一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法，包括以下步骤：（1）灌溉系统布置；（2）分析给水栓的允许工作压力；（3）作物灌溉制度的拟定；（4）随机灌溉工作制度拟定；（5）数学模型构建；（6）模型求解，以最大工作流量进行管径优化，以最小工作流量进行校核，获得最优管径组合及满足随机灌溉工作制度的水泵变速调节范围；通过本发明专利技术，本发明专利技术对提高经济作物管道灌区灌溉工程设计水平，减少工程投资，降低运行费用，使工程可持续的发挥效益具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法
本专利技术属于农田水利工程
，涉及经济作物小型机电管道灌区多模式灌溉系统设计方法，具体的说是为了满足灌区种植结构调整，提供一种满足不同经济作物田间灌水方式(滴灌、微喷灌、小管出流等)，即，一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法，能够实现随机灌溉的系统优化设计方法。
技术介绍
随着我国经济社会的发展，水资源的战略性地位日渐重要，发展喷微灌等高效节水灌溉已经成为缓解水资源紧缺矛盾的战略选择，能有效提高水资源的利用率。目前在设施农业等经济作物种植区普遍推广喷微灌技术，灌水方式需满足作物种植结构调整，为此需建设满足田间配水需求的多模式灌溉系统。对于大户种植、作物品种较单一的灌区，可按拟定的轮灌工作制度实施灌溉，而对于多农户分散种植、作物品种丰富、灌水无序的灌区，可采用变频恒压变量供水，实现随机灌溉。对此类小型机电灌溉管道系统，针对多模式灌溉系统随机灌溉的要求，筛选给水栓工作压力范围，确定变频调节范围，对灌溉输配水管网进行优化，是多模式灌溉系统设计中需要解决的关键技术问题。
技术实现思路
专利技术的目的：本专利技术针对设施农业等经济作物种植区灌溉系统，考虑满足不同作物田间灌水需求，提出一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法，可实现经济作物小型机电管道灌区多模式灌溉系统的优化设计，对提高该类灌区灌溉工程设计水平，减少工程投资，降低运行费用，使工程可持续的发挥效益具有重要意义。本专利技术的目的是这样实现的，一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)灌溉系统布置，根据灌区水源、地形、田块规格、作物品种、种植情况，确定灌溉泵站位置、输配水管网、田间给水栓及毛管布局；(2)分析给水栓的允许工作压力，为了适应多模式灌溉要求，给水栓的供水压力必须同时满足滴灌、微喷、小管出流灌水器的工作压力；(3)作物灌溉制度的拟定，根据《微灌工程设计规范GB/T50485-2009》拟定作物灌溉制度，包括灌水定额、灌水周期、一次灌水延续时间；(4)随机灌溉工作制度拟定，初步拟定系统中同时工作的给水栓数上下限，上限值根据生产需要确定，对应的流量为系统最大工作流量Qmax；下限值以水泵变频调速安全运行为准则确定，对应的流量为系统最小工作流量Qmin；(5)数学模型构建，以输配水管道管径为决策变量，以管网年费用最省为目标函数，以满足多模式灌溉要求的给水栓工作压力、给水栓工作压力差、水泵变速调节范围、管道标准管径为约束条件，建立经济作物多模式灌溉管道系统管网优化模型；(6)模型求解，以最大工作流量进行管径优化，以最小工作流量进行校核，获得最优管径组合及满足随机灌溉工作制度的水泵变速调节范围；所述步骤(2)，具体步骤如下：1)统计分析市场上供给充足的各种滴灌、微喷、小孔出流微灌系统灌水器的工作参数；2)在不同作物田间毛管及给水栓布置模式下，分别按滴灌、微喷和小孔出流灌溉方式，选用不同的灌水器，由末端灌水器自下而上推求给水栓工作压力，得到不同作物不同灌溉方式下给水栓工作压力范围；3)根据计算所得的各种灌溉方式下给水栓压力范围，取其交集作为多模式灌溉给水栓允许的工作压力范围及在此压力范围的灌水器；所述步骤(5)，具体步骤如下：目标函数：以干管和支管的管径D干、D支为决策变量，以系统年费用W最小为目标函数，多模式灌溉系统采用恒压变量供水，因此目标函数可以简化为管网造价最低，即：式中：f(D干i)、f(D支j)分别为第i段干管和第j段支管的单价，元/m；D干i、l干i分别为第i段干管管径(mm)和长度(m)；D支j、l支j分别为第j条支管管径(mm)和长度(m)；n、m分别为干管和支管的管段数；约束条件：1)给水栓工作压力约束；给水栓的设计工作压力由末端灌水器自下而上推求：hg＝ha+hb+ΔZ式中：hg为给水栓的设计工作压力，m；ha为灌水器的设计工作压力，m；hb为给水栓控制范围内离给水栓最远的灌水器至给水栓的水头损失，m；ΔZ为离给水栓最远的灌水器与给水栓的高差，m；根据种植区地形条件、毛管和灌水器布置情况及不同灌水器的设计工作压力，可以得到满足多模式灌溉要求的给水栓工作压力范围[hgmin，hgmax]；当水泵型号已经确定，系统中第i个给水栓的实际工作压力由水泵自上而下推求：Hgi＝HP-ΔZ'-h0-h′b式中：hgi为给水栓的实际工作压力，m；HP为水泵的工作压力；ΔZ'为水源水位与第i个给水栓的高差，m；h0为首部枢纽的局部水头损失，m；h′b为管道首端至第i个给水栓的水头损失，m；根据多模式灌溉系统的要求，得出系统任一给水栓必须满足的工作压力约束为：hgmin≤Hgi≤hgmax2)给水栓工作压力差约束；为了满足正常灌溉时系统的压力均衡，同时工作的给水栓出水口之间的工作压力差Δh一般控制在给水栓设计工作压力的20％，据此可以得出同时工作的任意两个给水栓之间的工作压力差约束为：Δh≤0.2hg3)水泵变频调速约束；系统采用变频恒压供水技术，实现随机灌溉，即要满足水泵安全运行，又要满足随机灌溉工作制度要求，水泵变频调速应同时满足以下两个约束：一是为保证水泵安全运行，水泵额定转速记为np，在采用变频调节时，实际转速n要满足下式要求：0.7np≤n≤1.05np二是满足系统随机灌溉要求，系统以最大流量工作时，水泵转速记为n(Qmax，Hmax)，以最小流量工作时，水泵转速记为n(Qmin，Hmin)；水泵运行时转速调节范围应满足：n(Qmin，Hmin)≤n≤n(Qmax，Hmax)4)管径规格约束；干、支管道规格必须为标准管径，且满足干管管径大于支管管径，即得出管径规格约束：D干≥D支5)非负约束；任意管径满足如下的非负约束：D干＞0，D支＞0。1)为了满足作物种植结构的调整，多模式灌溉管道系统需要满足不同经济作物滴灌、微喷、小孔出流田间灌水方式，因此系统必须保证给水栓工作压力在一定的范围，满足给水栓工作压力约束，在此基础上选择合适的灌水器；2)系统采用变频恒压供水技术，实现随机灌溉，即要满足水泵安全运行，又要满足随机灌溉工作制度要求，必须满足水泵变频调速约束。所述步骤(6)具体步骤如下：1)在管网布局、管道材质已定的条件下，以最大工作流量按经济流速法初步选择管径和水泵型号；2)以经济管径为中心进行离散，列出所有可能的管径组合，要求必须满足管径规格和非负约束；3)在各管径组合的管网系统中，计算管网首部工作压力、给水栓实际工作压力，以及同时工作的给水栓工作压力差，判断是否满足工作压力约束和工作压力差约束；4)筛选出满足所有约束条件的管径组合作为备选优化方案；5)对所有的备选优化方案，计算水泵所需扬程，校核已选水泵是否满足其所需扬程，判断水泵在此恒定压力下通过调节转速，是否满足随机灌溉的流量要求；如果满足，选择其中管网投资最小的优化方案作为最终的优化结果，其投资即为输水管网最小投资费用；如果不满足，重新选择水泵，重复上述步骤1)～5)；6)以最小工作流量进行校核，判断系统在最小工作流量下运行时，水泵转速是否在水泵安全运行范围内，若符合即得到优化结果，若不符合，可改变工作制度，调整同时开启给水栓数上下限，重新选择水泵，重复1)～5)；7)获得最优管径组合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)灌溉系统布置，根据灌区水源、地形、田块规格、作物品种、种植情况，确定灌溉泵站位置、输配水管网、田间给水栓及毛管布局；(2)分析给水栓的允许工作压力，为了适应多模式灌溉要求，给水栓的供水压力必须同时满足滴灌、微喷、小管出流灌水器的工作压力；(3)作物灌溉制度的拟定，根据《微灌工程设计规范GB/T 50485‑2009》拟定作物灌溉制度，包括灌水定额、灌水周期、一次灌水延续时间；(4)随机灌溉工作制度拟定，初步拟定系统中同时工作的给水栓数上下限，上限值根据生产需要确定，对应的流量为系统最大工作流量Qmax；下限值以水泵变频调速安全运行为准则确定，对应的流量为系统最小工作流量Qmin；(5)数学模型构建，以输配水管道管径为决策变量，以管网年费用最省为目标函数，以满足多模式灌溉要求的给水栓工作压力、给水栓工作压力差、水泵变速调节范围、管道标准管径为约束条件，建立经济作物多模式灌溉管道系统管网优化模型；(6)模型求解，以最大工作流量进行管径优化，以最小工作流量进行校核，获得最优管径组合及满足随机灌溉工作制度的水泵变速调节范围；所述步骤(2)，具体步骤如下：1)统计分析市场上供给充足的各种滴灌、微喷、小孔出流微灌系统灌水器的工作参数；2)在不同作物田间毛管及给水栓布置模式下，分别按滴灌、微喷和小孔出流灌溉方式，选用不同的灌水器，由末端灌水器自下而上推求给水栓工作压力，得到不同作物不同灌溉方式下给水栓工作压力范围；3)根据计算所得的各种灌溉方式下给水栓压力范围，取其交集作为多模式灌溉给水栓允许的工作压力范围及在此压力范围的灌水器；所述步骤(5)，具体步骤如下：目标函数：以干管和支管的管径D干、D支为决策变量，以系统年费用W最小为目标函数，多模式灌溉系统采用恒压变量供水，因此目标函数可以简化为管网造价最低，即：...

【技术特征摘要】
1.一种经济作物多模式随机灌溉管道系统优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)灌溉系统布置，根据灌区水源、地形、田块规格、作物品种、种植情况，确定灌溉泵站位置、输配水管网、田间给水栓及毛管布局；(2)分析给水栓的允许工作压力，为了适应多模式灌溉要求，给水栓的供水压力必须同时满足滴灌、微喷、小管出流灌水器的工作压力；(3)作物灌溉制度的拟定，根据《微灌工程设计规范GB/T50485-2009》拟定作物灌溉制度，包括灌水定额、灌水周期、一次灌水延续时间；(4)随机灌溉工作制度拟定，初步拟定系统中同时工作的给水栓数上下限，上限值根据生产需要确定，对应的流量为系统最大工作流量Qmax；下限值以水泵变频调速安全运行为准则确定，对应的流量为系统最小工作流量Qmin；(5)数学模型构建，以输配水管道管径为决策变量，以管网年费用最省为目标函数，以满足多模式灌溉要求的给水栓工作压力、给水栓工作压力差、水泵变速调节范围、管道标准管径为约束条件，建立经济作物多模式灌溉管道系统管网优化模型；(6)模型求解，以最大工作流量进行管径优化，以最小工作流量进行校核，获得最优管径组合及满足随机灌溉工作制度的水泵变速调节范围；所述步骤(2)，具体步骤如下：1)统计分析市场上供给充足的各种滴灌、微喷、小孔出流微灌系统灌水器的工作参数；2)在不同作物田间毛管及给水栓布置模式下，分别按滴灌、微喷和小孔出流灌溉方式，选用不同的灌水器，由末端灌水器自下而上推求给水栓工作压力，得到不同作物不同灌溉方式下给水栓工作压力范围；3)根据计算所得的各种灌溉方式下给水栓压力范围，取其交集作为多模式灌溉给水栓允许的工作压力范围及在此压力范围的灌水器；所述步骤(5)，具体步骤如下：目标函数：以干管和支管的管径D干、D支为决策变量，以系统年费用W最小为目标函数，多模式灌溉系统采用恒压变量供水，因此目标函数可以简化为管网造价最低，即：式中：f(D干i)、f(D支j)分别为第i段干管和第j段支管的单价，元/m；D干i、l干i分别为第i段干管管径(mm)和长度(m)；D支j、l支j分别为第j条支管管径(mm)和长度(m)；n、m分别为干管和支管的管段数；约束条件：1)给水栓工作压力约束；给水栓的设计工作压力由末端灌水器自下而上推求：hg＝ha+hb+ΔZ式中：hg为给水栓的设计工作压力，m；ha为灌水器的设计工作压力，m；hb为给水栓控制范围内离给水栓最远的灌水器至给水栓的水头损失，m；ΔZ为离给水栓最远的灌水器与给水栓的高差，m；根据种植区地形条件、毛管和灌水器布置情况及不同灌水器的设计工作压力，可以得到满足多模式灌溉要求的给水栓工作压力范围[hgmin，hgmax]；当水泵型号已经确定，系统中第i个给水栓的实际工作压力由水泵自上而下推求：Hgi＝HP-ΔZ'-h0-h′b式中：hgi为给水栓的实际工作压力，m；HP为水泵的工作压力；ΔZ'为水源水位与第i个给水栓的高差，m；h0为首部枢纽的局部...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋晓红，程吉林，汪靓，何莲莲，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32