一种双向微灌毛管水力设计方法

摘要

本发明公开了一种双向微灌毛管水力设计方法，将双向微灌毛管最佳支管位置定义为使得支管双侧毛管灌水器平均压力相等的支管位置。基于能廓线法，构建了双向微灌毛管的水力解析模型，包括：最佳支管位置计算公式，进口工作压力和最小工作压力计算公式，以及灌水均匀度评价指标计算公式。利用本发明，在已知双向微灌毛管水力设计参数的前提下，可以方便准确地设计最佳支管位置，计算进口工作压力，并评价灌水均匀度；同时，可以在给定灌水均匀度和其它设计指标的前提下，根据已知双向微灌毛管管径，快速准确地计算毛管极限管长,或者根据双向微灌毛管管长，计算毛管最小管径。本发明提出了一个新的双向微灌毛管水力设计方法，简便可行，可提高微灌工程的设计效率。

说明书

技术领域

本发明属于农业灌溉技术领域，涉及微灌工程的设计方法，特别涉及一种双向微灌毛管 水力设计方法。

背景技术

根据工程实践经验，微灌支管两侧双向布置毛管相比单向布置毛管，可以节省投资，提 高灌水质量。因此，目前常规微灌工程中大多将毛管设计为双向布置形式。双向微灌毛管水 力设计主要包括三方面：①确定最佳支管位置；②计算极限管长；③计算最小管径。

目前，双向微灌毛管常用的水力设计方法主要可以分为主观经验法，程序设计法和水力 解析法。主观经验法主要借助于设计人员实践经验，通过枚举和试算方法设计，计算工作量 大，但设计结果准确性和精度往往较低，难以满足灌水质量要求。程序设计法包括有限元法， 黄金分割法(康跃虎，1996)，遗传算法(王新坤，2007)等。这类方法基于先进的算法和程 序，可以获得较高的设计准确性和精度。但缺乏编程基础的工程设计人员不易掌握，限制了 此类方法在工程实践中的应用。水力解析法基于经典微灌水力学，建立物理意义明晰的设计 公式，在工程实践中应用广泛。

现有常用的水力解析法有凯勒方法(Keller和Bliesner,1990)，张国祥方法(张国祥， 2012)和蒋树芳方法(蒋树芳等，2011)。凯勒方法简单方便，可以实现支管两侧毛管的最小 工作压力值相等，但在某些情况下设计结果存在一定的偏差。张国祥方法可以满足支管两侧 毛管灌水器平均流量等于设计流量，但设计过程较为复杂。以上两种方法均侧重于最佳支管 位置的设计。蒋树芳方法基于凯勒方法中最佳支管位置位于左右两侧毛管最小压力相等处的 定义，提出了满足允许的最大压力水头和最小压力水头的双向微灌毛管设计方法，可以设计 进口工作压力已知的双向微灌毛管。由于现有的水力解析方法均不能评价整条双向毛管的灌 水均匀度，因此尚无可以设计满足灌水均匀度设计标准的双向微灌毛管极限管长和最小管径 的水力解析法。

发明内容

针对上述现有设计方法存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种双向微灌毛管 水力设计方法。该方法构建了一套简单的双向微灌毛管的水力解析模型，可简化双向微灌毛 管水力设计过程，提高微灌工程设计效率。

为了实现上述任务，本发明采取的技术方案是：

一种双向微灌毛管水力设计方法，将双向微灌毛管最佳支管位置定义为使得支管双侧毛 管灌水器平均压力相等的支管位置。首先，构建双向微灌毛管的水力解析模型，包括：最佳 支管位置计算公式，进口工作压力和最小工作压力计算公式，以及灌水均匀度评价指标(包 括流量偏差系数，流量偏差率，凯勒均匀系数和分布均匀系数等)计算公式；在此基础上， 提出双向微灌毛管常见三种情况的设计步骤，包括：①已知双向微灌毛管管径，管长及其它 设计变量，确定最佳支管位置，进口工作压力和最小工作压力，同时评价灌水均匀度；②已 知双向微灌毛管管径，灌水均匀度设计标准及其它设计变量，计算双向毛管极限管长，进口 工作压力和最小工作压力；③已知双向微灌毛管管长，灌水均匀度设计标准及其它设计变量， 计算双向毛管最小管径，进口工作压力和最小工作压力。

本发明构建了一套新的双向微灌毛管的水力解析模型，提出了双向微灌毛管三种设计情 况的简易设计方法，可提高双向微灌毛管的设计效率。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将 变得更加易于清楚，在附图中：

图1是双向微灌毛管布置示意图

图2是本发明双向微灌毛管水力设计原理图

图3是设计实例1双向微灌毛管上灌水器工作压力分布图

图4是设计实例2双向微灌毛管上灌水器工作压力分布图

图5是设计实例3双向微灌毛管上灌水器工作压力分布图

以下是发明人结合完成的具体算例，对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发 明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这 些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

申请人给出一种双向微灌毛管水力设计方法。双向微灌毛管常见三种设计情况的设计步 骤如下：

设计情况1.已知双向微灌毛管管径，管长及其它设计变量，确定最佳支管位置，进口工 作压力和最小工作压力，同时评价灌水均匀度的设计步骤：

步骤1：根据已知的双向微灌毛管管径，管长和其它设计变量，分别计算参数ΔH_S，ΔH_F和J；

步骤2：分别利用式(2)，(5)，(8)，(11)，(14)和(18)，根据m和J的值，计算双 向微灌毛管水力设计参数BMP，α，β，λ_CVqh，λ_qhv和λ_DUh；

步骤3：如附图1所示，用逆坡段毛管长度L^up确定双向毛管最佳支管位置，其计算公式 为L^up＝(N^up-u)s_e＝[INT(BMP·N)-u]s_e，N^up为逆坡段毛管灌水器个数，INT为取整函数，u 为逆坡段毛管进口比，当支管进口位于两侧毛管灌水器中央时，u＝0.5；

步骤4：分别利用式(3)，(6)，(9)，(12)，(15)和(16)，根据x，h_d，ΔH_F，α，β，λ_CVqh， λ_qhv和λ_DUh的值，计算双向微灌毛管进口工作压力h₀，最小工作压力h_min和灌水均匀度评价 指标CV_qh，_qhv，EU_h，DU_h。

设计情况2.已知双向微灌毛管设计灌水均匀度，管径及其它设计变量，计算双向微灌毛 管极限管长，最佳支管位置，毛管进口工作压力和最小工作压力，并评价灌水均匀度的设计 步骤：

步骤1：假设双向微灌毛管管长初始值为L_a，根据已知的双向微灌毛管设计变量，计算 坡降比参数J；

步骤2：利用已知的灌水均匀度设计标准，根据m和J的值，从式(8)，(11)，(14)和 (18)中选择对应的计算公式，计算双向微灌毛管灌水均匀度设计参数(β或λ_CVqh或λ_qhv或 λ_DUh)；

步骤3：根据已知的灌水均匀度设计标准，从式(19)，(20)，(21)和(22)中选择对 应的计算公式，计算双向微灌毛管长度L_b；

步骤4：当|L_a-L_b|≤ε_L时(ε_L为某一很小的正值，比如ε_L＝0.001m)，双向微灌毛管极 限长度L_max＝L_b；否则，调整L_a值，重复步骤1—步骤3，直到满足|L_a-L_b|≤ε_L；

步骤5：根据双向微灌设计变量及毛管极限管长L_max，分别计算ΔH_S，ΔH_F和J；

步骤6：分别利用式(2)，(5)，(8)，(11)，(14)和(18)，根据m和J的值，计算双 向微灌毛管水力设计参数BMP，α，β，λ_CVqh，λ_qhv和λ_DUh；

步骤7：如附图1所示，用逆坡段毛管长度L^up确定双向毛管最佳支管位置，其计算公式 为L^up＝(N^up-u)s_e＝[INT(BMP·N)-u]s_e，N^up为逆坡段毛管灌水器个数，INT为取整函数，u 为逆坡段毛管进口比，当支管进口位于两侧毛管灌水器中央时，u＝0.5；

步骤8：分别利用式(3)，(6)，(9)，(12)，(15)和(16)，根据x，h_d，ΔH_F，α，β，λ_CVqh， λ_qhv和λ_DUh的值，计算双向微灌毛管进口工作压力h₀，最小工作压力h_min和灌水均匀度评价 指标CV_qh，q_hv，EU_h和DU_h。

设计情况3.已知双向微灌毛管设计灌水均匀度，管长及其它设计变量，计算双向毛管最 小管径，最佳支管位置，毛管进口工作压力和最小工作压力，并评价灌水均匀度的设计步骤：

步骤1：假设双向微灌毛管管径初始值为D_a，根据已知的双向微灌毛管管长和其它设计 变量，计算坡降比参数J；

步骤2：利用已知的灌水均匀度设计标准，根据m和J的值，从式(8)，(11)，(14)和 (18)中选择对应的计算公式，计算双向微灌毛管灌水均匀度设计参数(β或λ_CVqh或λ_qhv或 λ_DUh)；

步骤3：利用已知的双向微灌毛管灌水均匀度设计标准，从式(23)，(24)，(25)和(26) 中选择对应的计算公式，计算双向微灌毛管管径D_b；

步骤4：当|D_a-D_b|≤ε_D时(ε_D为某一很小的正值，比如ε_D＝0.01mm)，双向微灌毛管 最小管径D_min＝D_b；否则，调整D_a值，重复步骤1—步骤3，直到满足|D_a-D_b|≤ε_D；

步骤5：根据已知的双向微灌毛管管长和其它设计变量及计算的毛管最小管径D_min，分 别计算ΔH_S，ΔH_F和J；

步骤6：分别利用式(2)，(5)，(8)，(11)，(14)和(18)，根据m和J的值，计算双 向微灌毛管水力设计参数BMP，α，β，λ_CVqh，λ_qhv和λ_DUh；

步骤7：如附图1所示，用逆坡段毛管长度L^up确定双向毛管最佳支管位置，其计算公式 为L^up＝(N^up-u)s_e＝[INT(BMP·N)-u]s_e，N^up为逆坡段毛管灌水器个数，INT为取整函数，u 为逆坡段毛管进口比，当支管进口位于两侧毛管灌水器中央时，u＝0.5；

步骤8：分别利用式(3)，(6)，(9)，(12)，(15)和(16)，根据x，h_d，ΔH_F，α，β，λ_CVqh， λ_qhv和λ_DUh的值，计算双向微灌毛管进口工作压力h₀，最小工作压力h_min和灌水均匀度评价 指标CV_qh，q_hv，EU_h和DU_h。

显然，情况1可直接进行设计，而情况2和情况3的设计步骤需要进行试算。借助于 Microsoft Excel“工具”菜单中提供的“单变量求解”功能，发明人编制了可以实现双向微灌毛管 极限管长和最小管径的设计表格。

以下是发明人给出的3个实施例。

设计实例1

已知资料：毛管管径D＝16mm，毛管管长L＝119.7m，灌水器间距s_e＝0.3m，支管位 于两个灌水器中间，地形坡度S₀＝0.01，灌水器设计流量q_d＝2.2L/h，灌水器压力流量关系 为q＝0.594h^0.592。管材水头损失计算系数K＝0.505，m＝1.75，b＝4.75，局部水头损失扩大 系数F_s＝1.1。寻求满足灌水器设计流量的双向微灌毛管最佳支管位置，并计算毛管进口工作 压力和最小工作压力，同时评价灌水均匀度。

具体设计过程如下：

1)计算灌水器总个数N

$N=\frac{L}{s_e}+1=\frac{119.7}{0.3}+1=400$

2)计算双向毛管进口总流量Q

Q＝N·q_d＝400×2.2＝880  (L/h)

3)计算克里斯琴森系数F_C

$F_C=\frac{1}{m+1}+\frac{1}{2N}+\frac{\sqrt{m-1}}{{6N}^2}=\frac{1}{1.75+1}+\frac{1}{2\times 400}+\frac{\sqrt{1.75-1}}{6\times {400}^2}=0.362$

4)计算与双向毛管等长的单向毛管的总摩阻损失ΔH_F

${\mathrm{\Delta H}}_F=F_S{F}_{C}K\frac{Q^m}{D^b}L=1.1\times 0.362\times 0.505\times \frac{{880}^{1.75}}{16^{4.75}}\times 119.7=6.525---\left(m\right)$

5)计算与双向毛管等长的单向顺坡毛管进口与末端的地形高差ΔH_S

ΔH_S＝S₀L＝0.01×119.7＝1.197  (m)

6)计算与双向毛管等长的单向顺坡毛管的坡降比J

$J=\frac{{\mathrm{\Delta H}}_S}{{\mathrm{\Delta H}}_F}=\frac{1.197}{6.525}=0.183$

7)利用式(2)计算最佳支管位置设计参数BMP

BMP＝0.0637J²-0.4347J+0.5

＝0.0637×0.183²-0.4347×0.183+0.5

＝0.423

8)计算逆坡段毛管灌水器个数N^up

$N^{\mathrm{up}}\widetilde{=}\mathrm{BMP}·N=0.423\times 400=169.2\Rightarrow N^{\mathrm{up}}=169$

9)计算逆坡段毛管长度L^up

L^up＝(N^up-0.5)s_e＝(169-0.5)×0.3＝50.55  (m)

10)计算灌水器工作压力h_d

$h_d={\left(\frac{q_d}{k}\right)}^{1/x}={\left(\frac{2.2}{0.594}\right)}^{1/0.592}\widetilde{=}9.13\left(m\right)$

11)利用式(5)和(8)分别计算双向毛管进口工作压力计算参数α和最小工作压力计 算参数β

α＝-0.017J³-0.0278J²+0.0028J+0.1087

＝-0.017×0.183³-0.0278×0.183²+0.0028×0.183+0.1087

＝0.108

β＝-0.1316J²+0.1547J+0.0399

＝-0.1316×0.183²+0.1547×0.183+0.0399

＝0.064

12)利用式(3)和(6)分别计算双向毛管进口工作压力h₀和最小工作压力h_min

h₀＝h_d+αΔH_F＝9.13+0.108×6.525＝9.83  (m)

h_min＝h_d-βΔH_F＝9.13-0.064×6.525＝8.71  (m)

13)利用式(11)(14)和(18)分别计算双向毛管灌水均匀度计算参数λ_CVqh，λ_qhv和λ_DUh

λ_CVqh＝0.0182J³+0.0677J²-0.0399J+0.0453

＝0.0182×0.183³+0.0677×0.183²-0.0399×0.183+0.0453

＝0.040

λ_qhv＝-0.1759×J²+0.1615×J+0.1485

＝-0.1759×0.183²+0.1615×0.183+0.1485

＝0.172

λ_DUh＝0.0245J³+0.0286J²+0.0055J+0.0383

＝0.0245×0.183³+0.0286×0.183²+0.0055×0.183+0.0383

＝0.040

14)利用式(9)(12)(15)和(16)分别计算双向毛管灌水均匀度评价指标CV_qh，q_hv， EU_h和DU_h

${\mathrm{CV}}_{\mathrm{qh}}={\lambda }_{\mathrm{CVqh}}\frac{{\mathrm{x\Delta H}}_F}{h_d}=0.040\times \frac{0.592\times 6.525}{9.13}=0.017$

$q_{\mathrm{hv}}={\lambda }_{\mathrm{qhv}}\frac{{\mathrm{x\Delta H}}_F}{h_d}=0.172\times \frac{0.592\times 6.525}{9.13}=0.073$

${\mathrm{EU}}_h={(1-\beta \frac{{\mathrm{\Delta H}}_F}{h_d})}^x={(1-0.063\times \frac{6.525}{9.13})}^{0.592}=0.973$

${\mathrm{DU}}_h={(1-{\lambda }_{\mathrm{DUh}}\frac{{\mathrm{\Delta H}}_F}{h_d})}^x={(1-0.04\times \frac{6.525}{9.13})}^{0.592}=0.983$

为了进一步比较和验证本发明公开方法的设计结果，申请人还计算了两种代表性方法 Keller方法(1990)和王新坤方法(2007)的设计结果，见表1。

表1.双向微灌毛管水力设计结果对比

设计实例2

已知资料：毛管管径D＝16mm，灌水器间距s_e＝0.3m，支管位于两个灌水器中间，地 形坡度S₀＝0.01，灌水器设计流量q_d＝2.2L/h，灌水器压力流量关系为q＝0.594h^0.592。灌水 均匀度设计标准为流量偏差率[q_hv]＝0.20。管材水头损失计算系数K＝0.505，m＝1.75，b＝ 4.75，局部水头损失扩大系数F_s＝1.1。计算满足灌水器设计流量的双向微灌毛管极限管长， 最佳支管位置，毛管进口工作压力和最小工作压力。

由于灌水均匀度设计标准为流量偏差率q_hv，因此选用式(14)设计双向微灌毛管的极限 管长。发明人利用编制的Excel表格进行设计，将结果汇总如下：

1)双向微灌毛管设计极限管长L_max＝177.0(m)；

2)双向微灌毛管最佳支管位置设计参数BMP＝0.460；

3)双向微灌毛管逆坡段长L^up＝81.45(m)；

4)双向微灌毛管进口工作压力h₀＝11.21(m)；

5)双向微灌毛管最小工作压力h_min＝8.12(m)；

6)双向微灌毛管灌水均匀度评价指标q_hv＝0.200，CV_qh＝0.052，EU_h＝0.933，DU_h＝0.951。

设计实例3

已知资料：毛管管长L＝119.7m，灌水器间距s_e＝0.3m，支管位于两个灌水器中间，地 形坡度S₀＝0.01，灌水器设计流量q_d＝2.2L/h，灌水器压力流量关系为q＝0.594h^0.592。灌水 均匀度设计标准为流量偏差系数[CV_qh]＝0.07。管材水头损失计算系数K＝0.505，m＝1.75， b＝4.75，局部水头损失扩大系数F_s＝1.1。计算满足灌水器设计流量的双向微灌毛管最小管 径，最佳支管位置，毛管进口工作压力和最小工作压力。

由于灌水均匀度设计标准为流量偏差系数CV_qh，因此选用式(17)设计双向微灌毛管的 最小管径。发明人利用编制的Excel表格进行设计，将结果汇总如下：

1)双向微灌毛管设计最小管径D_min＝12.09(mm)；

2)双向微灌毛管最佳支管位置设计参数BMP＝0.480；

3)双向微灌毛管逆坡段长L^up＝57.45(m)；

4)双向微灌毛管进口工作压力h₀＝11.82(m)；

5)双向微灌毛管最小工作压力h_min＝7.97(m)；

6)双向微灌毛管灌水均匀度评价指标CV_qh＝0.070，q_hv＝0.250，EU_h＝0.923，DU_h＝0.937。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更 改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。