喷灌工程树状管网水力计算的计算机实现

第28卷第4期 人 民 黄 河 Vol . 28, N o . 4 2006年4月 Y ELLOW R I VER A pr . , 2006

【灌溉 供水】

喷灌工程树状管网水力计算的计算机实现

杜子龙, 李援农, 李方红

1

1

2

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西杨凌712100; 2. 石家庄经济学院, 河北石家庄050031)

摘 要:通过对喷灌工程树状管网水力计算分析, 将CAD 、Excel 、数字图形、工程布置与计算机操作相结合, 探索了管网水力计算的计算机实现方式, 分析了喷灌工程的水力计算的数据流程。管网水力计算要素数据的自动采集后, 只要根据界面提示输入或调用自动采集的参数, 计算机就可自动完成管网水力计算并输出用户需要的计算结果。关 键 词:喷灌; 树状管网; 水力计算; 计算机中图分类号:

S275. 5 文献标识码:A 文章编号:1379(2006) 02

目前, 管道节水灌溉工程设计人员基本告别了图板做图的时代, 通过CAD 图件直接进行喷灌工程布置及设计。然而, 由于忽略了CAD 图件与其他软件环境的衔接, 因此在完成C AD 喷灌布置图后, 再通过手动采集水力计算要素、水力断面及管道纵断面, 使水力计算变得比较烦琐。A utoCAD 为当今世界上应用最广泛的CAD 系统, 但由于各个行业有自己的特殊要求, A utoCAD 不可能满足所有行业的要求, 这就需要进行二次开发[1]。我们通过对喷灌工程水力计算的分析, 将CAD 、Ex cel 、数字图形、工程布置与计算机操作相结合, 探索了管道灌溉管网水力计算的计算机实现方式, 以有利于管网工程设计的自动化, 减小断面图、材料统计等工作量, 使节水灌溉工程设计更为规范, 提高计算精度。

1 CAD 二次开发现状

20世纪80年代以来, 我国就开始了计算机在喷灌系统规划设计中的应用研究。如陈大雕[2]研究了用电子计算机模拟特性曲面法优化组合喷头; 刘子沛[3]、蒋履屏[4]等研究了用计算机优化管网设计的内容, 他们的研究成果为管道式喷灌系统CAD 的研制提供了方便的条件。但是, 由于当时计算机、设计水平等原因, 这些研究具有一定的局限性。针对目前管道灌溉发展和计算机发展现状, A utoCAD 二次开发已经越来越广泛地应用于节水灌溉工程设计。二次开发软件与其他软件环境结合后具有良好的开放性、通用性和灵活性, 使节水灌溉规划设计更为合理。

2 管网水力计算的计算机实现

为了方便用户进行水力计算, 同时运行CAD2000和O ffice 系统软件, 对灌水定额、灌水周期风系数、最大设计喷灌强度、喷头间距、支管间距、喷洒时间、喷洒的工作组数、每次同时喷洒的支管数、雾化指标等进行了输入计算的界面设计。计算流程如图1

所示。

图1 树状管网水力计算流程

收稿日期:17

基金项目:国家 十五 节水农业重大专项(2002AA 2Z4041) 。 作者简介:杜子龙(), 男, 山东菏泽人, 在读硕士, 主要从事管道灌溉技术研究。

第4期 杜子龙等:喷灌工程树状管网水力计算的计算机实现

51

2. 1 灌水定额

灌水定额是指一次灌水单位面积上的灌水量。计算灌水定额用下面的公式[5]:

m =1000 d H ( m ax - m i n ) f /

式中: m 3;H 为计划湿润层厚度, c m ; d 为土壤干容重, g /c m ax 为作物生长土壤允许最大含水量; m in 为作物生长土壤允许最小含水量; f 为土壤田间持水量; 为喷灌水利用系数(取0. 7~0. 9) 。

例:参考邻县实验资料, 确定计划湿润层深度H =40c m, 土壤含水量上下限按田间持水量的85%与65%设计, 土壤干容重为1. 45g /cm3的砂壤土, 其田间持水量为22%(质量百分比), 设风速低于3. 4m /s , 喷洒水利用系数取 =0. 85, 则灌水 (4) N 列依据H f =1. 1h f 调用M 列的数据;

(5) P 4~P 19依据P i =P i-1+ h -h w 调用R 、P 、N 列的数据, 例如, P 7(C点的自由水头) =P 5+O 6-N 6, 其中, P 5为D 点的自由水头, O 6为D 点与C 点的地形高差, N 6为CD 管段的水头损失。

当增加管段时, 只需在工作表相应位置插入新的管段, 即可利用Exce l 2000工作表中单元格对公式的复制功能, 得到新管段的水力要素。

2. 3 水锤压力验算

有压管道中, 水流转向或其他原因引起水流流动不畅等, 造成管道水流流速或流态变化等, 从而使管道中水流压力急剧定额计算, 如图2

。

升高或降低的现象称为水锤或水击[7]。通常有水泵起动产生的起动水锤、启闭阀门产生的启动水锤和停泵水锤, 其中停泵水锤危害最大。水锤压力验算是喷灌设计中重要的环节之一。管网水锤压力验算流

程见图3。

图2 喷灌灌水定额计算

2. 2 实现形式

对于管道水力计算, 我们采用计算机自动采集并转化为Ex cel2000的形式实现了其计算的电算化。

Excel 表格各列的含义如下:A 列为管段编号; B 列为节点编号; C 列为喷头流量; D 列为喷头数; E 列为管段流量; F 列为经济流速; G 列为经济管径; H 列为实选管径; I 列为管长; J 、K 、L 列分别为系数f 、m 、b 值; M 列为沿程损失; N 列为管道水头总损失; O 列为地形高差; P 列为自由水头。

管道水力计算时Exce l 表格各列的调用关系如下:(1) E 列依据Q =q n 调用C 列和D 列的数据; (2) G 列依据D 18. 8

V

调用E 列和F 列的数据, 在低压管道系统中, 管网及管道内的流速一般控制在0. 5~1. 8m /s , 各种管材的适宜流速可参考表1;

(3)M 列依据h LQ m

f =f b 调用E 、H 、I 、J 、K 、L 列的数据[6]D ,

其中各管材f 、m 、b 参数值见表2。

表1 各种管材的适宜流速 m /s

管材混凝石棉

水泥硬塑地面移钢筋混

钢丝网

土管水泥管砂管料管动软管凝土管水泥管适宜0. 5~0. 7~0. 4~0. 6~0. 4~0. 8~0. 8~流速

1. 0

1. 3

0. 8

1. 5

0. 8

1. 5

1. 4

表2 各管材f 、m 、b 参数值

管 材f m b 图3 水锤压力验算流程

混凝土管

n =0. 0131. 312 1062. 05. 33n =0. 0141. 516 1062. 05. 333 结 语

n =0. 015

1. 749 10

6

2. 05. 33旧钢管、旧铸铁管6. 26 1051. 905. 10通过将喷灌工程水力计算与计算机操作结合, 探索了水力石棉水泥管1. 455 105

1. 854. 89计算的计算机实现方式, 分析了喷灌工程的水力计算的数据流硬塑料管0. 948 10

5

1. 774. 77铝管、铝合金管

0. 861 105

1. 74

4. 74

程, 并绘制了流程图, 在Excel2000下利用二次开发工具VBA 对上述流程进行了编程实现, 将结果存储成(下转第60页)

60

人 民 黄 河 2006年

[J].中国水土保持, 2003, (10).

[4] R enard K G, Fo ster G R, W eesies G A, et al . RU SLE :

R ev ised U n i v ersal So il L oss Equation [J].and W ate r Conse rvation , 1991, 41.

[5] M oore I D, W ilson J P. R eply to co mm ents by Foster on

L eng t h-slope Fac t o rs for the R ev i sed U n i versa l So il L oss Equation :S i m p lified M ethod o f Esti m a ti on [J].Journa l of So il and W ater Conservati on , 1994, 49.

[6] 张玉斌, 郑粉莉, 贾媛媛. W EPP 模型概述[J].水土保持

研究, 2004, 11(4).

[7] 杨勤科, 李锐. L ISE M:一个基于G IS 的流域土壤流失预

报模型[J].水土保持通报, 1998, 18(3).

[8] 贾媛媛. 黄土丘陵沟壑区小流域分布式水蚀预报模型初

步研究[D ].杨凌:中国科学院水土保持研究所, 2004. [9] 杨勤科, 李锐. 中国水土流失水土保持定量研究进展[J].

水土保持通报, 1998, (10).

[10] 杨勤科, 李锐, 李智广, 等. 区域水土流失快速调查研究

初报[J].水土保持通报, 1999, (6).

[11] 刘新华, 杨勤科, 汤国安. 中国地形起伏度的提取及在

水土流失定量评价中的应用[J].水土保持通报, 2001, (2).

[12] 刘新华. 区域水土流失地形因子分析与提取研究[D ].

杨凌:中国科学院水土保持研究所, 2001.

[13] 朱红春. 数字高程模型(DE M ) 空间数据挖掘研究[D ].

西安:西北大学, 2003.

[14] 陈楠, 林宗坚, 李成名, 等. 1 10000及1 50000比例

尺DE M 信息容量的比较 以陕北韭园沟为例[J].测绘科学, 2004, (6).

[15] 汤国安, 杨勤科, 张勇, 等. 不同比例尺DE M 提取地面坡

度的精度研究 以在黄土丘陵沟壑区的试验为例[J].水土保持通报, 2001, (2).

Interna

Journal o f So il

究水土流失状况, 其结果往往存在着很大的不确定性, 甚至不能用来指导实践。不同的空间尺度, 水土流失的过程与机理也有着不同的特点。因此, 应该根据尺度的变化, 选择适合该尺度下的地形因子来建立模型。

3 建议及展望

(1) 水土流失、土壤侵蚀的研究应逐步从坡面、小流域向区域尺度转变, 基于坡面、小流域水土流失的研究已不能满足大面积开发、治理的要求。研究区域尺度上水土流失的地形因子, 可以以小流域水土流失因子及其格局与水土流失的相互作用机理为基础, 根据小流域 区域尺度水土流失地形因子的尺度转换特征来推测区域尺度上水土流失的现象和过程。

(2) 目前, 对区域尺度水土流失地形因子还缺乏系统、深入的研究, 在区域地形因子的选取上还缺少理论上的支撑, 还没有形成一套完整的区域水土流失地形指标体系, 也没有对各种地形因子和侵蚀产沙的关系进行系统的研究。所以, 应尽快建立起一套完整的指标体系, 确定不同尺度下的地形指标选取依据, 进一步提高研究的准确性。

(3) 在已有的地形因子的前提下, 通过分析研究, 提取新的、更具综合性的地形因子。

总之, 对区域水土流失地形因子的研究, 将会在坡面、小流域水土流失研究的基础上为水土流失、生态环境的治理提供重要的参考依据。

参考文献:

[1] M oore I D, Burch G J . Phys i ca l bas i s o f t he leng t h -sl ope

fac t o r in the U n i versa l So il Loss Equati on[J].So il Sc i ence Soc iety of Am erica Journa, l 1986, 50.

[2] Des m et P J J , G overs G. Co mm ent onM odelli ng topog raph ic

potenti a l for eros i on and depositi on usi ng G IS[J].ti onal Journal of G eog raph ica l Infor m a tion Science , 1997, 11. [3] 陈永宝, 黄传伟, 陈正伟, 等. U SLE 在我国的应用和发展

【责任编辑 王 琦】

(上接第51页) Exce l 2000工作表形式, 简化了工作量, 并提高了工作效率。

[4] 蒋履屏. 喷灌管网系统的管径优化设计[J].喷灌技术,

1989, (1).

[5] 马耀光, 张保军. 旱地农业节水技术[M].北京:化学工业

出版社, 2004.

[6] 白丹, 魏小抗. 节水灌溉工程技术[M].西安:陕西科学技

术出版社, 2001.

[7] 喷灌工程设计手册编写组. 喷灌工程设计手册[M ].北

京:水利电力出版社, 1989.

参考文献:

[1] 郑文刚, 赵春江. 节水灌溉计算机辅助设计的关键技术

[J].灌溉排水学报, 2003, (12).

[2] Dad i ao Chen , W W w a llender . Econom ic Sprinkler Se lecti on

Spac i ng and O rien tati on[J].TRAN S A CT I ON of the A S A E , 1984, 27(3).

[3] 刘子沛. 用离散管径的动态规划法优化树状管网[J].喷

灌技术, 1988, (3).

【责任编辑 赵宏伟】