不同规模灌溉管网优化设计

文章编号:１００７￣２２８４(２０１９)０５￣０１０１￣０６不同规模灌溉管网优化设计仵峰１ꎬ２ꎬ王宇璨１ꎬ２ꎬ宰松梅１ꎬ２ꎬ刘群昌３(１.华北水利水电大学水利学院ꎬ郑州４５００４５ꎻ２.河南省节水农业重点实验室ꎬ郑州４５００４６ꎻ３.中国水利水电科学研究院水利研究所ꎬ北京１０００４８)摘要:管网布置和管径组合是灌溉管网优化的２个主要方面ꎬ直接关系到灌溉工程的投资和运行ꎮ分析了管段流量、管道内径和管网投资随管网规模的变化情况ꎬ并以“丰”字形和“π”形布置为例ꎬ分析了管网布置形式、管径计算方法和灌水时长对管网投资的影响ꎮ结果表明:①管段流量与管网规模呈二次函数关系ꎬ管道内径与管网规模呈幂函数关系ꎬ单位面积上的基建费和年费用与管网规模呈幂函数关系ꎬ年运行费与管网规模呈二次函数关系ꎬ各项费用都随灌水时长的增加而降低ꎻ②“π”形布置适用于管网规模８ｈｍ２以上的情形ꎬ８ｈｍ２以下时２种布置形式均可ꎮ③计算管径时ꎬ为了节省基建费不宜采用经济流速法ꎬ为了节省运行费不宜采用求导法ꎬ以年费用最低为目标时ꎬ管网规模在２ｈｍ２以下时采用经济流速法ꎬ２~８００ｈｍ２时采用经验公式法ꎬ８００~３２００ｈｍ２时采用求导法ꎮ关键词:灌溉管网ꎻ规模ꎻ布置ꎻ管径计算ꎻ灌水时长ꎻ投资中图分类号:Ｓ２７４.２文献标识码:ＡＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＰｉｐｅＮｅｔｗｏｒｋｕｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＳｃａｌｅｓＷＵＦｅｎｇ１ꎬ２ꎬＷＡＮＧＹｕ网优化研究为其设计的关键ꎮ管网优化包括布置优化和管径优化ꎮ管网布置优化分为骨干输水管网和田间配水管网的优化ꎮ骨干输水管网优化是在水源和各取水点位置已定的情况下ꎬ以总管长最小或投资最少等为目标ꎬ寻求水源与各取水点之间的连接方式ꎻ田间配水管网系统由干管(分干管)、支管、毛管组成ꎬ其优化主要是选择合适的布置形式和管道组合ꎻ管径优化是在确定了管网布置的基础上ꎬ根据灌溉制度确定管道流量从而选择管径ꎮ早期ꎬ国外管网布置优化多采用动态规划法ꎬ后通过矢量法进行改进ꎮ联合国粮农组织(１９９２)主张用近邻规划、１２０度规划和单位矢量修正分三步进行优化ꎮ国内魏永曜等[２]引入图论中的最小生成树ꎬ使连成的管网总长度最短ꎻ林性粹等[３]提出用正交表寻求管网最优布置方案ꎮ管径优化常用的方法有微分法[４]、线性规划法[５]、非线性规划法[６]和动态规划法[７]ꎮ近年ꎬ智能算法的出现使得最优化问题得到了更好的解决ꎬ如人工神经网络[８]、遗传算法[９]、粒子群算法[１０]、和声算法[１１]等ꎮ随着智能算法的不断改进ꎬ优化目标也从单一目标向多目标转变ꎮＭｏｈａｍｍａｄＭａｓｏｕｍｉ等[１２]采用最大最小蚂蚁系统算法ꎬ同时达到管网布置和管径组合两个优化目标ꎻＭｏ￣ｈａｍｍａｄＪａｖａｄＭｏｎｅｍ等[１３]提出一种新型粒子群法对管网布置进行优化ꎬ管径优化采用改进的Ｌａｂｙｅ迭代不连续法ꎮ同时ꎬ一些新的评价标准也相继出现ꎬ如灌水均匀度、单位面积费用[１４]、管网可靠性[１５]、经济利润最大化[１６]等ꎮ上述研究中ꎬ都只适用于布置形式和灌溉面积已定的情况ꎬ针对此ꎬ李援农等[１７]建立了不限定管网系统面积情形下田间管网优化模型ꎬ提出将一个大型系统规划为若干个独立的小系统ꎬ先确定小系统的形状、规模ꎬ再以此为基础确定骨干管网的形式与规模ꎬ所以首先应确定各级系统的管网布置形式ꎮ管网布置形式主要包括树状管网和环状管网ꎬ灌溉管网常用树状管网ꎮ树状管网最常用的有“丰”字形布置和“π”形布置ꎬ比较适合于田块形状趋近正方形的情形ꎬ而当控制面积较大时ꎬ可使用扩大的“丰”字形和“π”形来进行管网布置ꎮ如文献[１８]提出的田间管网优化模型ꎬ水源、输水干管和分干管采用了“丰”字形布置ꎬ分干管和支管采用“π”形布置ꎬ支管和毛管采用了“丰”字形布置ꎮ因此ꎬ一个完整的灌溉管网系统可以视为不同长度尺度下２种布置方式的组合ꎮ布置形式确定后进行管径优化ꎬ管径计算方法主要有求导法、经济流速法、经验公式法ꎬ同时还受一次灌水时长的影响ꎮ本文主要对不同规模管网的流量、管径及投资的变化情况进行研究ꎬ并比较其布置形式、管径计算方法和一次灌水时长对投资的影响ꎮ１材料与方法１.１管网布置某灌区由８块边长为Ｌ的正方形小区组成ꎬ水源位于短边中点ꎮ以“丰”字形和“π”形布置为例ꎬ如图１所示ꎮ１.２管径确定１.２.１管径计算方法(１)求导法ꎮ对于某一管段ꎬ当管道压力和流量一定时ꎬ管图１典型布置方案Ｆｉｇ.１Ｔｙｐｉｃａｌｌａｙｏｕｔ径增大ꎬ管道流速减小ꎬ水头损失减小ꎬ运行费降低ꎬ但基建费增大ꎻ管径减小ꎬ管道流速增大ꎬ水头损失增大ꎬ运行费增加ꎬ但管材基建费降低ꎮ在不考虑约束条件下时ꎬ对年费用求导ꎬ可以发现目标函数存在极小值ꎬ令ƏＷƏＤｊ＝０ꎬ则可计算经济管径ꎮＤｊ＝ｂβＥＱＴｆｑｍｊ７３４.４η(α＋ｐ