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水 利 学 报

２０２３年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０２ － ０２０８ － １２

考虑灌水均匀性及年费用的不规则微灌单元管网优化布置

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张吉娜 １，２ ，王 珍 ，李 敏 ，李久生 １
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 ７１２１００）

摘要：为了评估不规则微灌单元毛管单?双向布置时出水桩位置、单元控制面积和单元形状参数对单元水力性能
和年费用的影响，利用 Ｍａｔｌａｂ和 ＥＰＡＮＥＴ软件构建了微灌水力设计及评价模型 ＨＡＰＩＳ（ＨｙｄｒａｕｌｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｒｅｓ
ｓｕｒｉｚｅｄＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）。以直角三角形的不规则微灌单元为例，集成水力性能和年费用计算的评估结果表明，毛
管单?双向布置模式下，通过出水桩位置优化可使微灌单元流量偏差率分别降低 ２９％和 ７％，毛管双向布置可有效降
低灌水均匀性对出水桩位置的敏感性。出水桩布置在长毛管分布区域有助于降低灌溉年费用。支管直径一定时，随
微灌单元控制面积增加，微灌单元流量偏差率和年费用分别呈明显升高和降低趋势。支管公称外径 ４０～６３ｍｍ时采
用毛管单向布置，支管公称外径≥７５ｍｍ时采用毛管双向布置，是提高单元控制面积的有效方法。不规则单元中不
宜使用过大直径支管（如公称外径 ９０ｍｍ），以避免支管单价较高造成的灌溉单元年费用明显升高。相同控制面积
下，毛管双向布置可降低直角三角形单元底角变化对灌水均匀性的影响，灌水均匀性高于毛管单向布置。基于构建
的 ＨＡＰＩＳ模型可实现微灌单元水力性能和年费用的优化，为规模化滴灌系统的设计和运行提供支撑。
关键词：微灌；不规则单元；管网优化；水力模拟；经济评价
中图分类号：Ｓ２７４．２
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０５０１
１ 研究背景

自 １９９０年代中后期开始，低成本薄壁滴灌带的开发成功带动了微灌技术在我国的快速推广，微
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灌面积由 ２０００年的 ０．１５万ｈｍ 发展到 ２０２０年的 ７２０．３万ｈｍ ，年均增长 ２０％，微灌技术已由早期的零
星示范逐渐转入了规模化发展 ［１ － ２］ 。近年来，为降低日益增加的运行管理成本，单个微灌系统控制面
积逐渐向上千亩甚至数万亩发展，呈明显增大趋势 ［３］ 。通常情况下，微灌系统管网水头损失及地形偏
差随着系统控制面积的增大而增大，系统规模化导致的水力偏差增大问题已受到国内外研究者的关
注 ［４ － ５］ 。如何在满足灌水均匀性的约束下，优化系统设计和运行管理方式，进而降低系统投资和运行
成本，是规模化微灌系统推广中亟待解决的新问题。
微灌单元由支管和毛管组成，是微灌系统基本组成部分。以提高灌水均匀性为目标，研究者提出
了多口系数法、能量阔线法、退步法和有限元法等水力计算方法 ［６ － ８］ 。其中，压力水头偏差在支?毛管
上的分配比例、最佳支管位置和经济管径等一直是国内外研究热点。Ｋｅｌｌｅｒ等 ［９］ 指出，平坡地形下微
灌单元内允许压力水头偏差在支?毛管上的最佳分配比例为 ４５％和 ５５％。杨建康等 ［１０］ 及张志新 ［１１］ 推导了
平坡和均匀坡度条件下允许压力水头偏差优化分配公式，提高了允许压力水头偏差分配比例对不同管网
布置形式和地形条件的适应性。陈渠昌等 ［１２］ 、白丹 ［１３］ 和朱德兰等 ［１４］ 以管网费用最低为目标，基于图解
法、混合整数规划法与线性规划法等方法，提出了微灌单元水力优化方法。Ｋａｎｇ等 ［１５］ 发展了有限元法

收稿日期：２０２２ － ０６ － ２７；网络首发日期：２０２３ － ０２ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２１４．１０２２．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１７９０５３１，５２２７９０５３）；流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题（ＳＫＬ２０２０ＺＹ０７）
作者简介：张吉娜（ ２０００ － ），硕士生，主要从事灌溉原理及技术研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｉｎａ２０２０＠１６３．ｃｏｍ
通讯作者：王珍（１９８６ － ），正高级工程师，主要从事灌溉原理与技术研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｈｅｎ － ６８６＠１６３．ｃｏｍ
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