word均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法Word文档格式.docx

1、器的堵塞状况,灌水器的制造偏差,灌溉水的温度变化 以及地面高低起伏的变化等_1.目前,国内的一些学 者已在流量偏差率的计算方面进行了大量研究,并取得 一 系列成果,如中国学者康跃虎利用有限元法,毛管流 量公式和黄金分割法研究出了满足平均灌水器流量和 灌水均匀度的微灌系统的水力学设计方法_6;牛文 全,吴普特等人在分析目前水力偏差率及流量偏差率的 计算方法的基础上推导出了微灌系统综合流量偏差率 和极限综合流量偏差率的计算方法_】;张国祥研究了 滴头设计水头的取值实质并提出了用高差流量偏差率 来评判灌区田面状况对系统灌水质量的影响1o,11;郑 耀泉用计算机模拟了滴头制造偏差并由此开发出滴灌 系统

2、田间管网的随机设计方法_1.前人的研究成果 收稿日期:200608一l7修订日期:20070308 基金项目:国家863重点项目”微压滴灌系统与产品” （2006AAl002l4） 作者简介:张林（1981一）,男,湖北随州人,博士生,主要从事节水 灌溉理论与设备研究.陕西杨凌西农路26号中科院水保所节水中 心,712100.Email:zi0211wyyahoo.CON.CH 通讯作者:吴普特（1963一）,男,陕西武功人,研究员,博士生导 师.陕西杨凌西农路26号中科院水保所节水中心,7121O0,Email:gjzwptvip.sina.CON 表明滴灌工程的实际灌溉质量与设计目标逐渐接

3、近,但 对坡度与流量偏差率之间的相互影响研究较少,影响到 上述研究成果的实际应用效果.为此,本文从水力学原 理出发,通过理论分析与试验验证相结合的方法,忽略 制造偏差,主要研究考虑地形坡度及水力偏差的流量偏 差率计算方法,为科学合理设计滴灌工程提供技术支 撑. 1均匀坡度下单条毛管流量偏差率 按照流量偏差率的定义及微灌工程技术规范的 规定?,微灌小区灌溉流量偏差率应按下列公式计算:g一|二（1） 式中g灌水器流量偏差率,%;g,（4） 第8期张林等:均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法41 式中毛管上第个滴头的工作压力水头,m;.毛管进口压力水头,In;hi.毛管上第个滴 头与毛管进口之间的

4、水头损失,m;地形坡度;z第个滴头处的毛管长度,m,z一s.+（一 1）s,So毛管上第1个滴头与毛管进口之间的距离, m,毛管上滴头个数,s毛管上滴头间距,m. 由式（4）可得 dh. 一一 （5）一一百b 下面分别对平坡,均匀逆坡和均匀顺坡3种情况下流量指数;管内径, mm;6管道内径指数;F多孔系数,按下式计 算. F= ?（+1+）一1+ 一1+ S 式中?毛管上的滴头总个数. 将式（6）及h=h.代人式（3）,可以得到:（0一hi） 吼一一 （8） （9） 将（.一hf）用二项式定理展开并舍去二次项以后 的各项,则有:（0一hi）一一xh”ihf（10） 为了保证滴灌系统的灌溉质量,

5、灌水器水头偏差率 应不大于2O,即h,?20h.,对上式进行误差分 析:1?1.62,说明本文进行的余项 处理完全可行. 再将式（10）代入式（9）中:qv一 xhfh1 q（11）一了一Lll 1.2均匀逆坡（<0） 在逆坡（&o）情况下:dh.一一 &o. 故h为一单调递减函数,因此毛管进口处的第一 个滴头工作压力最大,毛管末端的滴头工作压力最小, 可表示为 hi一h0一hf+il（12） 将式（12）及h一h.代人式（3）中,并按二项式定 理展开可得 一g一厂. 1.3均匀顺坡（>1）在整条毛管上&或 . O,故滴头户的工作压力最小,而毛管进口 皮的第一个滴头工作乐力晶大 4

6、2农业工程 h.一ho一+il（16） 式中工作压力最小的滴头P处的水头损失, m;lp工作压力最小的滴头P距毛管进口的距离, 将式（16）及h一h.代人式（3）中,并按二项式定 z（一i）lp一1 g一_（17） 由导数定义可知 m 擘 式中Q工作压力最小的滴头P处的毛管流量, L/h,可近似认为Q一（,一P）g;工作压力 最小的滴头P处的微小段水头损失,rn;工作压 力最小的滴头P处的微小段毛管长度,rn;其他符号意 义同上. 又因为一,a厂一圳口:_厂二:,由此可以确定工作压力最小的 滴头P的位置:户一 1,一I, （）将括号内小数舍去成整数. 再将P代人式（7）及z一S.+（户一1）s

7、中求得 和z的值,从而求出g的值. 4）在整条毛管上存在一滴头户其l一.+cm i,且在毛管末端h,?il 该情况下,毛管的最小工作压力出现在滴头P处;而最大的工作压力出现在毛管末端. hi一hohsp+il（19） h=h.一hi+il（20） 将式（19）和式（2O）代人式（3）中,并按二项式定理 展开得 g一 x（hsp-hs:; 式中g的计算同上. 综上所述,可以将上述各种坡度的流量偏差率公式 统一为一种形式. g一（22）吼一一zz 式中l,一,?,毛管上压力最小的滴头与压 力最大的滴头之间的水头损失,ITI;毛管上压力 最小的滴头与压力最大的滴头之间的距离,ITI;g 考虑水力偏差

8、和地形坡度的流量偏差率,;h.,3r,i,h 的物理意义同上. 2均匀坡度下灌水小区的流量偏差率计算 对于树状布设的毛管,支管进口的压力水头为H., 毛管铺设条数为,毛管间距为5,第1条毛管人口距 离支管进口的距离为5.,单条毛管上滴头总个数为, 滴头间距为S,第1个滴头距毛管进口的距离为S.,支管 内径为D,毛管内径为d,滴头设计流量为g,H为第m 条毛管进口压力水头. 灌水小区中任一滴头的实际工作压力可表示为 h（Z）一H.一Hr（L）+jL一hs（1）+i?Z （23） 式中h（z）灌水小区中第m条毛管上的第个 滴头的工作压力,nl;H,（L）灌水小区中第m条毛 管进口距支管进口处的水头

9、损失,nl;l,支管铺设 坡度;L第m条毛管进口距支管进口处的长度, nl;hs（z）,第m条毛管上的第个滴头距毛管进口 处的水头损失,nl;毛管铺设坡度;z第m条 毛管上的第个滴头距毛管进口处的长度,nl. 根据试验资料并参考文献16,在灌水小区中,工 作压力最大的滴头在进口水头最大的毛管上,工作压力 最小的滴头在进口水头最小的毛管上.假定灌水小区中 第条毛管上的第个滴头工作压力最大,第r条毛管 上的第t个滴头工作压力最小,r,t的具体值可以参 照本文第二部分中的方法确定,L,L,z,z可以分别用 L一S.+（一1）5和z一S.+（一1）s来计算, H,（L）,H,（L）,hs（z）,hs（

10、z）可以利用式（7）计算,故 h一It.一Hr（L）+jL一hs（1）+i?（24） h=tI.一Hr（L）+L一hs（1）+i?（25） 将式（24）和式（25）代人式（3）中,并按二项式定理 展开可得 g一zH生l二 （_+）（z一lv）/;（26） f 式（26）最终也可以写成类似于式（22）的形式,即 g一（27）g一一Z, 式中g考虑水力偏差和地形坡度的灌水小区流 量偏差率,;,综合考虑了支管与毛管的水头损 均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法43 失,J,一AH s+ 广 AAs ,Ah厂一灌水小区中工作压力最 小的滴头 沿等高线布设时,J一0,i一i,式（27）可以表示为 4-

11、Ahfi）AlH-1 :当支管顺坡布设,毛管垂直于支管沿等高线布设 时,O,一丁L,式（27）可以写成:4-Ahfj）ALH_1 g一一z 公式（27）说明水力偏差和地形坡度对流量偏差的 影响不是相互独立的,而具有一定的相关关系,可以利 用地形坡度与水力偏差的这种关系来减小流量偏差,提 高滴灌系统的灌水均匀度. 3公式验证与分析 为了验证上述公式的正确性,进行了滴灌灌水均匀 度试验,试验在国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心的 节水示范园进行.试验中选取支管内径D一32mm,毛 管内径d一12mm,长度z一60ITI,滴头间距S一30cm, 滴头设计流量q一2.2L/h,滴头流量公式为q一 0.8

12、758h.试验时,毛管顺坡布置,间距为0.5ITI,共布 置5条毛管;支管垂直于毛管布置;毛管铺设面由钢丝 连接而成,沿着毛管等距离布设7个”T”形调节杆支 座,作为钢丝铺设面的调坡控制点,通过调节支座高程 来控制铺设面坡度,进而调节毛管铺设坡度.试验开始 时,首先打开加压泵,为系统提供额定的工作压力,通过 调节流量调节阀和分流阀获得系统需要的工作压力,并 保持压力的稳定,压力可以通过精度为0.002MPa的 精密压力表读取;观测并记录滴头的流量及时间,然后 用称重法计算流量. 经试验测得不同坡度下的滴头最大和最小流量,并 由此可以得出不同坡度下的滴灌系统实测流量偏差率, 同时流量偏差率根据本

13、文算法,规范3.0.9条款及附录 c_】中的算法计算,其结果如下（表1）. 表1不同坡度下的流量偏差率计算结果 Table1Calculationresultsofflowdeviationunderdifferentslopes 注:地面坡度i顺流下坡时取正值,顺流上坡时取负值;以管道中水流顺流方向对毛管及滴头进行编号,支管中最上游的毛管为第1条毛管,毛管中最 上游的滴头为第1个滴头,按此依次排序.最小及最大流量的滴头位置分别在最后一条及第1条毛管上,其在毛管上的具体位置表中已给出. 从表1可以看出,同一坡度条件下,与规范算法相 比,本文的计算结果更接近于实际情况.但由于本文算 法未考虑滴头

14、制造偏差及其他因素（如滴头堵塞）对流 量偏差率的影响,所以在同一坡度下,通过本文公式计 算出的流量偏差率均小于实测值,但与实测值相比,本 文算法的偏差都在10以内,并且这种偏差随着坡度 的增大而减小,这是本文算法综合考虑了水力偏差和地 形坡度及其相互作用影响的结果;而规范算法一般采用 设计工作水头进行计算,因此其流量偏差率与实测值比 较,偏差较大,一般都大于159/6,最大达到39.19/6,另 外,规范算法的流量偏差均大于实际偏差,虽然能最大 限度地保证系统的灌溉均匀度,但却增大了系统的成 本. 利用本文公式还可以分析不同因素对滴灌系统流 量偏差的影响,以寻求提高灌水均匀度的途径.从式 （2

15、7）中可以看出:在其他条件不变的情况下,q随着 h.,h的减小而增大;同时表1中的计算结果表明:即使 h.在不断减小的情况下,实测流量偏差率及本文公式计 算的流量偏差率q均随着地形坡度i的增大仍然呈先 减小后增大的趋势,这说明在一定的坡度条件下,地形 44农业工程2007焦 坡度对水力偏差具有补偿作用,从而减小了流量偏差, 提高了灌水均匀度.本文的算法综合考虑了水力偏差和 地形坡度,特别是水力偏差和地形坡度的相关关系,使 流量偏差率的计算结果更接近于现实,从而使滴灌系 统的设计更接近于实际情况,并有助于滴灌系统的优化 设计. 4结论 1）分析了不同坡度下滴灌系统中工作压力最大与 工作压力最小的

16、滴头的分布情况,确定出水力偏差和地 形坡度对滴灌系统流量偏差率的影响,为准确模拟滴灌 系统流量偏差率提供了依据. 2）以考虑地面坡度的单毛管流量偏差率计算公式 为基础,推导出的小区流量偏差率计算公式与规范算法 相比,计算结果更接近于实际情况,可直接应用于工程 设计中. 3）在一定的坡度条件下,地形坡度对水力偏差具 有一定程度的补偿作用,可以利用地形坡度与水力偏差 之间的补偿作用在工程设计中减小流量偏差,提高滴灌 系统的灌水均匀度. 1 E2 3 参考文献 牛文全,吴普特,范兴科.微灌系统综合流量偏差率的计算 方法J.农业工程,2004,20（6）:85,88. 苏德荣.微灌系统压力变化对出流均

17、匀度影响的概率分析 EJ.水利,1991,（12）:3135. 朱德兰,吴普特,等.微地形影响下滴灌均匀度设计指标研 究J.排灌机械,2006,24（1）:2226. 4陈渠昌,郑耀泉.微灌工程设计灌水均匀度的选定J.农 业工程,1995,11（2）:128132. 5郑耀泉,陈渠昌.微灌均匀度参数之间的关系及其应用 J.灌溉排水,1994,13（2）:710. 6康跃虎.微灌系统水力学解析和设计M.西安:陕西科学 技术出版社,1999. 7KangY,NishiyamaS,KawanoH.Finiteelementanaly sisoflargescalemicroirrigationsys

18、temsA.Proc.ofthe FifthInternationalMicroirrigationCongressC.st Joseph,Mich,USA:ASAE,1995:8490. 8KangY,NishiyamaS.Analysis,ofmicroirrigation systemsusingalateraldischargeequationJ.Transac tionsoftheASAE,1996,39（3）:921929. 9牛文全,吴普特,范兴科.微灌系统综合流量偏差率与灌溉 均匀度模拟计算J.灌溉排水,2005,24（1）:6971. 10张国祥,吴普特.滴灌系统滴头设计水头

19、的取值依据J. 农业工程,2005,21（9）:2O一22. 11张国祥.考虑三偏差因素的滴灌系统流量总偏差率J.农 业工程,2006,22（11）:2729. 12郑耀泉,宁堆虎.滴头制造偏差的模拟与滴灌系统随机设 计方法的研究J.水利,1991,（7）:17. 13郑耀泉,陈渠昌.微灌均匀度参数之问的关系及其应用 71O. 14中华人民共和国水利部.微灌工程技术标准s.北京:中 国水利水电出版社,1995. 15范兴科,吴普特.毛管对灌水均匀度及系统管网布局的影 响_A.中国农业工程学会2005年学术年会论文集C. 北京:中国农业工程学会,2005.288292. 16BarraganJ,

20、WuiP.Simplepressureparametersfor microirrigationdesignJ.BiosystemsEnglneering, 2005.90（4）:463475. Methodforcalculatingflowdeviationindripirrigation systemunderuniformslope ZhangLin,WuPute,NiuWenquan,FanXingke,. （1.CollegeofWaterResourceandArchitecturalEngineering,NorthwestAgricultureandForestryUnive

21、rsity, Yangling712100,China;2.NationalEngineeringResearchCenterforWaterSavingIrrigationatYangling,Yangling712100,China） Abstract:Inordertoimitateaccuratelyflowdeviationindripirrigationsystem,basedonthehydraulictheory, thevariationregulationoftheheadlossofthelateralunderdifferentslopeswasanalyzed,and

22、thedripperdistri butionofmaximalandminimalworkingpressureunderdifferentslopesweredetermined.Takingintoaccountof hydraulicvariationandterrainslope,aformulatocomputetheflowdeviationofsinglelateralandthemethodfor calculatingflowdeviationinblockswerededuced.Comparedwithcalculationmethodintechnicalstanda

23、rdof microirrigationprojects,calculationresultismoreconsistentwithactualsituation.Itcanprovidethemore accuratetechnologicalguidancefordesigners,andmakesthatthepracticaloperationaltargetskeeppacewiththe designedtargetindripirrigationsystem. Keywords:uniformslope;dripirrigationsystem;flowdeviation;calculationmethod 该情况下一dhs.&o ,与&o情况相同,单 条毛管的流量偏差计算公式采用式（13）. 2）在整条毛管上dhfn&或 . h