灌溉渠道的优化设计研究

热比耶?艾尔肯

【摘要】在农业生产中，灌溉工程发挥了重要作用。近些年来，为了提高水资源的利用率，提升农业生产产量，灌溉渠道的设计工作越来越被人们所关注。灌溉渠道的优化设计是一个系统化的过程，主要对非线性、高维等方面进行优化，但是渠道设计的影响因素比较多，且具有一定复杂性，因而本文主要对灌溉渠道的优化设计进行了研究，希望对相关研究领域提供帮助。

【关键词】灌溉渠道；优化设计；工程效益

随着我国农业生产的快速发展，农业灌溉的作用更加突出。在灌溉过程中，灌溉渠道面设计是否合理，会对工程的效益、资源利用情况及农业发展程度直接产生影响。近些年来，随着科学技术的发展，人们认识到了科学灌溉的重要性，使灌溉工作发挥了应用的作用。但是随着灌溉规模的增大，实际灌溉中出现的问题也不断增多。为了提高输水效率，提高农业生产效益，需要对灌溉渠道进行优化设计。

一、灌溉渠道纵、横断面设计要求

在对灌溉渠道的纵、横断面进行设计之前，需要对灌溉渠道的日常流量，即最大流量和最小流量进行分析，进而精准确定流量设计。我们知道水力计算和渠道面的尺寸确定时，都需要把设计流量作为依据。当对灌溉渠道的横断面进行设计时，不仅仅要满足渠道当前的输配水需求，同时还要满足灌溉渠道稳定性的要求，也就是要保证渠道设计的科学性，可以输送大量水资源，同时要确保渠床的稳定性，不会发生坍塌、冲刷和淤积等问题。除此之外，还要保证绝大部分的农业用田能够自流灌溉，工程土石方的使用量少及经济适用性强。对于渠道的纵面设计，同样要保证不会出现淤积或冲刷的情况，在特殊时期内不会发生冲淤平衡。总而言之，需要对灌溉渠道的纵横断面进行科学设计，确保灌溉工程作业时，渠道内部的水流不会出现左右摆动的情况。灌溉渠道的纵、横断面设计相辅相成，互相影响，因而在对渠道纵、横截面进行设计时，要全方位、多角度的进行考考，并要对设计方案进行灵活调整，对多种因素进行充分考虑与分析后，确定最优的设计方案。

二、灌溉渠道横断面的优化设计

为了更好对灌溉渠道的横截面进行设计，需要对水力进行计算，进而来确保横断面尺寸的准确性。在正常情况下需要会利用明渠均匀流的计算公式，具体计算形式如下：

在上述公式中，A表示渠道过水面的面积（m2）；C表示谢才系数；Q表示渠道的设计流量（m3/S）：n表示糙率系数；i表示比降；R表示水力的半径（m）；x表示湿周（m）。

在灌溉渠道设计过程中，需要遵照工程量最小的原则，这样成本支出会降低。在保证设计流量、糙率系数、比降条件一定的情况下，要使得渠道过水面的面积最小，此时满足过水的断面是最佳的水力断面。通过目标函数、约束函数可以得到渠道流速在满足不冲淤流速的条件为：

，其中x为最小值。

三、U型断面灌溉渠道的优化设计

由于U型断面具有多种优势，输水输沙性能良好，占地面积比较小，能够节省原材料，同时抗基土冻胀损坏的能力较强。U型断面的渠道比较适用于在小型罐区中使用，并且在灌溉工程的施工中，并结合混凝土浇筑的方式。现阶段，应用U型断面的灌溉渠道数量越来越多，在对U型断面进行设计时，往往也是把明渠均匀流公式作为了基础。下图为U型灌溉渠道断面示意图。

图1 U型灌溉渠道断面示意图

在U型断面渠道的半径、圆底半径、渠道设计流量、水深及其他相关参数时，需要经过多次试算，才能保证U型断面设计的准确性。但是这样设计方法的计算量比较大，而且较为复杂，因而在实际设计过程中，为了更好的解决这个问题，引入了免疫遗传算法，把现有的数学公式和模型转化成目标函数，进而得到约束方程，再将数学模型中参数代入到算法的程序中，进而就会得到优化结果。

四、灌溉渠道纵断面的优化设计

为了保证灌溉渠道纵断面优化设计的科学性、精准性，灌溉渠道纵断面设计在满足设计流量的输送要求的同时，还要满足水位对自流灌溉控制的要求。根据灌溉水位的要求，合理确定渠道空间位置。在这个过程中，首先要对不同桩号的水位设计高程进行确定，其次要对设计水位确定渠底高程、堤顶高程及最小水位的分析，从而来计算出所需要的土石方使用数量。在对灌溉渠道水位进行推算的过程中，为了达到自流灌溉的实际工作需求，需要确保每个级别的取水口与分水口要具有充足的水位高程。通过对灌溉面积上控制的制高点、水头损失等情况进行认真分析，而逐步推算出水位。一般情况下，需要采用如下方法来对水位进行计算。

（1）计算各个支渠取水口的控制水位（B分），为了对水位进行精准控制，首先要确定水位高程：

上公式中，B分：各个支渠取水口的控制水位；A0：灌溉渠道参考点部位的底地面高程；△h：每个参考点与灌溉水渠道德高差；L：渠道长度；i：渠道比降；Φ：水流通过渠到系统中建筑物的水头损失。

结束语：

在社会经济和科学技术的助推下，近些年来我国的农业发展速度較快。在这个过程中，水利灌溉发挥了重要作用。在新时期，为了促进我国农业的进一步发展，提高水资源的利用率，我们要对农业灌溉工程要高度重视。尽管当前灌溉技术取得了较大进展，但是在实际工作中，灌溉渠道的设计还存在不同程度的问题，影响了灌溉工程的效益。针对此情况，我们要加强对灌溉渠道的设计研究，加大科技投入，对影响灌溉渠道设计的影响因素进行全面分析与控制，针对我国现阶段的灌溉的实际发展情况和出现的问题，采取针对性的措施，加强免疫遗传等先进算法的引用，进而对灌溉渠道的优化设计，提高灌溉工程的价值，促进我国农业发展。

参考文献：

[1]脱云飞，王克勤，宋维峰，陈奇伯.灌溉渠道优化设计方法研究[J].中国农村水利水电，2012，04（15）：23-22.

[2]封金祥，张海云.浅谈灌溉渠道的优化设计[J].2013年12月建筑科技与管理学术交流会论文集，2013，12（27）：13-14.

[3]周荣敏，雷延峰.不同灌溉工作制度下的灌溉管网优化设计研究[J].西北水资源与水工程，2012，06（30）：24-25.

[4]余长洪，周明耀，姜健俊.灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计[J].农业工程学报，2013，12（08）：24-25.

[5]罗金耀，魏永曜.灌溉渠系优化设计方法的研究[J]水利学报2011，14（6）：45-46.