高速綠化帶滴灌系統設計優化軟件開發

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摘要:重慶忠萬高速公路采用智能滴灌系統，實現綠化帶示范工程自動灌溉。以其滴灌管網為研究對象，針對綠化帶比降大、灌溉范圍長的復雜條件，采用Matlab平臺，基于Darcy-Weisbach公式開發了具有完全自主產權的滴灌管網設計優化軟件。該軟件具備友好交互界面，可實現初始水頭、管長、管徑、滴頭間距、坡比等參數的優化，滿足經濟簡便、出流均勻的要求。研究成果可以為類似工程的滴灌管網設計提供依據。

關鍵詞:滴灌系統，高速公路綠化帶，MatlabGUI平臺，Darcy-Weisbach公式，出流均勻度

1概述

滴灌技術以其節水、高效、智能控制的優勢廣泛應用于農業、園林等行業。近年來，隨著我國高速公路等基礎設施的全面建設和智能化技術的發展，滴灌技術因其智能化、無需人工干預的特性在高速公路綠化帶也日益推廣。針對滴灌系統設計目前普遍存在的出流均勻度低、管網設計復雜等問題，國內外業內專家學者對滴灌管道的水力特性和系統優化進行了大量的研究。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系。Jain［2］(2002)建立進口水頭與流量的冥函數關系式，借此分析單管、多管各型滴灌系統的設計方法。孫永勝［3］(2011)總結了低壓滴灌系統的發展歷史及研究進展。張林［4］(2008)認為低壓條件下毛管管徑是影響灌水均勻度的主要因素。可見滴灌系統的研究，主要采用Darcy-Weis-bach公式理論推導或者水工模型試驗的方法，研究滴灌系統的管徑、水頭、滴頭分布、控制流量等參數的最優解。但是忠萬高速綠化帶等實際工程仍然存在大比降、長距離等復雜邊界條件的情況，缺乏明確可靠的解決方案，而采用水工模型試驗則研究周期長、成本高。胡笑濤［5］分析了滴灌均勻度的研究現狀和存在的問題，展望了該技術的發展前景。付旭輝［6］在基于Matlab平臺，研發出一套的航道工程拋石斷面形成過程監測可視化軟件，實用性強。因此，本文基于Matlab軟件平臺，采用經典的Darcy-Weisbach公式計算滴灌管網系統內的水頭分布、流量分布、水頭損失等水力學特征，從而對管網設計優化提供依據。

2工程背景

忠萬高速公路中央綠化帶為灌木+草皮模式，灌溉系統由集水式蓄水池、輸水干管、滴灌毛管組成，控制系統由遠程控制閘門、PLC控制系統以及土壤濕度傳感器、溫度傳感器構成，太陽能電池提供能源。整套系統能在監控氣溫、土壤濕度的條件下，自動控制滴灌系統的啟閉及運行時長，實現無人工干預的全自動模式長期穩定運行。滴灌系統基本邊界條件如下:1)蓄水池為直徑8．70m，深度2．5m的罐狀集水池，體積約108m3。蓄水池出口處設電磁閥控制開度和時長。2)蓄水池至滴灌毛管間為280m長、內徑約63．8mm的PE-DN75輸水干管。蓄水池至滴灌毛管進口端高差約為10．46m。3)滴灌毛管分為兩段。一段為萬州方向，長250m、坡比1．20%;另一段為忠縣方向，長250m、坡比1．06%。在滴灌毛管段等間距在左、右側布置2滴頭，外接透明塑料軟管，向綠化帶植被供水。經過前期比選，滴頭采用壓力補償式滴頭，工作壓力為5m～40m，流量為8L/h。針對以上邊界條件，課題組針對忠萬高速綠化帶滴灌工程，基于Matlab平臺開發了采用Darcy-Weisbach公式迭代求解的設計優化軟件，分析管長L、管徑D、滴頭間距、坡比S等管網設計參數，為滿足出流均勻度要求的管網系統方案提供科學依據。軟件流程圖見圖1。

3軟件技術特點

1)滴灌管網的設計涉及到管道長度、管徑、滴頭間距、地形坡比等參數的確定。多參數優化時存在計算耗時長、較難達到最優解的問題。本軟件可以直接代入設計參數，快速驗算管網水力性能;2)滴灌管網設計類別較多，本軟件針對忠萬高速綠化帶滴灌工程，考慮采用壓力補償式滴頭，工作額定壓力為0．05MPa～0．40MPa，因此可以假設沿程水頭分布滿足額定工作壓力要求，設定滴頭出流量為均勻出流;3)本軟件計算成果演示性好，計算參數由GUI界面設置，方便修改。模擬成果直接生成二維圖像，顯示管道內的壓力H、雷諾數Re、水頭損失等參數的分布特性，方便直觀，可為工程決策提供科學依據;4)本軟件易讀性強，程序采用主流的科學計算軟件Matlab編寫，每部分功能確切、明了、模塊化，簡單易讀;5)維護性強，本軟件語言簡單，層次分明，功能清晰，便于進行適時維護和升級。

4軟件算法原理

4．1模型算法

本軟件基于經典Darcy-Weisbach公式建立數學模型，推求沿程出流量滿足植被需水量、且均勻度滿足規范要求條件下滴灌管網內的水頭分布特征。hf=λ1dv22g(1)其中，hf為沿程水頭損失，m;λ為沿程水頭損失系數;l為管長，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。根據尼古拉茲的研究成果，管道沿程水頭損失系數λ與管道相對光滑度和水流流態有關。根據水力學中粘性底層厚度δ0與絕對粗糙度Δ的關系，管道內的流場通常劃分為光滑區、過度粗糙區和粗糙區，而λ的經驗迭代計算公式也不相同:其中，Re為雷諾數，其計算公式為:Re=vdv(3)其中，v為管內流速，m/s;d為管徑，m;v為水的運動粘滯系數，一般在20℃時，可以取值υ=1．007×10－6m2/s。對于水力粗糙區而言，可以用以下公式試算沿程水頭損失系數λ:λ=8gC2(4)根據曼寧公式(Manning)，謝才系數C可用下式計算:C=1nR1/6(5)由于忠萬高速綠化帶滴灌管網采用壓力補償式滴頭，且額定工作水頭為5m～40m，范圍較大。假設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為恒定值。以此假設，根據Darcy-Weisbach和沿程阻力系數公式，可以建立滴灌毛管均勻出流的迭代求解數學模型，以此計算滴灌管網沿程水頭分布特征。

4．2出流均勻度

滴灌系統孔口出流量的分布均勻性決定了植被灌溉均勻度和系統灌溉效率，通常采用均勻系數來定量評價。目前，我國已將克里斯琴均勻系數CU(Christiansen)計算式納入了《噴灌工程技術規范》。因此，本文以CU系數作為滴灌系統出流均勻度的表征參數。灌溉均勻系數CU公式是基于平均偏差所導出，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CU計算式中可看出，該公式體現滴灌毛管沿程出流量的方差，以綜合評價滴灌均勻性。其數值越大，說明灌溉越均勻、系統越優。通常CU大于80%可以認為滿足植被生長要求［8］。

5軟件主要功能的實現

5．1參數輸入

本軟件輸入參數較為簡單，采用程序中GUI界面設置，簡潔直觀，方便修改。而且針對忠萬高速的相關參數作為缺省值已經賦值完成，可以直接進入計算階段。具體語句如下:1)GUI界面設計(見圖2)。其中環境參數，包括溫度、粘滯系數(與溫度相關)、當量粗糙度(與滴灌管道材質相關)、坡比(與工程環境相關)。滴灌設計參數，主要為滴灌管路的設計指標，可以調整優化。包括輸水干管長度、管徑、滴灌毛管長度、管徑、滴頭間距、滴頭流量和初始水頭。毛管水頭計算成果為計算輸出值，顯示滴灌毛管內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)設置常用參數。包括曼寧系數n_Manning、水流粘滯系數NZXS、當量粗糙度CCD、溫度mp_Temp。functionm_Temperature_Callback(hObject，eventdata，handles)mp_Temp=str2double(get(handles．m_Temperature，’string’))該段語句為GUI界面信息輸入可編輯文本框的數據讀取命令，一旦數據修改完成，系統直接將“m_Temperature”文本框的“string”字符轉換為數字并復制給“溫度”參數“mp_Temp”。在“運行”按鈕的callback函數中也對參數進行了集中賦值:該段語句為GUI界面信息輸入可編輯文本框的數據讀取命令，一旦數據修改完成，系統直接將“m_PBranchDiame-ter”文本框的“string”字符轉換為數字并復制給“支管直徑”參數“mp_PBDiameter”在“運行”按鈕的callback函數中也對設計參數進行了集中賦值:以上環境參數和管網設計參數都參照重慶市忠萬高速綠化帶滴灌工程的實際情況設定了缺省值。當其他用戶使用該軟件時，可以自己的工程實際情況手動修改參數。當手動修改時，調試狀態下，在Matlab命令欄可以看到修改的參數賦值，避免輸入錯誤。

5．2計算結果輸出

本軟件輸出參數較為簡單，包括管內水頭H、雷諾數Re、流速U、管內流量Q*的沿程分布特征。此外作為控制性參數，輸出滴灌毛管內的最大水頭max(H_ZX)和最小水頭min(H_ZX)，判斷管內水頭是否滿足滴頭額定工作水頭的要求。為了直觀體現和檢查錯誤，采用繪制二維曲線的型式來輸出展示。具體語句如下:1)毛管內水力參數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Re、流量的分布特征可以檢查計算結果數據是否符合實際，可以憑經驗避免計算錯誤。2)毛管內水頭分布范圍輸出。為了直觀了解滴灌毛管內的水頭分布特征，在參數設置界面GUI顯示毛管內的水頭最大值和最小值。%%在參數設置界面顯示毛管內水頭最大值和最小值，以檢驗是否滿足要求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。該毛管水頭計算成果的最大最小值可以幫助使用者判斷該區間是否在壓力補償式滴頭的額定工作壓力范圍內。如果是，則滴灌毛管的設計參數滿足滴頭要求;如果不是，則需要調整前面設定的滴灌管網設計參數。此外，最大值與最小值之間的差值越小，說明毛管內水頭分布越均勻，滴灌均勻度越高。可以作為設計參數比選的參考。

5．3模型驗證

為了驗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長布置補償式滴頭的水力學試驗，并與軟件計算相同該邊界條件下的水頭分布特征。將水力實驗數據與軟件計算成果進行對比，見圖5。從圖5可見，設定邊界條件的滴管沿程出流量，軟件計算成果與水力學試驗成果，總體趨勢基本相同，軟件計算值與試驗測量值偏差小于5%。由此可以證明，軟件計算成果與實際滴灌管網的水力特征相符，且誤差基本在5%范圍內，考慮植物生長的需水要求存在較高的適應范圍，軟件計算成果能滿足滴灌管網設計精度要求。

6結論

從上述試驗結果以及分析計算表明:1)本軟件基于Matlab平臺，采用水力學Darcy-Weis-bach公式計算滴灌管網系統內的水頭分布、流量分布、水頭損失等水力學特征，為滴灌管網的設計參數選擇和優化提供依據。2)軟件對忠萬高速綠化帶滴灌工程，考慮采用壓力補償式滴頭，工作額定壓力為0．05MPa～0．40MPa，因此可以假設沿程水頭分布滿足額定工作壓力要求，設定滴頭出流量為均勻出流。3)軟件計算參數由GUI界面設置，方便修改。模擬成果直接生成二維圖像，顯示管道內的壓力H、雷諾數Re、水頭損失等參數的分布特性，方便直觀，可為工程決策提供科學依據。由此可見，本軟件采用Matlab編寫，語言簡單，層次分明、功能清晰、簡單易讀，便于進行適時維護和升級。以上研究成果可以為類似工程的滴灌系統設計優化提供依據。

作者:王文廣 付旭輝 滕鋼 劉彬 覃紅 王昌賢 單位:重慶忠萬高速公路有限公司 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心