浅谈灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计

【摘要】在灌区节水改造中，渠道防渗工程为一项重要内容，通过对灌区内土渠进行节水改造，并选用弧形坡脚的梯形断面形式，不但与最佳的水力断面接近，而且具有水流流速快、抗冻性能强以及防渗效果好等优势。本文从防渗渠断面形式出发，通过建立起渠道断面设计的动态规划模型，就如何做好灌区节水改造中防渗渠道横断面的优化设计展开探讨。

【关键词】灌区节水改造；防渗渠道断面；优化设计

随着时代的发展和社会的进步，人们的节约意识及环保意识的不断增强，对灌区节水改造工程也愈发重视。而作为灌区改造中广泛应用的一种节水技术，渠道防渗也发挥出了节约用水，提高水的利用率，缓解农业用水供不应求矛盾以及促进农业现代化建设及生态环境健康发展的重要作用。当前，如何选择最佳的防渗渠道断面，将冻胀造成的破坏降至最低，并探寻出渠道横断面最优的设计参数等，已成为灌区节水改造设计人员面临的一项重要课题。

1、防渗渠道断面形式

在灌区节水改造中，设计人员常选用矩形、梯形、弧形坡脚梯形以及U形等来作为防渗渠道的断面形式。而在选择断面形式时，应对水力条件、输沙及抗冻胀能力、投资成本及施工难易程度等进行综合考虑。在改造土渠时，可考虑改为梯形、弧形坡脚梯形或U形断面。其中，在改造大中型梯形土渠时，常采用的断面形式为弧形坡脚梯形，究其原因，主要是这种断面形式具有水力条件好、抗冻胀性能强、输沙能力高、施工工期快等优势，可将渠道防渗改建过程中出现的工期与行水相冲突的问题进行有效解决。此外，小型渠道的断面形式则通常选择U形。

2、防渗渠道纵横断面的优化

在开展防渗渠道纵横断面的设计过程中，通常采用明渠均匀流公式，除了需要事先给出比降等重要参数，还需进行反复的试算与校核。近些年来，工程设计人员通过不断探索，采用动态的规划方法，并对纵横断面的设计参数展开综合考虑，有效防止了在计算过程中，以经验为依据来主观任意判断某些重要的参数，将一定条件下渠道的优化设计问题进行了有效解决。但需要注意的是，此种规划方法还未能全面考虑到工程施工的约束问题。基于此，本文从现有的研究出发，进一步完善渠道断面优化设计的约束条件。

在优化设计大中型的渠道时，首先需确定横断面应采取弧形坡脚梯形的形式，待将渠道断面形式确定下来后，则可采取渠底纵坡等变量来描述渠道设计。这样一来，便可将渠道断面的优化设计转化为多阶段的决策优化问题，便可采取动态规划的解决方法。

2.1 动态规划模型的设计

假设渠道的总长为l，根据沿渠土壤的地质条件、地形、流量或渠道配套建筑物的具体位置等，可将渠道分为N段。针对续灌渠道，其各个渠段的设计为Qi，最大流量为Qmax，最小流量为Qmin，渠末水位所需的高程为H末，地面坡降Ji，各个渠段渠末地面的高程为Δdi，其中，i的值为1，2，3，… ，N。以此为依据可展开系统的设计优化，也将各个渠段最优的纵横断面设计参数确定下来，使工程的投资控制在最低。

（1）阶段变量：将渠道分水处及渠首看作为节点，并进行编号。将两个节点之间正向的渠段看作是一个阶段，将节点编号作为阶段变量，则可将其表示为n（n=1，2，3，… ，N）。其中，n指的是节点的编号，而N则是指节点的总数。

（2）状态变量：将渠首的水位高度看作是状态，那么可采用Hn来表示状态变量，其中，Hn的取值可以为H1，H2，H3，…，HN，其中，HN指的是渠道第N阶段的状态。

（3）决策变量：将渠底的坡降作为决策，那么决策变量的表示式则为in（Hn），其中，in（Hn）的取值可以是i1（H1）， i2（H2），i3（H3） ，…，iN（HN）。

（4）目标函数：将工程最小投资作为目标，那么目标函数的表达公式为：

minF=（Hn，in）

=cn（Hn，in）+Ftn（Hn，in）+ Fwn（Hn，in）}

=cnVcn（Hn，in）+ CtnVtn（Hn，in）+ CwnVwn（Hn，in）}

在上述公式中，Fcn（Hn，in）表示的是第n渠段的襯砌工程费，Ftn（Hn，in）表示第n渠段填方工程费用，Fwn（Hn，in）表示第n渠段挖方工程费用；Vcn（Hn，in）表示第n渠段衬砌工程量，Vtn（Hn，in）表示第n渠段填方工程量，Vwn（Hn，in）表示第n渠段挖方工程量；Ccn、Ctn与Cwn则分别表示第n渠段的衬砌工程单价、填方工程的单价以及挖方工程的单价。

此外，针对弧形坡脚梯形的渠道，主要采取积分法来计算其工程量。

（5）约束条件：①水位衔接的约束：与下段渠道的设计水位相比，上段渠道的设计水位应当更高些，也即Hn>Hn+1.②渠道水位高程的约束：对于渠道水位的高程，其应当与渠末水位的高程与沿渠水头损失相等，并且任意一阶段水位高程应比渠首水位的高程要更小。③坡降约束：渠道纵坡降应处于允许最大坡降与允许最小坡降之间。④流速约束：渠道的流速应处于允许不冲流速与不淤流速之间。⑤渠首填方高度的约束：在土质较轻地段，如果渠道填筑有着太高的高度，那么在运行时，行水会缺乏足够的安全，因而渠首的填方高度需比一定安全高度更低，具体根据断面形式、衬砌方式以及土质等条件而确定。待给定条件约束后，目标函数的可行域也便决定了。

（6）状态转移方程：根据水位衔接可得出状态转移方程：Hn+1= Tn（Hn，in）= Hn-lnin。

（7）逆推方程：根据目标函数，可得出逆推方程：F*n（Hn）= min{Fn（Hn，in+ F*n+1 （Hn+1）}。

3、结语

综上所述，在灌区节水改造工程中，设计人员可根据具体情况采取梯形、弧形坡脚梯形以及U形几种断面形式。其中，弧形坡脚梯形这种新型渠道断面形式具有水力条件好、抗冻胀性能强、输沙能力高等优势，可在灌区改造中推广应用。而在开展渠道断面的设计优化过程中，通过采取动态规划模型及逆推的方法，不但设计准确快速，并且可节省资金投入，获得显著效益，在灌区节水改造中的渠道断面优化中发挥出了重要价值。

参考文献：

[1]蒋雨彤，贺向丽，张昕，等.衬砌渠道断面优化设计软件开发与应用[J].水利水电技术，2016，47（04）：150-153.

[2]余长洪，周明耀，姜健俊，等.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，2014，20（01）：91-94.

[3]刘东，胡宇祥.北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析[J].农业工程学报，2015，31（20）：107-112.

作者简介：王东 男 汉族 新疆喀什人 1984年生 工程师 主要从事水利设计工作