新低壓滴灌系統(tǒng)滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)涉及新低壓滴灌系統(tǒng)滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計，提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影響下的灌水均勻度公式；以毛管年費用為目標(biāo)函數(shù)，以三因素影響的灌水均勻度為約束條件，以毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束，利用Ｐｏｗｅｌｌ法進行二元函數(shù)優(yōu)化，得到非標(biāo)準(zhǔn)的毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力；選擇具有標(biāo)準(zhǔn)管徑毛管，使標(biāo)準(zhǔn)管徑不小于初步優(yōu)化得到的管徑、毛管耐壓不小于初步計算的毛管實際最大水壓力，以滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Ｐｏｗｅｌｌ法進行一元函數(shù)最優(yōu)化，得到直接用于滴灌工程中的滴頭設(shè)計工作壓力值，并設(shè)計具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于農(nóng)業(yè)灌溉
，涉及滴灌工程的設(shè)計方法，特別涉及滴灌滴頭的工作壓力優(yōu)化設(shè)計與毛管設(shè)計的方法。
技術(shù)介紹
灌水均勻程度是衡量微灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，在設(shè)計中通過限定滴頭流量偏差率來保證，影響系統(tǒng)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、滴頭堵塞狀況、計算公式的精度、灌水器的布置形式與組合等，在公式中盡可能全面地將其影響因素考慮在內(nèi)，可減小設(shè)計值與實際值的差距。目前的微灌工程技術(shù)規(guī)范(SL103-95)中，僅考慮水力偏差對灌水均勻度的影響，而忽略了其它因素的影響，因此均勻度設(shè)計值和實際值差距較大。截至2003年，國內(nèi)外的研究人員在滴灌設(shè)計中，僅考慮水力學(xué)偏差和灌水器制造偏差對灌水均勻度的影響，不考慮田面微地形對滴灌系統(tǒng)的影響。中國專利申請03134406.2，(專利技術(shù)人張國祥等)公開了一種新低壓滴灌系統(tǒng)的構(gòu)建方法，該方法首次提出了影響灌水均勻度的另一因素----田面局部高差，并提出計算田面高差流量偏差率計算公式qzv=ΔZ·xHd,]]>式中qzv-田面高差流量偏差率，也稱田面微地形流量偏差率，％；ΔZ-田面局部高差，m；x-滴頭的流態(tài)指數(shù)；Hd-滴頭設(shè)計工作壓力，m。田面微地形流量偏差率qzv作為總流量偏差率的一部分，實際上是未知量，方法中提出“暫可取[qzv]＝0.05，還應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟性對其取值做進一步論證”；通過系統(tǒng)經(jīng)濟性分析對總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間作優(yōu)化分配，才能確定田面微地形流量偏差率qzv，當(dāng)qzv為確定值時，滴頭工作壓力也被唯一地確定。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)正是針對上述的這一問題展開研究，首先提出水力因素、制造因素、微地形因素影響下灌水均勻度計算公式；然后建立滴頭工作壓力和毛管優(yōu)化設(shè)計模型，借助于計算機優(yōu)化理論對總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間作優(yōu)化分配，進而完成滴頭工作壓力和毛管優(yōu)化設(shè)計。為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本專利技術(shù)采取的技術(shù)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響下的灌水均勻度公式；以毛管年費用為目標(biāo)函數(shù)，以三因素影響下的灌水均勻度為約束條件，以毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Powell法進行二元函數(shù)最優(yōu)化，得到非標(biāo)準(zhǔn)的毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力；選擇具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管，使標(biāo)準(zhǔn)管徑不小于初步優(yōu)化得到的管徑、毛管耐壓不小于初步計算的毛管實際最大水壓力，以滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Powell法進行一元函數(shù)最優(yōu)化，得到可直接用于實際滴灌工程中的滴頭設(shè)計工作壓力值，并設(shè)計出具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管。方法包括下列步驟1)滴灌灌水均勻度用如下公式計算Cu=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ·xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2]]>式中Cu為灌水均勻度；qhv為水力流量偏差率；Cmv為灌水器制造流量偏差系數(shù)；ΔZ為田面最大局部高差，單位m；x為灌水器流態(tài)指數(shù)；Hd為滴頭設(shè)計工作壓力，單位m；2)根據(jù)上述灌水均勻度計算公式，建立滴灌滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計模型A.初步優(yōu)化設(shè)計模型為最小目標(biāo)函數(shù)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]]>約束條件g(D,Hd)=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2-[Cu]≥0]]>式中W為毛管年費用，單位元；Hmax為毛管承受最大水壓力，m；C為毛管材料單價，單位元/m3；E為電費，單位元/KW.h；T為毛管年工作小時數(shù)，單位h；Q為毛管進口流量，單位L/h；t為毛管折算年限，單位年；e為毛管壁厚，單位mm；D為毛管內(nèi)徑，單位mm；L為毛管長度，單位m；σ為管道允許拉應(yīng)力，單位KN/m2；γ為水的容重，單位KN/m3；[Cu]為滴灌灌水允許均勻度；通過初步優(yōu)化設(shè)計，計算出毛管直徑和滴頭工作壓力，由于該毛管直徑為非標(biāo)準(zhǔn)管徑，不能直接用于工程施工，還需經(jīng)過二次優(yōu)化對管徑標(biāo)準(zhǔn)化，并重新計算相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)管徑的滴頭工作壓力；B.二次優(yōu)化設(shè)計模型為最小目標(biāo)函數(shù)W(Hd)＝K1.Ds2.[H]2+2σ.K1.Ds2.r-1.[H]+2.777×10-6E.T.Q.Hmax約束條件 g1(Hd)=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2-[Cu]≥0]]>式中Ds為毛管標(biāo)準(zhǔn)管徑，單位mm；[H]為毛管耐壓，單位m；Ds應(yīng)選擇大于或等于初設(shè)管徑的標(biāo)準(zhǔn)管徑，管材耐壓[H]應(yīng)大于初步優(yōu)化的毛管最大水壓力；3)將上述優(yōu)化模型編制計算程序，利用Powell方向加速法求解模型，即可完成滴頭設(shè)計工作壓力優(yōu)化計算并設(shè)計出具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管。采用本專利技術(shù)所帶來的技術(shù)效果是(1)提出了滴灌灌水均勻度公式；(2)改變了滴灌設(shè)計理念，傳統(tǒng)設(shè)計方法中，滴頭設(shè)計工作壓力參照滴頭額定工作壓力隨意選定，在設(shè)計過程中被當(dāng)作固定值；而在新方法中，它被當(dāng)作決策變量，經(jīng)優(yōu)化計算得到，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)滴頭的設(shè)計工作壓力選擇滴頭，使滴頭的額定工作壓力與設(shè)計工作壓力相匹配。本專利技術(shù)中的公式有利于更新滴灌設(shè)計規(guī)范；(3)通過滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計研究，從理論上說明滴頭的設(shè)計工作壓力可降低到3m以下，由于“新低壓滴灌系統(tǒng)的構(gòu)建”思路被張國祥等初次提出，目前，市場上缺乏低壓滴頭，本專利技術(shù)為低壓滴頭的開發(fā)提供了有效的設(shè)計方法。(4)經(jīng)驗證，利用該方法設(shè)計的毛管與常規(guī)滴灌毛管相比，年費用降低22％。為降低滴灌系統(tǒng)造價找到了突破口。附圖說明圖1是滴頭設(shè)計工作壓力計算及毛管設(shè)計界面圖。以下結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)作進一步的詳細(xì)說明。具體實施例方式依照上述技術(shù)解決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響下的灌水均勻度計算公式，在此基礎(chǔ)上建立滴頭設(shè)計工作壓力及毛管設(shè)計優(yōu)化模型，然后利用Viaul-Basic語言編制程序完成滴頭設(shè)計工作壓力計算和毛管優(yōu)化設(shè)計。(一)提出水力偏差、灌水器制造偏差、田面局部高差三因素影響下灌水均勻度計算公式Cu=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2---(1)]]>式中Cu為灌水均勻度；qhv為水力流量偏差率；Cmv為灌水器制造流量偏差系數(shù)；ΔZ為田面最大局部高差，單位m；x為灌水器流態(tài)指數(shù)；Hd為滴頭設(shè)計工作壓力，單位m；(二)提出毛管年費用計算公式并建立滴頭設(shè)計工作壓力計算及毛管設(shè)計的二級優(yōu)化模型1、毛管年費用計算公式毛管年費用主要包括材料投資和年運行費，當(dāng)毛管耐壓等級未知時，毛管年費用計算公式如本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
新低壓滴灌系統(tǒng)滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計方法，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響下的灌水均勻度公式；以毛管年費用為目標(biāo)函數(shù)，以三因素影響下的灌水均勻度為約束條件，以毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Ｐｏｗｅｌｌ法進行二元函數(shù)最優(yōu)化，得到非標(biāo)準(zhǔn)的毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力；選擇具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管，使標(biāo)準(zhǔn)管徑不小于初步優(yōu)化得到的管徑、毛管耐壓不小于初步計算的毛管實際最大水壓力，以滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Ｐｏｗｅｌｌ法進行一元函數(shù)最優(yōu)化，得到可直接用于實際滴灌工程中的滴頭設(shè)計工作壓力值，并設(shè)計出具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管。

【技術(shù)特征摘要】
1.新低壓滴灌系統(tǒng)滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計方法，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響下的灌水均勻度公式；以毛管年費用為目標(biāo)函數(shù)，以三因素影響下的灌水均勻度為約束條件，以毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Powell法進行二元函數(shù)最優(yōu)化，得到非標(biāo)準(zhǔn)的毛管直徑和滴頭設(shè)計工作壓力；選擇具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管，使標(biāo)準(zhǔn)管徑不小于初步優(yōu)化得到的管徑、毛管耐壓不小于初步計算的毛管實際最大水壓力，以滴頭設(shè)計工作壓力為決策變量，用外部罰函數(shù)法將不等式約束變?yōu)闊o約束問題，利用Powell法進行一元函數(shù)最優(yōu)化，得到可直接用于實際滴灌工程中的滴頭設(shè)計工作壓力值，并設(shè)計出具有標(biāo)準(zhǔn)管徑的毛管。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法具體包括下列步驟1)滴灌灌水均勻度用如下公式計算Cu=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2]]>式中Cu為灌水均勻度；qhv為水力流量偏差率；Cmv為灌水器制造流量偏差系數(shù)；ΔZ為田面最大局部高差，單位m；x為灌水器流態(tài)指數(shù)；Hd為滴頭設(shè)計工作壓力，單位m；2)根據(jù)上述灌水均勻度計算公式，建立滴頭工作壓力與毛管優(yōu)化設(shè)計模型A.初步優(yōu)化設(shè)計模型為最小目標(biāo)函數(shù)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]]>約束條件g(D,Hd)=1-0.83Cmv2+(0.2ΔZ.xHd-0.004)2+(0.229qhv+0.0091)2-[Cu]≥0]]>式中W為毛管年費用，元；C為毛管材料單價，單位元/m3；E為電費，單位元/KW.h；T為毛管年工作小時數(shù)，單位h；Q為毛管進口流量，單位L/h；t為毛管折算年限，單位年；e為毛管壁厚，單位mm；D為毛管內(nèi)徑，單位mm；L為毛管長度，單位m；σ為管道允許拉應(yīng)力，單位KN/m2；γ為...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱德蘭，吳發(fā)啟，肖南穎，張青峰，
申請(專利權(quán))人：西北農(nóng)林科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：61[中國|陜西]