浅谈灌溉渠道的优化设计

【摘要】根据明渠均匀流原理，推求灌溉渠道设计的最佳水力断面法和实用经济断面法，通过对2种设计方法优化对比分析，提出了实用经济断面法在灌溉渠道设计中的实用性，据此确定渠道横断面结构尺寸和不冲不淤流速的约束条件。根据渠道纵断面设计原则，确定干渠和各支渠取水口要求的控制水位的计算方法，确定渠道水位衔接的约束条件。根据渠道挖填平衡原则，确定了灌溉渠道工程量与渠道填方量、挖方量、渠道比降和填方损失系数等有关的非线性函数，该结论为灌溉渠道优化设计提供技术支撑。

【关键词】灌溉渠道；优化设计；明渠均匀流，最佳水力断面；实用经济断面

灌溉渠道断面优化设计的科学与否直接影响到工程的经济性、水资源利用效率以及工程在农业生产中效益的发挥。渠道断面设计的基本内容是在满足各种约束条件下利用优化方法确定出断面设计参数，提高输水效率，降低工程费用。其设计问题一般为高维、非线性、多约束的复杂优化问题，传统的设计方法如试算法、图解法、查图法日显掣肘。近年来，倪士超将扩展微分进化算法应用于解决渠道断面设计中的非线性优化问题，并以实例进行了计算，算例表明扩展微分进化算法能有效解决渠道断面的优化设计问题，且具有全局寻优能力强、解的精度高等优点 [1]；高勤根据渠首流量、借助计算机辅助设计软件和明渠均匀流公式率定U形渠道水力最优断面，并从投资、设计、施工等各个方面对U形预制混凝土渠道进行优化断面设计，具有施工方便、造价低廉、质量可靠、节水等效益 [2]；刘耀芳将Hopfield神经网络引入灌溉渠系密度优化过程中，进一步将货流问题与渠道输水问题的基本思想进行对比，提出Hopfield神经网络应用于渠系密度优化中的可行性，建立渠系优化的网络能量函数 [3]；张礼兵提出试验遗传算法（EGA）以解决灌溉排水工程设计中的非线性优化问题，算例表明：EGA能有效解决灌溉渠道断面和排水沟道的优化设计问题，且具有计算效率高、解的精度好等优点，在农业灌排系统优化设计中具有较高的实用性 [4]。本文主要针对灌溉渠道优化设计方法，提出了灌溉渠道最佳水力断面和实用经济断面的设计方法，并对两种方法分析比较，提出从经济、技术和管理等方面综合考虑的灌溉渠道优化设计方法，为灌区灌溉渠道优化设计提供技术支持。

1. 灌溉渠道纵横断面的设计

灌溉渠道的设计流量、最小流量和加大流量确定后，就可据此设计渠道的纵横断面。设计流量是进行水力计算、确定渠道过水断面尺寸的主要依据。纵横断面的设计不仅要满足渠道输配水要求，还要满足渠床纵横断面的稳定条件 [5]。渠道横断面的设计要求是保证设计的断面能够输送设计流量和加大流量，设计的渠床稳定、不淤积、不冲刷、不塌坡；渠道纵断面的设计要求是保证渠道有足够的水位高度，以满足大部分农田自流灌溉，渠道土石方量小、渠系建筑物少，经济合理。纵向稳定要求渠道在设计条件下工作时，不发生冲刷和淤积，或在一定时期冲淤平衡 [6]。平面稳定要求渠道在设计条件下工作时，渠道水流不发生左右摇摆。渠道纵断面和横断面的设计是相互联系、互为条件，在设计实践中应通盘考虑，交替进行，反复调整，最后确定优化断面 [7]。

1.1灌溉渠道横断面设计。

1.1.1最佳水力断面设计法。

渠道横断面尺寸是根据渠道设计流量通过水力计算加以确定，通常采用明渠均匀流计算公式计算，即：

1.1.1.1灌溉渠道基本参数的确定。根据设计渠道时要求工程量小，投资少的原则，即在设计流量Q、比降i、糙率系数n值相同的条件下，应使渠道过水断面面积A最小，满足过水断面为最佳水力断面。由上述条件可假设，设A、x为设计水深h、渠道底宽b和边坡系数m的函数，由式（1）、式（2）和式（3）可得渠道基本参数A、x、Q、n和i之间的非线性函数为：

1.1.1.2灌溉渠道不冲不淤流速的约束条件。由公式：

1.1.2实用经济断面设计法。

虽最佳水力断面在相同流量下过水断面面积最小，但从经济、技术和管理等方面综合考虑，其断面比较窄深，不便于施工，容易塌方，它有一定的局限性。应用于较大型的渠道时，由于深挖高填，施工开挖工程量及费用大，维护管理也不方便，流量改变时水深变化较大，给灌溉、航运带来不便。为了克服最佳水力断面的加大水深、减小水深的缺点，同时又使过水断面面积接近于最佳水力断面的面积，因而提出实用经济断面设计法。

1.1.2.1拟定偏离系数：

1.1.2.2计算γ： γ=h经h优（9）

式中：h经为实用经济断面的水深，m；h优为最佳水力断面的水深，m。

则有： γ=a5/2-a（a4-1）（10）

1.1.2.3计算宽深比： β=aγ2（21+m2-m）-m（11）

式中：β为宽深比；α为偏离系数；m为边坡系数；γ为系数。

1.2灌溉渠道纵断面设计。

灌溉渠道不仅要满足输送设计流量的要求，还要满足水位对自流灌溉控制的要求。纵断面设计的任务是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位确定渠底高程、堤顶高程、最小水位，标出渠系建筑物类型，并计算出土石方工程量 [8]。

1.2.1灌溉渠道的水位推算。

为了满足自流灌溉的要求，各级渠道的取水口和分水口都应具有足够的水位高程，该水位是根据灌溉面积上控制点的高程加上各种水头损失，自下而上逐级推算出来的 [9]，水位公式如下。

1.2.1.1计算各支渠取水口要求的控制水位（B分）。为了推求干渠渠首控制水位，首先确定各支渠取水口的要求水位高程。

式中：B分为支渠取水口处控制水位，m；A0为渠道灌溉范围内参考点的地面高程，参考点一般选在最难灌溉的地点及渠道分水口近处或远处，视地面坡度和渠道的关系而定，m；Δh为参考点与农渠水面的高差，一般取0.1～0.2m；L为各级渠道长度，m；i为各级渠道的比降；为水流通过渠系建筑物的水头损失，m。

1.2.1.2计算干渠取水口要求的控制水位（B首）。干渠渠首取水口控制水位由干渠设计水面线推求，其公式如下：

式中：B首为干渠取水口要求的控制水位，m；L为干渠段长度，m；i为干渠比降；为干渠局部水头损失，m；B分为支渠取水口处控制水位，m。

1.2.2灌溉渠道纵断面设计中的水位衔接。

渠道纵断面设计中的水位衔接是处理渠道与建筑物、渠道上下段和上下级之间的水位关系问题 [9]。当渠道通过的流量为最小流量时，则渠道与建筑物、渠道上下段和上下级之间的水位应满足要求，即对同一条渠道，第j渠段末的渠道水位与j+1段渠首的渠道水位之差满足一定的控制条件：