于滴灌管道灌水方式应用到旱田灌溉生产实践中，提高灌溉水利用率，促进农业生产的发展。 本文针对旱田滴灌管网骨干管道“梳”子型布置、“丰”字型布置、“π”型布置三种不同布置方式，考虑灌水顺序进行轮灌单元划分，建立优化模型，并基于萤火虫算法进行求解。以黑龙江省八五一一农场1300亩旱田作为研究实例，主要研究内容及结论如下: (1)按照轮灌组划分的基本原则，考虑多农户用水均衡受益，针对每种布置方案下的滴灌管网工程划分轮灌组，保证在每种布置方案中相同地块灌溉的顺序相同，以此来消除因作物灌水顺序差异造成对生长发育的影响，避免干扰方案的优化评价。 (2)以优化工程投资最小为目标函数，工作压力及管道内水流流速为主要约束条件，建立旱田滴灌管网的优化模型，并结合萤火虫算法(FA)进行求解。调研数据拟合研究区水泵功率与投资的价格变动曲线，以此作为参与方案比较的水泵及配电装置的投资取值依据。以轮灌组为单元优化管径与水泵加压装置，得到投资最低的组合。整理分析各次优化结果组合，得到在同种布置形式中的最优方案，综合考虑滴灌工程实践应用中所包含各项附属投资项，最终得出滴灌管网工程的最优布置模式。 (3)以Visual Studio2012作为平台，利用matlab与C++计算机语言，开发旱田滴灌工程优化设计的桌面化软件，并应用于旱田滴灌管网系统工程实践设计。 (4)结果表明，经过模型优化及综合附属投资因素，骨干管道“丰”字型布置的滴灌系统亩投资最低，为820.69元;分别较“梳”子型布置与“π”型布置节约投资1.45％与10.48％，“丰”字型布置在大面积滴灌工程中具有显著节约效果。基于萤火虫算法求解的旱田滴灌管网优化模型，能够对管道管径进行优化，减少对设计人员经验的过度依赖。以Visual Studio2012作为平台，利用matlab与C++计算机语言，开发的应用于旱田滴灌优化的设计软件界面友好，操作简便，经工程实例验证运行效果良好，在旱田滴灌管网优化设计中具有使用价值。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 存在的问题

1．3 研究内容与方法及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

2 研究区域概况

2．1 研究区自然情况

2．2 灌溉发展情况

2．3 研究典型区地形边界及基本参数

2．4 灌溉制度

3 滴灌布置方案及优化模型

3．1 管网布置

3．1．1 骨干管网

3．1．2 田间管网

3．2 滴灌灌水方案

3．2．1 灌水方式

3．2．2 轮灌组划分

3．3 相关水力学计算公式

3．3．1 压力水头

3．3．2 水头偏差

3．3．3 多孑L管的极限孔数与极限长度

3．3．4 流量推求

3．3．5 水头损失

3．4 旱田滴灌管网优化模型

3．4．1 优化思路

3．4．2 滴灌管网优化模型建立

3．5 模型求解

3．5．1 萤火虫优化算法

3．5．2 基于萤火虫算法的模型求解过程

3．6 本章小结

4 实例研究

4．1 方案布置

4．2 轮灌组划分

4．3 水泵加压装置及管道投资取值

4．4 流量及管长

4．5 模型求解

4．6 优化结果及分析

4．7 管道配件工程

4．8 管道压力验算及减压装置布置

4．8．1 干管节点压力

4．8．2 分干压力

4．8．3 减压装置

4．9 管槽工程

4．10 首部枢纽

4．11 投资汇总与结果分析

4．12 本章小结

5 滴灌管网优化设计桌面化实现

5．2 软件编写实现

5．3 需要输入的数据

5．4 软件演示

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 论文创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文