淺談灌溉渠道的優化設計

【摘要】根據明渠均勻流原理，推求灌溉渠道設計的最佳水力斷面法和實用經濟斷面法，通過對2種設計方法優化對比分析，提出了實用經濟斷面法在灌溉渠道設計中的實用性，據此確定渠道橫斷面結構尺寸和不沖不淤流速的約束條件。根據渠道縱斷面設計原則，確定干渠和各支渠取水口要求的控制水位的計算方法，確定渠道水位銜接的約束條件。根據渠道挖填平衡原則，確定了灌溉渠道工程量與渠道填方量、挖方量、渠道比降和填方損失系數等有關的非線性函數，該結論為灌溉渠道優化設計提供技術支撐。

【關鍵詞】灌溉渠道；優化設計；明渠均勻流，最佳水力斷面；實用經濟斷面

灌溉渠道斷面優化設計的科學與否直接影響到工程的經濟性、水資源利用效率以及工程在農業生產中效益的發揮。渠道斷面設計的基本內容是在滿足各種約束條件下利用優化方法確定出斷面設計參數，提高輸水效率，降低工程費用。其設計問題一般為高維、非線性、多約束的復雜優化問題，傳統的設計方法如試算法、圖解法、查圖法日顯掣肘。近年來，倪士超將擴展微分進化算法應用于解決渠道斷面設計中的非線性優化問題，并以實例進行了計算，算例表明擴展微分進化算法能有效解決渠道斷面的優化設計問題，且具有全局尋優能力強、解的精度高等優點 [1]；高勤根據渠首流量、借助計算機輔助設計軟件和明渠均勻流公式率定U形渠道水力最優斷面，并從投資、設計、施工等各個方面對U形預制混凝土渠道進行優化斷面設計，具有施工方便、造價低廉、質量可靠、節水等效益 [2]；劉耀芳將Hopfield神經網絡引入灌溉渠系密度優化過程中，進一步將貨流問題與渠道輸水問題的基本思想進行對比，提出Hopfield神經網絡應用于渠系密度優化中的可行性，建立渠系優化的網絡能量函數 [3]；張禮兵提出試驗遺傳算法（EGA）以解決灌溉排水工程設計中的非線性優化問題，算例表明：EGA能有效解決灌溉渠道斷面和排水溝道的優化設計問題，且具有計算效率高、解的精度好等優點，在農業灌排系統優化設計中具有較高的實用性 [4]。本文主要針對灌溉渠道優化設計方法，提出了灌溉渠道最佳水力斷面和實用經濟斷面的設計方法，并對兩種方法分析比較，提出從經濟、技術和管理等方面綜合考慮的灌溉渠道優化設計方法，為灌區灌溉渠道優化設計提供技術支持。

1. 灌溉渠道縱橫斷面的設計

灌溉渠道的設計流量、最小流量和加大流量確定后，就可據此設計渠道的縱橫斷面。設計流量是進行水力計算、確定渠道過水斷面尺寸的主要依據。縱橫斷面的設計不僅要滿足渠道輸配水要求，還要滿足渠床縱橫斷面的穩定條件 [5]。渠道橫斷面的設計要求是保證設計的斷面能夠輸送設計流量和加大流量，設計的渠床穩定、不淤積、不沖刷、不塌坡；渠道縱斷面的設計要求是保證渠道有足夠的水位高度，以滿足大部分農田自流灌溉，渠道土石方量小、渠系建筑物少，經濟合理。縱向穩定要求渠道在設計條件下工作時，不發生沖刷和淤積，或在一定時期沖淤平衡 [6]。平面穩定要求渠道在設計條件下工作時，渠道水流不發生左右搖擺。渠道縱斷面和橫斷面的設計是相互聯系、互為條件，在設計實踐中應通盤考慮，交替進行，反復調整，最后確定優化斷面 [7]。

1.1灌溉渠道橫斷面設計。

1.1.1最佳水力斷面設計法。

渠道橫斷面尺寸是根據渠道設計流量通過水力計算加以確定，通常采用明渠均勻流計算公式計算，即：

1.1.1.1灌溉渠道基本參數的確定。根據設計渠道時要求工程量小，投資少的原則，即在設計流量Q、比降i、糙率系數n值相同的條件下，應使渠道過水斷面面積A最小，滿足過水斷面為最佳水力斷面。由上述條件可假設，設A、x為設計水深h、渠道底寬b和邊坡系數m的函數，由式（1）、式（2）和式（3）可得渠道基本參數A、x、Q、n和i之間的非線性函數為：

1.1.1.2灌溉渠道不沖不淤流速的約束條件。由公式：

1.1.2實用經濟斷面設計法。

雖最佳水力斷面在相同流量下過水斷面面積最小，但從經濟、技術和管理等方面綜合考慮，其斷面比較窄深，不便于施工，容易塌方，它有一定的局限性。應用于較大型的渠道時，由于深挖高填，施工開挖工程量及費用大，維護管理也不方便，流量改變時水深變化較大，給灌溉、航運帶來不便。為了克服最佳水力斷面的加大水深、減小水深的缺點，同時又使過水斷面面積接近于最佳水力斷面的面積，因而提出實用經濟斷面設計法。

1.1.2.1擬定偏離系數：

1.1.2.2計算γ： γ=h經h優（9）

式中：h經為實用經濟斷面的水深，m；h優為最佳水力斷面的水深，m。

則有： γ=a5/2-a（a4-1）（10）

1.1.2.3計算寬深比： β=aγ2（21+m2-m）-m（11）

式中：β為寬深比；α為偏離系數；m為邊坡系數；γ為系數。

1.2灌溉渠道縱斷面設計。

灌溉渠道不僅要滿足輸送設計流量的要求，還要滿足水位對自流灌溉控制的要求。縱斷面設計的任務是根據灌溉水位要求確定渠道的空間位置，先確定不同樁號處的設計水位高程，再根據設計水位確定渠底高程、堤頂高程、最小水位，標出渠系建筑物類型，并計算出土石方工程量 [8]。

1.2.1灌溉渠道的水位推算。

為了滿足自流灌溉的要求，各級渠道的取水口和分水口都應具有足夠的水位高程，該水位是根據灌溉面積上控制點的高程加上各種水頭損失，自下而上逐級推算出來的 [9]，水位公式如下。

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

式中：B分為支渠取水口處控制水位，m；A0為渠道灌溉范圍內參考點的地面高程，參考點一般選在最難灌溉的地點及渠道分水口近處或遠處，視地面坡度和渠道的關系而定，m；Δh為參考點與農渠水面的高差，一般取0.1～0.2m；L為各級渠道長度，m；i為各級渠道的比降；為水流通過渠系建筑物的水頭損失，m。

1.2.1.2計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設計水面線推求，其公式如下：

式中：B首為干渠取水口要求的控制水位，m；L為干渠段長度，m；i為干渠比降；為干渠局部水頭損失，m；B分為支渠取水口處控制水位，m。

1.2.2灌溉渠道縱斷面設計中的水位銜接。

渠道縱斷面設計中的水位銜接是處理渠道與建筑物、渠道上下段和上下級之間的水位關系問題 [9]。當渠道通過的流量為最小流量時，則渠道與建筑物、渠道上下段和上下級之間的水位應滿足要求，即對同一條渠道，第j渠段末的渠道水位與j+1段渠首的渠道水位之差滿足一定的控制條件：