[發(fā)明專利]坡田噴灌系統(tǒng)工程管網(wǎng)和管道設(shè)計的改進(jìn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010576613.5
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111642364B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王程
• 申請（專利權(quán)）人: 王程
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;A01G25/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.坡田噴灌系統(tǒng)工程管網(wǎng)和管道設(shè)計的改進(jìn)方法，其特征在于，包括坡田噴灌系統(tǒng)工程設(shè)計方法、坡田噴灌系統(tǒng)工程管道布設(shè)方法、基于進(jìn)化算法的坡田噴灌系統(tǒng)管徑優(yōu)化；

坡田噴灌系統(tǒng)工程設(shè)計方法對灌溉區(qū)域勘測地形，搜集水源、氣象、土壤資料，設(shè)置科學(xué)合理的噴灌系統(tǒng)，確保規(guī)劃設(shè)計的各項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)滿足坡田噴灌要求；技術(shù)參數(shù)指標(biāo)主要包括噴灌均勻系數(shù)、噴灌組合的噴灌強(qiáng)度和霧化指標(biāo)；坡田噴灌系統(tǒng)包括水源工程、動力設(shè)備、輸水配水系統(tǒng)、調(diào)壓裝置、支管、豎管和噴頭；坡田噴灌系統(tǒng)工程設(shè)計方法包括確定農(nóng)作物設(shè)計灌水定額、噴頭選擇和布設(shè)間距、確定坡田噴灌系統(tǒng)規(guī)則、計算管道水力、選配水泵和動力；

坡田噴灌系統(tǒng)工程管道布設(shè)方法包括地形較規(guī)則坡田布設(shè)方法、不規(guī)則坡田布設(shè)方法、支管布設(shè)方法；支管布設(shè)方法包括以下幾點(diǎn)：一是輸水配水管網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)能控制全灌區(qū)，并使管道總長度最短，造價最小，機(jī)壓系統(tǒng)中使運(yùn)行費(fèi)用最省；二是地形坡度較陡時，使主管沿主坡度方向布設(shè)，路線短一些，支管則平行等高線布設(shè)，便于控制支管的水頭損失，使支管上各噴頭工作壓力盡可能一致，也便于使豎管保持鉛垂，保證噴頭在水平方向旋轉(zhuǎn)，在梯田上布設(shè)管道時支管沿梯田水平方向布設(shè)，減少支管與梯田相交而增加彎頭設(shè)備；三是支管的布設(shè)盡可能與農(nóng)作物耕作方向一致，對固定式噴灌系統(tǒng)，減少豎管對機(jī)耕的影響，同時力求使支管長度一致，管子規(guī)格統(tǒng)一、管線平順，減少折點(diǎn)，一條支管上噴頭最多不超過12個；四是坡田上通過支管道的間距調(diào)整由坡度產(chǎn)生的噴灑半徑問題，噴頭上方的支管間距不變，噴頭下方的支管間距從上到下越來越小，頂端間距為噴頭射程；

基于進(jìn)化算法的坡田噴灌系統(tǒng)管徑優(yōu)化包括進(jìn)化算法的設(shè)計原理和水泵加壓噴灌系統(tǒng)管徑優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過建立水泵加壓噴灌樹狀管網(wǎng)優(yōu)化模型，結(jié)合坡田水源與噴灌區(qū)域高差大的特點(diǎn)，采用分級提水噴灌技術(shù)，對機(jī)壓噴灌樹狀管網(wǎng)模型進(jìn)行改進(jìn)，以總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，以管徑長度和水泵揚(yáng)程為決策變量，采用整數(shù)編碼，建立坡田噴灌機(jī)壓樹狀管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，采用進(jìn)化算法對模型進(jìn)行計算，對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化管徑以節(jié)約投資：

設(shè)定每一管段內(nèi)最多有二種相鄰的管徑組成，以水泵加壓樹狀管網(wǎng)優(yōu)化，水泵機(jī)壓噴灌的年費(fèi)用包括管網(wǎng)投資和年運(yùn)行費(fèi)用，使坡田噴灌系統(tǒng)的年費(fèi)用最低，其中又以水泵的型號和管道的直徑這兩個變量為重點(diǎn)，通過調(diào)整管道長度和直徑，優(yōu)化管網(wǎng)每個節(jié)點(diǎn)的流量和壓力，降低坡田噴灌系統(tǒng)管道造價和運(yùn)行費(fèi)用：

（1）坡田噴灌管網(wǎng)模型的目標(biāo)函數(shù)：以系統(tǒng)揚(yáng)程和管徑為決策變量，以工程年費(fèi)用最少為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

式12

式12中：L為管網(wǎng)年費(fèi)用；單位為元/年，K為管網(wǎng)投資資金，單位為元；B為年運(yùn)行費(fèi)用，包括電能耗損費(fèi)B₁和維修費(fèi)B₂，單位為元；δ為均付因子；

（2）坡田噴灌管網(wǎng)投資資金K：

式13

式13中：M為樹狀管網(wǎng)段數(shù)；O_ij為第i段管段第j種管徑的單價，單位為元/米；W_ij為第i段管段第j管徑的長度，單位為米；利用管道的單價和直徑，基于最小二乘進(jìn)行曲線擬合，形式如下：

式14

式14中：h_ij為第i段管段第j種管徑的直徑；f₀、f₁、f₂為回歸方程的參數(shù)；

（3）坡田噴灌系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用B包括B₁和B₂，計算式如下：

式15

式16

式17

式18

上式中：G為平均年維修管理費(fèi)率，單位為%；i為水泵的臺數(shù)；I為當(dāng)?shù)氐碾妰r，單位為元/（kw?h）；T為水泵年工作小時數(shù)，單位為小時；P_k為第k臺水泵的流量，單位為m3/h；D_k為第k臺水泵的揚(yáng)程，單位為m；F_k為第k臺水泵噴灑面積，單位為畝；Q_k為第k臺水泵年噴水次數(shù)，單位為次；H_k為第k臺水泵每次噴水天數(shù)，單位為天；t_k為第k臺水泵每天噴水時間，單位為h；N為農(nóng)作物灌溉定額，單位為m³/畝；e_k為第k臺水泵的效率；e為水利用系數(shù)；

式19

q為資金年利率，單位為%；m為管道折舊年限，單位為年；

式20

水泵揚(yáng)程D_k由式21計算，其中總水頭損失計算式為：

式21

式22

式中：D_k0為水泵k的凈揚(yáng)程，β取值0.1，A為多口系數(shù),當(dāng)管段進(jìn)出口流量相等時，A=1, a為管材系數(shù)，b為管徑系數(shù)，d_w為管道水頭損失，D₀為水泵凈揚(yáng)程，P_i為第 i臺水泵流量；

（4）壓力約束：

每個管道出水口節(jié)點(diǎn)的流量和壓力都必須達(dá)到設(shè)計流量和設(shè)計壓力，滿足下式：

式23

式中：I₀為水源水面標(biāo)高，單位為m；d_損為水泵吸水管水頭損失加上底閥損失加上首部樞紐損失；I_y為管網(wǎng)中第y個節(jié)點(diǎn)處的地表高程，單位為m；d_ymin為y節(jié)點(diǎn)管道處所允許的最小承壓力，單位為m；M_y為從水源水面到噴灌管網(wǎng)中第y個節(jié)點(diǎn)需經(jīng)過的管道總段數(shù)；D_k0為水泵k的凈揚(yáng)程，單位為m；d_ck為管段允許的最小壓力約束變量，單位為m；

在整個噴灌系統(tǒng)中，管網(wǎng)的首端壓力不超過管道所允許的最大承壓力；

式24

式中：d_ymax為y節(jié)點(diǎn)管道處所允許的最大承壓力，單位為m；d_mk為管段承壓力約束變量，單位為m；

（5）管長約束：

式25

（6）管徑約束：

式26

式中所有涉以及管徑從已有的標(biāo)準(zhǔn)管徑中選擇,h_min為標(biāo)準(zhǔn)管徑的最小值，h_max為標(biāo)準(zhǔn)管徑的最大值；

（7）非負(fù)約束：

式27

以上各符號和字母表示同前,D為水泵的揚(yáng)程；

坡田噴灌管道造價函數(shù)：以公稱壓力0.8MPa PVC管道構(gòu)建價格函數(shù)，基于最小二乘法對管道價格進(jìn)行回歸曲線擬合，得到噴灌系統(tǒng)管道的造價式為：

式28

O為造價，h_ij為第i段管段第j種管徑的直徑。