一种双向微灌毛管水力设计方法

摘要

本发明公开了一种双向微灌毛管水力设计方法，将双向微灌毛管最佳支管位置定义为使得支管双侧毛管灌水器平均工作水头相等的支管位置。基于能廓线法，构建了双向微灌毛管的水力解析模型，包括：最佳支管位置计算公式，毛管进口工作水头和灌水器最小工作水头计算公式，以及灌水均匀度评价指标计算公式。利用本发明，在已知双向微灌毛管水力设计参数的前提下，可以方便准确地设计最佳支管位置，计算毛管进口工作水头及灌水器最小工作水头，并评价灌水均匀度；同时，可以在给定灌水均匀度和其它设计指标的前提下，根据已知双向微灌毛管管径，快速准确地计算毛管极限管长，或者根据双向微灌毛管管长，计算毛管最小管径。本发明提出了一个新的双向微灌毛管水力设计方法，简便可行，可提高微灌工程的设计效率。

主权项

一种双向微灌毛管水力设计方法，其特征在于，将双向微灌毛管最佳支管位置定义为使得支管双侧毛管灌水器平均工作水头相等的支管位置；首先构建双向微灌毛管的水力解析模型，包括：最佳支管位置计算公式，毛管进口工作水头和灌水器最小工作水头计算公式，以及灌水均匀度评价指标，包括流量偏差系数，流量偏差率，凯勒均匀系数和分布均匀系数计算公式；在此基础上，提出双向微灌毛管常见的水力设计过程，包括三种情况：①已知双向微灌毛管管径，管长及其它设计变量，确定最佳支管位置，毛管进口工作水头和灌水器最小工作水头，同时评价灌水均匀度；②已知双向微灌毛管管径，设计灌水均匀度及其它设计变量，计算双向毛管极限管长，毛管进口工作水头和灌水器最小工作水头；③已知双向微灌毛管管长，设计灌水均匀度及其它设计变量，计算双向毛管最小管径，毛管进口工作水头和灌水器最小工作水头；其中，构建的双向微灌毛管水力解析模型包括：(1)双向微灌毛管最佳支管位置计算公式：${(1-BMP)}^{m+1}-{\mathrm{BMP}}^{m+1}=\frac{m+2}{m+1}\frac{J}{2}---\left(1\right)$式中：BMP为双向毛管最佳支管位置设计参数，BMP＝L^up/L；L^up为逆坡段毛管长度，单位：m；L为双向微灌毛管总长度，单位：m；m为流量指数；J为与双向毛管等长的单向顺坡毛管的坡降比，J＝ΔH_S/ΔH_F，0≤J≤2(m+1)/(m+2)；ΔH_s为与双向毛管等长的单向顺坡毛管进口与末端的地形高差，ΔH_s＝S₀L，单位：m；S₀为地形坡度，S₀≥0；ΔH_F为与双向毛管等长的单向毛管的总摩阻损失，ΔH_F＝F_CF_sKQ^mL/D^b，单位：m；F_C为克里斯琴森多口系数，当N＞100时，F_C＝1/(m+1)；F_s为考虑灌水器局部水头损失的毛管总水头损失扩大系数，通常F_s＝1.10～1.20；Q为双向毛管进口总流量，Q＝N·q_d，单位：L/h；N为双向微灌毛管灌水器个数，N＝L/s_e+1；s_e为灌水器间距，单位：m；q_d为灌水器设计流量，单位：L/h；D为毛管内径，单位：mm；K为摩阻系数；b为管径指数；设计参数m，K和b取值可查阅《微灌工程设计规范》；针对流量指数m的不同取值，式(1)简化为$BMP=\left\{\begin{array}{ccc}0.0637J^2-0.4347J+0.5& 0\le J\le 1.467& m=1.75\\ 0.0528J^2-0.4286J+0.5& 0\le J\le 1.458& m=1.69\\ -0.375J+0.5& 0\le J\le 1.333& m=1.00\end{array}\right.---\left(2\right)$ (2)双向微灌毛管进口工作水头计算公式为： h₀＝h_d+αΔH_F   (3)$\alpha =\frac{m+1}{m+2}{\mathrm{BMP}}^{m+1}+\frac{1}{2}BMP·J---\left(4\right)$式中：h₀为双向微灌毛管进口工作水头，单位：m；h_d为灌水器设计工作水头，单位：m；α为双向毛管进口工作水头计算参数；针对流量指数m的不同取值，式(4)简化为$\alpha =\left\{\begin{array}{ccc}-0.017J^3-0.0278J^2+0.0028J+0.1087& 0\le J\le 1.467& m=1.75\\ -0.016J^3-0.031J^2+0.0016J+0.1128& 0\le J\le 1.458& m=1.69\\ -0.0938J^2+0.1667& 0\le J\le 1.333& m=1.00\end{array}\right.---\left(5\right)$ (3)双向微灌毛管灌水器最小工作水头计算公式为： h_min＝h_d‑βΔH_F   (6)$\beta =\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{m+2}{\mathrm{BMP}}^{m+1}+\frac{1}{2}BMP·J& 0\le J<\frac{m+1}{2^m}\\ \frac{1}{m+2}{(1-BMP)}^{m+1}-\frac{1}{2}(1-BMP)J+m{\left(\frac{J}{m+1}\right)}^{1+1/m}& \frac{m+1}{2^m}\le J\le 2\frac{m+1}{m+2}\end{array}\right.---\left(7\right)$式中：h_min为双向微灌毛管灌水器最小工作水头，单位：m；β为双向微灌毛管灌水器最小工作水头计算参数；针对流量指数m的不同取值，式(7)简化为$\beta =\left\{\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}-0.1316J^2+0.1547J+0.0399& 0\le J\le 0.818\\ 0.0544J^2+0.0395J+0.0101& 0.818<J\le 1.467\end{array}& m=1.75\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}-0.1316J^2+0.1531J+0.0423& 0\le J\le 0.834\\ 0.0565J^2+0.0321J+0.0127& 0.834<J\le 1.458\end{array}& m=1.69\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}-0.1406J^2+0.1250J+0.0833& 0\le J\le 1.000\\ 0.1094J^2-0.1250J+0.0833& 1.000<J\le 1.333\end{array}& m=1.00\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(8\right)$(4)双向微灌毛管仅考虑水力偏差的流量偏差系数计算公式为：${\mathrm{CV}}_{qh}={\lambda }_{CVqh}\frac{{\mathrm{x\Delta H}}_F}{h_d}---\left(9\right)$$\begin{array}{c}{\lambda }_{CVqh}={\mathrm{BMP}}^2\sqrt{\frac{1}{2m+3}{\left(\frac{m+1}{m+2}\right)}^2{\mathrm{BMP}}^{2m}+\frac{1}{m+3}\frac{m+1}{m+2}{\mathrm{BMP}}^{m}J+\frac{1}{12}{J}^2}\\ +{(1-BMP)}^2\sqrt{\frac{1}{2m+3}{\left(\frac{m+1}{m+2}\right)}^2{(1-BMP)}^{2m}-\frac{1}{m+3}\frac{m+1}{m+2}{(1-BMP)}^{m}J+\frac{1}{12}{J}^2}\end{array}---\left(10\right)$式中：CV_qh为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的流量偏差系数；λ_CVqh为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的流量偏差系数计算参数；针对流量指数m的不同取值，式(10)简化为${\lambda }_{CVqh}=\left\{\begin{array}{ccc}0.0182J^3+0.0677J^2-0.0399J+0.0453& 0\le J\le 1.467& m=1.75\\ 0.023J^3+0.0591J^2-0.0402J+0.0474& 0\le J\le 1.458& m=1.69\\ 0.1317J^3-0.1559J^2+0.0111J+0.0746& 0\le J\le 1.333& m=1.00\end{array}\right.---\left(11\right)$ (5)双向微灌毛管仅考虑水力偏差的流量偏差率计算公式为：$q_{hv}={\lambda }_{qhv}\frac{{\mathrm{x\Delta H}}_F}{h_d}---\left(12\right)$${\lambda }_{qhv}\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{BMP}}^{m+1}+BMP·J& 0\le J\le {(1-BMP)}^m\\ \frac{m}{2(m+1)}J& {(1-BMP)}^m<J\le \frac{m+1}{2^m}\\ m{\left(\frac{J}{m+1}\right)}^{1+1/m}& \frac{m+1}{2^m}<J\le 2\frac{m+1}{m+2}\end{array}\right.---\left(13\right)$ 式中：q_hv为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的流量偏差率；λ_qhv为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的流量偏差率计算参数；针对流量指数m的不同取值，式(13)简化为${\lambda }_{qhv}=\left\{\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}-0.1759J^2+0.1615J+0.1485& 0\le J\le 0.834\\ 0.3182J& 0.576<J\le 0.818\\ 0.1583J^2+0.2421J-0.0433& 0.818<J\le 1.467\end{array}& m=1.75\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}-0.1792J^2+0.1891J+0.1549& 0\le J\le 0.593\\ 0.3141J& 0.593<J\le 0.834\\ 0.1626J^2+0.2294J-0.0421& 0.834<J\le 1.458\end{array}& m=1.69\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}-0.2344J^2+0.125J+0.25& 0\le J\le 0.80\\ 0.25J& 0.800<J\le 1.000\\ 0.25J^2& 1.000<J\le 1.333\end{array}& m=1\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(14\right)$ (6)双向微灌毛管仅考虑水力偏差的凯勒均匀系数计算公式为：${\mathrm{EU}}_h={(1-\beta \frac{{\mathrm{\Delta H}}_F}{h_d})}^x---\left(15\right)$ 式中：EU_h为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的凯勒均匀系数； (7)双向微灌毛管仅考虑水力偏差的分布均匀系数计算公式为：${\mathrm{DU}}_h={(1-{\lambda }_{DUh}\frac{{\mathrm{\Delta H}}_F}{h_d})}^x---\left(16\right)$${\lambda }_{DUh}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{3}{8}(2BMP-1)J+\frac{1-{0.25}^{m+1}}{m+2}[{\mathrm{BMP}}^{m+2}+{(1-BMP)}^{m+2}]& 0\le J<\frac{m+1}{8^m}\\ \begin{array}{c}\frac{1-{0.25}^{m+1}}{m+2}{\mathrm{BMP}}^{m+2}+\frac{1}{m+2}{(1-BMP)}^{m+2}\\ +m{\left(\frac{J}{m+1}\right)}^{1+1/m}(1-BMP)-\frac{1}{2}{(1-BMP)}^{2}J+\frac{3}{8}{\mathrm{BMP}}^{2}J\end{array}& \frac{m+1}{2^m}<J\le 2\frac{m+1}{m+2}\end{array}\right.---\left(17\right)$ 式中：DU_h为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的分布均匀系数；λ_DUh为双向微灌毛管仅考虑水力偏差的分布均匀系数计算参数；针对流量指数m的不同取值，式(17)简化为${\lambda }_{DUh}=\left\{\begin{array}{ccc}0.0245J^3+0.0286J^2+0.0055J+0.0383& 0\le J\le 1.467& m=1.75\\ 0.0267J^3+0.0248J^2+0.0024J+0.0406& 0\le J\le 1.458& m=1.69\\ 0.0810J^3-0.0769J^2-0.0170J+0.0786& 0\le J\le 1.333& m=1.00\end{array}\right.---\left(18\right)$ (8)根据不同的灌水均匀度评价指标，双向微灌毛管极限管长的计算公式分别为： ①基于流量偏差系数 ②基于流量偏差率$L_{max}=\frac{\left[q_{hv}\right]}{{\lambda }_{qhv}}\frac{D^b{h}_d}{{\mathrm{xF}}_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^m}---\left(20\right)$ ③基于凯勒均匀系数$L_{max}=\frac{1-{\left[{\mathrm{EU}}_h\right]}^{1/x}}{\beta }\frac{D^b{h}_d}{F_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^m}---\left(21\right)$ ④基于分布均匀系数$L_{max}=\frac{1-{\left[{\mathrm{DU}}_h\right]}^{1/x}}{{\lambda }_{DUh}}\frac{D^b{h}_d}{F_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^m}---\left(22\right)$式中：L_max为满足灌水均匀度设计标准的双向微灌毛管极限管长，单位：m；[CV_qh]为仅考虑水力偏差的流量偏差系数设计标准；[q_hv]为仅考虑水力偏差的流量偏差率设计标准；[EU_h]为仅考虑水力偏差的凯勒均匀系数设计标准；[DU_h]为仅考虑水力偏差的分布均匀系数设计标准； (9)根据不同的灌水均匀度评价指标，双向微灌毛管最小管径的计算公式分别为： ①基于流量偏差系数$D_{\min }={\left[\frac{{\lambda }_{CVqh}}{\left[{\mathrm{CV}}_{qh}\right]}\frac{{\mathrm{xF}}_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^{m}L}{h_d}\right]}^{1/b}---\left(23\right)$ ②基于流量偏差率$D_{\min }={\left[\frac{{\lambda }_{qhv}}{\left[q_{hv}\right]}\frac{{\mathrm{xF}}_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^{m}L}{h_d}\right]}^{1/b}---\left(24\right)$ ③基于凯勒均匀系数$D_{\min }={\left[\frac{\beta }{1-{\left[{\mathrm{EU}}_h\right]}^{1/x}}\frac{F_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^{m}L}{h_d}\right]}^{1/b}---\left(25\right)$ ④基于分布均匀系数$D_{\min }={\left[\frac{{\lambda }_{DUh}}{1-{\left[{\mathrm{DU}}_h\right]}^{1/x}}\frac{F_C{F}_s{\mathrm{KQ}}^{m}L}{h_d}\right]}^{1/b}---\left(26\right)$ 式中：D_min为满足灌水均匀度设计标准的双向微灌毛管最小管径，单位：mm。