高速綠化帶滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件開發(fā)

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摘要:重慶忠萬(wàn)高速公路采用智能滴灌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠化帶示范工程自動(dòng)灌溉。以其滴灌管網(wǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)綠化帶比降大、灌溉范圍長(zhǎng)的復(fù)雜條件，采用Matlab平臺(tái)，基于Darcy-Weisbach公式開發(fā)了具有完全自主產(chǎn)權(quán)的滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。該軟件具備友好交互界面，可實(shí)現(xiàn)初始水頭、管長(zhǎng)、管徑、滴頭間距、坡比等參數(shù)的優(yōu)化，滿足經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便、出流均勻的要求。研究成果可以為類似工程的滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:滴灌系統(tǒng)，高速公路綠化帶，MatlabGUI平臺(tái)，Darcy-Weisbach公式，出流均勻度

1概述

滴灌技術(shù)以其節(jié)水、高效、智能控制的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園林等行業(yè)。近年來，隨著我國(guó)高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的全面建設(shè)和智能化技術(shù)的發(fā)展，滴灌技術(shù)因其智能化、無需人工干預(yù)的特性在高速公路綠化帶也日益推廣。針對(duì)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前普遍存在的出流均勻度低、管網(wǎng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)滴灌管道的水力特性和系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究。在滴灌管道水力特性理論研究方面，Kang［1］(1996)基于Darcy-Weisbach公式，用有限元法建立滴灌模型，分析滴管水頭與灌溉流量之間的關(guān)系。Jain［2］(2002)建立進(jìn)口水頭與流量的冥函數(shù)關(guān)系式，借此分析單管、多管各型滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。孫永勝［3］(2011)總結(jié)了低壓滴灌系統(tǒng)的發(fā)展歷史及研究進(jìn)展。張林［4］(2008)認(rèn)為低壓條件下毛管管徑是影響灌水均勻度的主要因素?？梢姷喂嘞到y(tǒng)的研究，主要采用Darcy-Weis-bach公式理論推導(dǎo)或者水工模型試驗(yàn)的方法，研究滴灌系統(tǒng)的管徑、水頭、滴頭分布、控制流量等參數(shù)的最優(yōu)解。但是忠萬(wàn)高速綠化帶等實(shí)際工程仍然存在大比降、長(zhǎng)距離等復(fù)雜邊界條件的情況，缺乏明確可靠的解決方案，而采用水工模型試驗(yàn)則研究周期長(zhǎng)、成本高。胡笑濤［5］分析了滴灌均勻度的研究現(xiàn)狀和存在的問題，展望了該技術(shù)的發(fā)展前景。付旭輝［6］在基于Matlab平臺(tái)，研發(fā)出一套的航道工程拋石斷面形成過程監(jiān)測(cè)可視化軟件，實(shí)用性強(qiáng)。因此，本文基于Matlab軟件平臺(tái)，采用經(jīng)典的Darcy-Weisbach公式計(jì)算滴灌管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的水頭分布、流量分布、水頭損失等水力學(xué)特征，從而對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

2工程背景

忠萬(wàn)高速公路中央綠化帶為灌木+草皮模式，灌溉系統(tǒng)由集水式蓄水池、輸水干管、滴灌毛管組成，控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制閘門、PLC控制系統(tǒng)以及土壤濕度傳感器、溫度傳感器構(gòu)成，太陽(yáng)能電池提供能源。整套系統(tǒng)能在監(jiān)控氣溫、土壤濕度的條件下，自動(dòng)控制滴灌系統(tǒng)的啟閉及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)的全自動(dòng)模式長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。滴灌系統(tǒng)基本邊界條件如下:1)蓄水池為直徑8．70m，深度2．5m的罐狀集水池，體積約108m3。蓄水池出口處設(shè)電磁閥控制開度和時(shí)長(zhǎng)。2)蓄水池至滴灌毛管間為280m長(zhǎng)、內(nèi)徑約63．8mm的PE-DN75輸水干管。蓄水池至滴灌毛管進(jìn)口端高差約為10．46m。3)滴灌毛管分為兩段。一段為萬(wàn)州方向，長(zhǎng)250m、坡比1．20%;另一段為忠縣方向，長(zhǎng)250m、坡比1．06%。在滴灌毛管段等間距在左、右側(cè)布置2滴頭，外接透明塑料軟管，向綠化帶植被供水。經(jīng)過前期比選，滴頭采用壓力補(bǔ)償式滴頭，工作壓力為5m～40m，流量為8L/h。針對(duì)以上邊界條件，課題組針對(duì)忠萬(wàn)高速綠化帶滴灌工程，基于Matlab平臺(tái)開發(fā)了采用Darcy-Weisbach公式迭代求解的設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件，分析管長(zhǎng)L、管徑D、滴頭間距、坡比S等管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)，為滿足出流均勻度要求的管網(wǎng)系統(tǒng)方案提供科學(xué)依據(jù)。軟件流程圖見圖1。

3軟件技術(shù)特點(diǎn)

1)滴灌管網(wǎng)的設(shè)計(jì)涉及到管道長(zhǎng)度、管徑、滴頭間距、地形坡比等參數(shù)的確定。多參數(shù)優(yōu)化時(shí)存在計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、較難達(dá)到最優(yōu)解的問題。本軟件可以直接代入設(shè)計(jì)參數(shù)，快速驗(yàn)算管網(wǎng)水力性能;2)滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)類別較多，本軟件針對(duì)忠萬(wàn)高速綠化帶滴灌工程，考慮采用壓力補(bǔ)償式滴頭，工作額定壓力為0．05MPa～0．40MPa，因此可以假設(shè)沿程水頭分布滿足額定工作壓力要求，設(shè)定滴頭出流量為均勻出流;3)本軟件計(jì)算成果演示性好，計(jì)算參數(shù)由GUI界面設(shè)置，方便修改。模擬成果直接生成二維圖像，顯示管道內(nèi)的壓力H、雷諾數(shù)Re、水頭損失等參數(shù)的分布特性，方便直觀，可為工程決策提供科學(xué)依據(jù);4)本軟件易讀性強(qiáng)，程序采用主流的科學(xué)計(jì)算軟件Matlab編寫，每部分功能確切、明了、模塊化，簡(jiǎn)單易讀;5)維護(hù)性強(qiáng)，本軟件語(yǔ)言簡(jiǎn)單，層次分明，功能清晰，便于進(jìn)行適時(shí)維護(hù)和升級(jí)。

4軟件算法原理

4．1模型算法

本軟件基于經(jīng)典Darcy-Weisbach公式建立數(shù)學(xué)模型，推求沿程出流量滿足植被需水量、且均勻度滿足規(guī)范要求條件下滴灌管網(wǎng)內(nèi)的水頭分布特征。hf=λ1dv22g(1)其中，hf為沿程水頭損失，m;λ為沿程水頭損失系數(shù);l為管長(zhǎng)，m;d為管道直徑，m;v為流速，m/s;g為重力加速度，取值9．81m/s2。根據(jù)尼古拉茲的研究成果，管道沿程水頭損失系數(shù)λ與管道相對(duì)光滑度和水流流態(tài)有關(guān)。根據(jù)水力學(xué)中粘性底層厚度δ0與絕對(duì)粗糙度Δ的關(guān)系，管道內(nèi)的流場(chǎng)通常劃分為光滑區(qū)、過度粗糙區(qū)和粗糙區(qū)，而λ的經(jīng)驗(yàn)迭代計(jì)算公式也不相同:其中，Re為雷諾數(shù)，其計(jì)算公式為:Re=vdv(3)其中，v為管內(nèi)流速，m/s;d為管徑，m;v為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，一般在20℃時(shí)，可以取值υ=1．007×10－6m2/s。對(duì)于水力粗糙區(qū)而言，可以用以下公式試算沿程水頭損失系數(shù)λ:λ=8gC2(4)根據(jù)曼寧公式(Manning)，謝才系數(shù)C可用下式計(jì)算:C=1nR1/6(5)由于忠萬(wàn)高速綠化帶滴灌管網(wǎng)采用壓力補(bǔ)償式滴頭，且額定工作水頭為5m～40m，范圍較大。假設(shè)沿程滴頭處均滿足滴頭額定工作水頭要求，則毛管出流量可近似認(rèn)為恒定值。以此假設(shè)，根據(jù)Darcy-Weisbach和沿程阻力系數(shù)公式，可以建立滴灌毛管均勻出流的迭代求解數(shù)學(xué)模型，以此計(jì)算滴灌管網(wǎng)沿程水頭分布特征。

4．2出流均勻度

滴灌系統(tǒng)孔口出流量的分布均勻性決定了植被灌溉均勻度和系統(tǒng)灌溉效率，通常采用均勻系數(shù)來定量評(píng)價(jià)。目前，我國(guó)已將克里斯琴均勻系數(shù)CU(Christiansen)計(jì)算式納入了《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》。因此，本文以CU系數(shù)作為滴灌系統(tǒng)出流均勻度的表征參數(shù)。灌溉均勻系數(shù)CU公式是基于平均偏差所導(dǎo)出，具體如式(6)所示。CU=(1－∑ni=1|qi－q珋|∑ni=1qi)×100%(6)其中，qi為第i個(gè)滴頭的流量;q為所有滴頭的平均流量。從克里斯琴均勻系數(shù)CU計(jì)算式中可看出，該公式體現(xiàn)滴灌毛管沿程出流量的方差，以綜合評(píng)價(jià)滴灌均勻性。其數(shù)值越大，說明灌溉越均勻、系統(tǒng)越優(yōu)。通常CU大于80%可以認(rèn)為滿足植被生長(zhǎng)要求［8］。

5軟件主要功能的實(shí)現(xiàn)

5．1參數(shù)輸入

本軟件輸入?yún)?shù)較為簡(jiǎn)單，采用程序中GUI界面設(shè)置，簡(jiǎn)潔直觀，方便修改。而且針對(duì)忠萬(wàn)高速的相關(guān)參數(shù)作為缺省值已經(jīng)賦值完成，可以直接進(jìn)入計(jì)算階段。具體語(yǔ)句如下:1)GUI界面設(shè)計(jì)(見圖2)。其中環(huán)境參數(shù)，包括溫度、粘滯系數(shù)(與溫度相關(guān))、當(dāng)量粗糙度(與滴灌管道材質(zhì)相關(guān))、坡比(與工程環(huán)境相關(guān))。滴灌設(shè)計(jì)參數(shù)，主要為滴灌管路的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以調(diào)整優(yōu)化。包括輸水干管長(zhǎng)度、管徑、滴灌毛管長(zhǎng)度、管徑、滴頭間距、滴頭流量和初始水頭。毛管水頭計(jì)算成果為計(jì)算輸出值，顯示滴灌毛管內(nèi)水頭的最大值和最小值，可以借此判斷是否滿足滴頭額定工作水頭的要求。2)設(shè)置常用參數(shù)。包括曼寧系數(shù)n_Manning、水流粘滯系數(shù)NZXS、當(dāng)量粗糙度CCD、溫度mp_Temp。functionm_Temperature_Callback(hObject，eventdata，handles)mp_Temp=str2double(get(handles．m_Temperature，’string’))該段語(yǔ)句為GUI界面信息輸入可編輯文本框的數(shù)據(jù)讀取命令，一旦數(shù)據(jù)修改完成，系統(tǒng)直接將“m_Temperature”文本框的“string”字符轉(zhuǎn)換為數(shù)字并復(fù)制給“溫度”參數(shù)“mp_Temp”。在“運(yùn)行”按鈕的callback函數(shù)中也對(duì)參數(shù)進(jìn)行了集中賦值:該段語(yǔ)句為GUI界面信息輸入可編輯文本框的數(shù)據(jù)讀取命令，一旦數(shù)據(jù)修改完成，系統(tǒng)直接將“m_PBranchDiame-ter”文本框的“string”字符轉(zhuǎn)換為數(shù)字并復(fù)制給“支管直徑”參數(shù)“mp_PBDiameter”在“運(yùn)行”按鈕的callback函數(shù)中也對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了集中賦值:以上環(huán)境參數(shù)和管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)都參照重慶市忠萬(wàn)高速綠化帶滴灌工程的實(shí)際情況設(shè)定了缺省值。當(dāng)其他用戶使用該軟件時(shí)，可以自己的工程實(shí)際情況手動(dòng)修改參數(shù)。當(dāng)手動(dòng)修改時(shí)，調(diào)試狀態(tài)下，在Matlab命令欄可以看到修改的參數(shù)賦值，避免輸入錯(cuò)誤。

5．2計(jì)算結(jié)果輸出

本軟件輸出參數(shù)較為簡(jiǎn)單，包括管內(nèi)水頭H、雷諾數(shù)Re、流速U、管內(nèi)流量Q*的沿程分布特征。此外作為控制性參數(shù)，輸出滴灌毛管內(nèi)的最大水頭max(H_ZX)和最小水頭min(H_ZX)，判斷管內(nèi)水頭是否滿足滴頭額定工作水頭的要求。為了直觀體現(xiàn)和檢查錯(cuò)誤，采用繪制二維曲線的型式來輸出展示。具體語(yǔ)句如下:1)毛管內(nèi)水力參數(shù)特征曲線輸出滴頭的正常工作與否，以及滴頭出流的均勻度。此外，沿程流速、雷諾數(shù)Re、流量的分布特征可以檢查計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)是否符合實(shí)際，可以憑經(jīng)驗(yàn)避免計(jì)算錯(cuò)誤。2)毛管內(nèi)水頭分布范圍輸出。為了直觀了解滴灌毛管內(nèi)的水頭分布特征，在參數(shù)設(shè)置界面GUI顯示毛管內(nèi)的水頭最大值和最小值。%%在參數(shù)設(shè)置界面顯示毛管內(nèi)水頭最大值和最小值，以檢驗(yàn)是否滿足要求set(handles．DispHMax，’string’，max(H_WZ));set(handles．DispHMin，’string’，min(H_WZ));輸出界面顯示如圖4所示。該毛管水頭計(jì)算成果的最大最小值可以幫助使用者判斷該區(qū)間是否在壓力補(bǔ)償式滴頭的額定工作壓力范圍內(nèi)。如果是，則滴灌毛管的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足滴頭要求;如果不是，則需要調(diào)整前面設(shè)定的滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，最大值與最小值之間的差值越小，說明毛管內(nèi)水頭分布越均勻，滴灌均勻度越高?？梢宰鳛樵O(shè)計(jì)參數(shù)比選的參考。

5．3模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件的精度和可靠性，布置了初始水頭為5．2m，5．5m，5．8m，滴灌毛管為120m長(zhǎng)布置補(bǔ)償式滴頭的水力學(xué)試驗(yàn)，并與軟件計(jì)算相同該邊界條件下的水頭分布特征。將水力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比，見圖5。從圖5可見，設(shè)定邊界條件的滴管沿程出流量，軟件計(jì)算成果與水力學(xué)試驗(yàn)成果，總體趨勢(shì)基本相同，軟件計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值偏差小于5%。由此可以證明，軟件計(jì)算成果與實(shí)際滴灌管網(wǎng)的水力特征相符，且誤差基本在5%范圍內(nèi)，考慮植物生長(zhǎng)的需水要求存在較高的適應(yīng)范圍，軟件計(jì)算成果能滿足滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)精度要求。

6結(jié)論

從上述試驗(yàn)結(jié)果以及分析計(jì)算表明:1)本軟件基于Matlab平臺(tái)，采用水力學(xué)Darcy-Weis-bach公式計(jì)算滴灌管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的水頭分布、流量分布、水頭損失等水力學(xué)特征，為滴灌管網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。2)軟件對(duì)忠萬(wàn)高速綠化帶滴灌工程，考慮采用壓力補(bǔ)償式滴頭，工作額定壓力為0．05MPa～0．40MPa，因此可以假設(shè)沿程水頭分布滿足額定工作壓力要求，設(shè)定滴頭出流量為均勻出流。3)軟件計(jì)算參數(shù)由GUI界面設(shè)置，方便修改。模擬成果直接生成二維圖像，顯示管道內(nèi)的壓力H、雷諾數(shù)Re、水頭損失等參數(shù)的分布特性，方便直觀，可為工程決策提供科學(xué)依據(jù)。由此可見，本軟件采用Matlab編寫，語(yǔ)言簡(jiǎn)單，層次分明、功能清晰、簡(jiǎn)單易讀，便于進(jìn)行適時(shí)維護(hù)和升級(jí)。以上研究成果可以為類似工程的滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

作者:王文廣 付旭輝 滕鋼 劉彬 覃紅 王昌賢 單位:重慶忠萬(wàn)高速公路有限公司 重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心