高速绿化带滴灌系统设计优化软件开发

摘要:重庆忠万高速公路采用智能滴灌系统，实现绿化带示范工程自动灌溉。以其滴灌管网为研究对象，针对绿化带比降大、灌溉范围长的复杂条件，采用Matlab平台，基于Darcy-Weisbach公式开发了具有完全自主产权的滴灌管网设计优化软件。该软件具备友好交互界面，可实现初始水头、管长、管径、滴头间距、坡比等参数的优化，满足经济简便、出流均匀的要求。研究成果可以为类似工程的滴灌管网设计提供依据。

关键词:滴灌系统，高速公路绿化带，MatlabGUI平台，Darcy-Weisbach公式，出流均匀度

1概述

滴灌技术以其节水、高效、智能控制的优势广泛应用于农业、园林等行业。近年来，随着我国高速公路等基础设施的全面建设和智能化技术的发展，滴灌技术因其智能化、无需人工干预的特性在高速公路绿化带也日益推广。针对滴灌系统设计目前普遍存在的出流均匀度低、管网设计复杂等问题，国内外业内专家学者对滴灌管道的水力特性和系统优化进行了大量的研究。在滴灌管道水力特性理论研究方面，Kang［1］(1996)基于Darcy-Weisbach公式，用有限元法建立滴灌模型，分析滴管水头与灌溉流量之间的关系。Jain［2］(2002)建立进口水头与流量的冥函数关系式，借此分析单管、多管各型滴灌系统的设计方法。孙永胜［3］(2011)总结了低压滴灌系统的发展历史及研究进展。张林［4］(2008)认为低压条件下毛管管径是影响灌水均匀度的主要因素。可见滴灌系统的研究，主要采用Darcy-Weis-bach公式理论推导或者水工模型试验的方法，研究滴灌系统的管径、水头、滴头分布、控制流量等参数的最优解。但是忠万高速绿化带等实际工程仍然存在大比降、长距离等复杂边界条件的情况，缺乏明确可靠的解决方案，而采用水工模型试验则研究周期长、成本高。胡笑涛［5］分析了滴灌均匀度的研究现状和存在的问题，展望了该技术的发展前景。付旭辉［6］在基于Matlab平台，研发出一套的航道工程抛石断面形成过程监测可视化软件，实用性强。因此，本文基于Matlab软件平台，采用经典的Darcy-Weisbach公式计算滴灌管网系统内的水头分布、流量分布、水头损失等水力学特征，从而对管网设计优化提供依据。

2工程背景

忠万高速公路中央绿化带为灌木+草皮模式，灌溉系统由集水式蓄水池、输水干管、滴灌毛管组成，控制系统由远程控制闸门、PLC控制系统以及土壤湿度传感器、温度传感器构成，太阳能电池提供能源。整套系统能在监控气温、土壤湿度的条件下，自动控制滴灌系统的启闭及运行时长，实现无人工干预的全自动模式长期稳定运行。滴灌系统基本边界条件如下:1)蓄水池为直径8．70m，深度2．5m的罐状集水池，体积约108m3。蓄水池出口处设电磁阀控制开度和时长。2)蓄水池至滴灌毛管间为280m长、内径约63．8mm的PE-DN75输水干管。蓄水池至滴灌毛管进口端高差约为10．46m。3)滴灌毛管分为两段。一段为万州方向，长250m、坡比1．20%;另一段为忠县方向，长250m、坡比1．06%。在滴灌毛管段等间距在左、右侧布置2滴头，外接透明塑料软管，向绿化带植被供水。经过前期比选，滴头采用压力补偿式滴头，工作压力为5m～40m，流量为8L/h。针对以上边界条件，课题组针对忠万高速绿化带滴灌工程，基于Matlab平台开发了采用Darcy-Weisbach公式迭代求解的设计优化软件，分析管长L、管径D、滴头间距、坡比S等管网设计参数，为满足出流均匀度要求的管网系统方案提供科学依据。软件流程图见图1。

3软件技术特点

1)滴灌管网的设计涉及到管道长度、管径、滴头间距、地形坡比等参数的确定。多参数优化时存在计算耗时长、较难达到最优解的问题。本软件可以直接代入设计参数，快速验算管网水力性能;2)滴灌管网设计类别较多，本软件针对忠万高速绿化带滴灌工程，考虑采用压力补偿式滴头，工作额定压力为0．05MPa～0．40MPa，因此可以假设沿程水头分布满足额定工作压力要求，设定滴头出流量为均匀出流;3)本软件计算成果演示性好，计算参数由GUI界面设置，方便修改。模拟成果直接生成二维图像，显示管道内的压力H、雷诺数Re、水头损失等参数的分布特性，方便直观，可为工程决策提供科学依据;4)本软件易读性强，程序采用主流的科学计算软件Matlab编写，每部分功能确切、明了、模块化，简单易读;5)维护性强，本软件语言简单，层次分明，功能清晰，便于进行适时维护和升级。

4软件算法原理

4．1模型算法

本软件基于经典Darcy-Weisbach公式建立数学模型，推求沿程出流量满足植被需水量、且均匀度满足规范要求条件下滴灌管网内的水头分布特征。hf=λ1dv22g(1)其中，hf为沿程水头损失，m;λ为沿程水头损失系数;l为管长，m;d为管道直径，m;v为流速，m/s;g为重力加速度，取值9．81m/s2。根据尼古拉兹的研究成果，管道沿程水头损失系数λ与管道相对光滑度和水流流态有关。根据水力学中粘性底层厚度δ0与绝对粗糙度Δ的关系，管道内的流场通常划分为光滑区、过度粗糙区和粗糙区，而λ的经验迭代计算公式也不相同:其中，Re为雷诺数，其计算公式为:Re=vdv(3)其中，v为管内流速，m/s;d为管径，m;v为水的运动粘滞系数，一般在20℃时，可以取值υ=1．007×10－6m2/s。对于水力粗糙区而言，可以用以下公式试算沿程水头损失系数λ:λ=8gC2(4)根据曼宁公式(Manning)，谢才系数C可用下式计算:C=1nR1/6(5)由于忠万高速绿化带滴灌管网采用压力补偿式滴头，且额定工作水头为5m～40m，范围较大。假设沿程滴头处均满足滴头额定工作水头要求，则毛管出流量可近似认为恒定值。以此假设，根据Darcy-Weisbach和沿程阻力系数公式，可以建立滴灌毛管均匀出流的迭代求解数学模型，以此计算滴灌管网沿程水头分布特征。

4．2出流均匀度

滴灌系统孔口出流量的分布均匀性决定了植被灌溉均匀度和系统灌溉效率，通常采用均匀系数来定量评价。目前，我国已将克里斯琴均匀系数CU(Christiansen)计算式纳入了《喷灌工程技术规范》。因此，本文以CU系数作为滴灌系统出流均匀度的表征参数。灌溉均匀系数CU公式是基于平均偏差所导出，具体如式(6)所示。CU=(1－∑ni=1|qi－q珋|∑ni=1qi)×100%(6)其中，qi为第i个滴头的流量;q为所有滴头的平均流量。从克里斯琴均匀系数CU计算式中可看出，该公式体现滴灌毛管沿程出流量的方差，以综合评价滴灌均匀性。其数值越大，说明灌溉越均匀、系统越优。通常CU大于80%可以认为满足植被生长要求［8］。

5软件主要功能的实现

5．1参数输入

本软件输入参数较为简单，采用程序中GUI界面设置，简洁直观，方便修改。而且针对忠万高速的相关参数作为缺省值已经赋值完成，可以直接进入计算阶段。具体语句如下:1)GUI界面设计(见图2)。其中环境参数，包括温度、粘滞系数(与温度相关)、当量粗糙度(与滴灌管道材质相关)、坡比(与工程环境相关)。滴灌设计参数，主要为滴灌管路的设计指标，可以调整优化。包括输水干管长度、管径、滴灌毛管长度、管径、滴头间距、滴头流量和初始水头。毛管水头计算成果为计算输出值，显示滴灌毛管内水头的最大值和最小值，可以借此判断是否满足滴头额定工作水头的要求。2)设置常用参数。包括曼宁系数n_Manning、水流粘滞系数NZXS、当量粗糙度CCD、温度mp_Temp。functionm_Temperature_Callback(hObject，eventdata，handles)mp_Temp=str2double(get(handles．m_Temperature，’string’))该段语句为GUI界面信息输入可编辑文本框的数据读取命令，一旦数据修改完成，系统直接将“m_Temperature”文本框的“string”字符转换为数字并复制给“温度”参数“mp_Temp”。在“运行”按钮的callback函数中也对参数进行了集中赋值:该段语句为GUI界面信息输入可编辑文本框的数据读取命令，一旦数据修改完成，系统直接将“m_PBranchDiame-ter”文本框的“string”字符转换为数字并复制给“支管直径”参数“mp_PBDiameter”在“运行”按钮的callback函数中也对设计参数进行了集中赋值:以上环境参数和管网设计参数都参照重庆市忠万高速绿化带滴灌工程的实际情况设定了缺省值。当其他用户使用该软件时，可以自己的工程实际情况手动修改参数。当手动修改时，调试状态下，在Matlab命令栏可以看到修改的参数赋值，避免输入错误。

5．2计算结果输出

本软件输出参数较为简单，包括管内水头H、雷诺数Re、流速U、管内流量Q*的沿程分布特征。此外作为控制性参数，输出滴灌毛管内的最大水头max(H_ZX)和最小水头min(H_ZX)，判断管内水头是否满足滴头额定工作水头的要求。为了直观体现和检查错误，采用绘制二维曲线的型式来输出展示。具体语句如下:1)毛管内水力参数特征曲线输出滴头的正常工作与否，以及滴头出流的均匀度。此外，沿程流速、雷诺数Re、流量的分布特征可以检查计算结果数据是否符合实际，可以凭经验避免计算错误。2)毛管内水头分布范围输出。为了直观了解滴灌毛管内的水头分布特征，在参数设置界面GUI显示毛管内的水头最大值和最小值。%%在参数设置界面显示毛管内水头最大值和最小值，以检验是否满足要求set(handles．DispHMax，’string’，max(H_WZ));set(handles．DispHMin，’string’，min(H_WZ));输出界面显示如图4所示。该毛管水头计算成果的最大最小值可以帮助使用者判断该区间是否在压力补偿式滴头的额定工作压力范围内。如果是，则滴灌毛管的设计参数满足滴头要求;如果不是，则需要调整前面设定的滴灌管网设计参数。此外，最大值与最小值之间的差值越小，说明毛管内水头分布越均匀，滴灌均匀度越高。可以作为设计参数比选的参考。

5．3模型验证

为了验证软件的精度和可靠性，布置了初始水头为5．2m，5．5m，5．8m，滴灌毛管为120m长布置补偿式滴头的水力学试验，并与软件计算相同该边界条件下的水头分布特征。将水力实验数据与软件计算成果进行对比，见图5。从图5可见，设定边界条件的滴管沿程出流量，软件计算成果与水力学试验成果，总体趋势基本相同，软件计算值与试验测量值偏差小于5%。由此可以证明，软件计算成果与实际滴灌管网的水力特征相符，且误差基本在5%范围内，考虑植物生长的需水要求存在较高的适应范围，软件计算成果能满足滴灌管网设计精度要求。

6结论

从上述试验结果以及分析计算表明:1)本软件基于Matlab平台，采用水力学Darcy-Weis-bach公式计算滴灌管网系统内的水头分布、流量分布、水头损失等水力学特征，为滴灌管网的设计参数选择和优化提供依据。2)软件对忠万高速绿化带滴灌工程，考虑采用压力补偿式滴头，工作额定压力为0．05MPa～0．40MPa，因此可以假设沿程水头分布满足额定工作压力要求，设定滴头出流量为均匀出流。3)软件计算参数由GUI界面设置，方便修改。模拟成果直接生成二维图像，显示管道内的压力H、雷诺数Re、水头损失等参数的分布特性，方便直观，可为工程决策提供科学依据。由此可见，本软件采用Matlab编写，语言简单，层次分明、功能清晰、简单易读，便于进行适时维护和升级。以上研究成果可以为类似工程的滴灌系统设计优化提供依据。

作者:王文广 付旭辉 滕钢 刘彬 覃红 王昌贤 单位:重庆忠万高速公路有限公司 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心