新低压滴灌系统滴头工作压力与毛管优化设计方法技术方案

本发明专利技术涉及新低压滴灌系统滴头工作压力与毛管优化设计，提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影响下的灌水均匀度公式；以毛管年费用为目标函数，以三因素影响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，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束，利用Ｐｏｗｅｌｌ法进行二元函数优化，得到非标准的毛管直径和滴头设计工作压力；选择具有标准管径毛管，使标准管径不小于初步优化得到的管径、毛管耐压不小于初步计算的毛管实际最大水压力，以滴头设计工作压力为决策变量，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Ｐｏｗｅｌｌ法进行一元函数最优化，得到直接用于滴灌工程中的滴头设计工作压力值，并设计具有标准管径的毛管。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于农业灌溉
，涉及滴灌工程的设计方法，特别涉及滴灌滴头的工作压力优化设计与毛管设计的方法。
技术介绍
灌水均匀程度是衡量微灌系统灌水质量的重要指标，在设计中通过限定滴头流量偏差率来保证，影响系统流量偏差率的因素主要有水力偏差、灌水器制造偏差、田面平整度、滴头堵塞状况、计算公式的精度、灌水器的布置形式与组合等，在公式中尽可能全面地将其影响因素考虑在内，可减小设计值与实际值的差距。目前的微灌工程技术规范(SL103-95)中，仅考虑水力偏差对灌水均匀度的影响，而忽略了其它因素的影响，因此均匀度设计值和实际值差距较大。截至2003年，国内外的研究人员在滴灌设计中，仅考虑水力学偏差和灌水器制造偏差对灌水均匀度的影响，不考虑田面微地形对滴灌系统的影响。中国专利申请03134406.2，(专利技术人张国祥等)公开了一种新低压滴灌系统的构建方法，该方法首次提出了影响灌水均匀度的另一因素----田面局部高差，并提出计算田面高差流量偏差率计算公式qzv=ΔZ·xHd,]]>式中qzv-田面高差流量偏差率，也称田面微地形流量偏差率，％；ΔZ-田面局部高差，m；x-滴头的流态指数；Hd-滴头设计工作压力，m。田面微地形流量偏差率qzv作为总流量偏差率的一部分，实际上是未知量，方法中提出“暂可取[qzv]＝0.05，还应根据经济性对其取值做进一步论证”；通过系统经济性分析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作优化分配，才能确定田面微地形流量偏差率qzv，当qzv为确定值时，滴头工作压力也被唯一地确定。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述的这一问题展开研究，首先提出水力因素、制造因素、微地形因素影响下灌水均匀度计算公式；然后建立滴头工作压力和毛管优化设计模型，借助于计算机优化理论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作优化分配，进而完成滴头工作压力和毛管优化设计。为了实现上述任务，本专利技术采取的技术方案是首先提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影响下的灌水均匀度公式；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，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Powell法进行二元函数最优化，得到非标准的毛管直径和滴头设计工作压力；选择具有标准管径的毛管，使标准管径不小于初步优化得到的管径、毛管耐压不小于初步计算的毛管实际最大水压力，以滴头设计工作压力为决策变量，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Powell法进行一元函数最优化，得到可直接用于实际滴灌工程中的滴头设计工作压力值，并设计出具有标准管径的毛管。方法包括下列步骤1)滴灌灌水均匀度用如下公式计算Cu=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ·xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2]]>式中Cu为灌水均匀度；qhv为水力流量偏差率；Cmv为灌水器制造流量偏差系数；ΔZ为田面最大局部高差，单位m；x为灌水器流态指数；Hd为滴头设计工作压力，单位m；2)根据上述灌水均匀度计算公式，建立滴灌滴头工作压力与毛管优化设计模型A.初步优化设计模型为最小目标函数W(D，Hd)＝K1.D2.Hmax2+2σ.K1.D2.r-1Hmax+2.777×10-6E.T.Q.Hmax其中K1=1×10-6×π.r2.C.L.4σ2·t]]>约束条件g(D,Hd)=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2-[Cu]≥0]]>式中W为毛管年费用，单位元；Hmax为毛管承受最大水压力，m；C为毛管材料单价，单位元/m3；E为电费，单位元/KW.h；T为毛管年工作小时数，单位h；Q为毛管进口流量，单位L/h；t为毛管折算年限，单位年；e为毛管壁厚，单位mm；D为毛管内径，单位mm；L为毛管长度，单位m；σ为管道允许拉应力，单位KN/m2；γ为水的容重，单位KN/m3；[Cu]为滴灌灌水允许均匀度；通过初步优化设计，计算出毛管直径和滴头工作压力，由于该毛管直径为非标准管径，不能直接用于工程施工，还需经过二次优化对管径标准化，并重新计算相应于标准管径的滴头工作压力；B.二次优化设计模型为最小目标函数W(Hd)＝K1.Ds2.[H]2+2σ.K1.Ds2.r-1.[H]+2.777×10-6E.T.Q.Hmax约束条件 g1(Hd)=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2-[Cu]≥0]]>式中Ds为毛管标准管径，单位mm；[H]为毛管耐压，单位m；Ds应选择大于或等于初设管径的标准管径，管材耐压[H]应大于初步优化的毛管最大水压力；3)将上述优化模型编制计算程序，利用Powell方向加速法求解模型，即可完成滴头设计工作压力优化计算并设计出具有标准管径的毛管。采用本专利技术所带来的技术效果是(1)提出了滴灌灌水均匀度公式；(2)改变了滴灌设计理念，传统设计方法中，滴头设计工作压力参照滴头额定工作压力随意选定，在设计过程中被当作固定值；而在新方法中，它被当作决策变量，经优化计算得到，设计者应根据滴头的设计工作压力选择滴头，使滴头的额定工作压力与设计工作压力相匹配。本专利技术中的公式有利于更新滴灌设计规范；(3)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，由于“新低压滴灌系统的构建”思路被张国祥等初次提出，目前，市场上缺乏低压滴头，本专利技术为低压滴头的开发提供了有效的设计方法。(4)经验证，利用该方法设计的毛管与常规滴灌毛管相比，年费用降低22％。为降低滴灌系统造价找到了突破口。附图说明图1是滴头设计工作压力计算及毛管设计界面图。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。具体实施例方式依照上述技术解决方案首先提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影响下的灌水均匀度计算公式，在此基础上建立滴头设计工作压力及毛管设计优化模型，然后利用Viaul-Basic语言编制程序完成滴头设计工作压力计算和毛管优化设计。(一)提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影响下灌水均匀度计算公式Cu=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2---(1)]]>式中Cu为灌水均匀度；qhv为水力流量偏差率；Cmv为灌水器制造流量偏差系数；ΔZ为田面最大局部高差，单位m；x为灌水器流态指数；Hd为滴头设计工作压力，单位m；(二)提出毛管年费用计算公式并建立滴头设计工作压力计算及毛管设计的二级优化模型1、毛管年费用计算公式毛管年费用主要包括材料投资和年运行费，当毛管耐压等级未知时，毛管年费用计算公式如本文档来自技高网...

【技术保护点】
新低压滴灌系统滴头工作压力与毛管优化设计方法，其特征在于，首先提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影响下的灌水均匀度公式；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，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Ｐｏｗｅｌｌ法进行二元函数最优化，得到非标准的毛管直径和滴头设计工作压力；选择具有标准管径的毛管，使标准管径不小于初步优化得到的管径、毛管耐压不小于初步计算的毛管实际最大水压力，以滴头设计工作压力为决策变量，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Ｐｏｗｅｌｌ法进行一元函数最优化，得到可直接用于实际滴灌工程中的滴头设计工作压力值，并设计出具有标准管径的毛管。

【技术特征摘要】
1.新低压滴灌系统滴头工作压力与毛管优化设计方法，其特征在于，首先提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影响下的灌水均匀度公式；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，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Powell法进行二元函数最优化，得到非标准的毛管直径和滴头设计工作压力；选择具有标准管径的毛管，使标准管径不小于初步优化得到的管径、毛管耐压不小于初步计算的毛管实际最大水压力，以滴头设计工作压力为决策变量，用外部罚函数法将不等式约束变为无约束问题，利用Powell法进行一元函数最优化，得到可直接用于实际滴灌工程中的滴头设计工作压力值，并设计出具有标准管径的毛管。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法具体包括下列步骤1)滴灌灌水均匀度用如下公式计算Cu=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2]]>式中Cu为灌水均匀度；qhv为水力流量偏差率；Cmv为灌水器制造流量偏差系数；ΔZ为田面最大局部高差，单位m；x为灌水器流态指数；Hd为滴头设计工作压力，单位m；2)根据上述灌水均匀度计算公式，建立滴头工作压力与毛管优化设计模型A.初步优化设计模型为最小目标函数W(D，Hd)＝K1.D2.Hmax2+2σ.K1.D2.r-1Hmax+2.777×10-6E.T.Q.Hmax其中K1=1×10-6×π.r2.C.L.4σ2.t]]>约束条件g(D,Hd)=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2-[Cu]≥0]]>式中W为毛管年费用，元；C为毛管材料单价，单位元/m3；E为电费，单位元/KW.h；T为毛管年工作小时数，单位h；Q为毛管进口流量，单位L/h；t为毛管折算年限，单位年；e为毛管壁厚，单位mm；D为毛管内径，单位mm；L为毛管长度，单位m；σ为管道允许拉应力，单位KN/m2；γ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德兰，吴发启，肖南颖，张青峰，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：61[中国|陕西]