Page 86 - 2023年第54卷第2期

ＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ＨＡＰＩＳ），实现微灌单元管网构建和水力计算。ＥＰＡＮＥＴ是美国环境保护署（Ｅｎｖｉｒｏｎ
ｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＡｇｅｎｃｙ，ＥＰＡ）开发的有压管网水力模拟软件 ［２２］ ，已在有压灌溉系统水力计算中得到
广泛应用 ［２３ － ２５］ 。本模型用 Ｍａｔｌａｂ完成微灌单元内管网布置和特性参数的设置、ＥＰＡＮＥＴ水力计算程序
的调用、水力计算结果的分析、管网布置及水力性能的优化等工作，以解决 ＥＰＡＮＥＴ内核程序中无法
对批量管网和节点属性进行赋值的难题，并在计算过程中实现优化算法与水力学计算过程的结合。在
微灌单元水力 性能 模拟 方面，采 用 ＥＰＡＮＥＴ软件水 力 计 算 内 核 具 有 如 下 优 势 ［２２］ ：（１）用 优 化 后 的
Ｔｏｄｉｎｉ － Ｐｉｌａｔｉ梯度算法求解给定时间点管网水力状态的流量连续性方程和水头损失方程组，无需通过
对允许压力水头偏差在支?毛管上进行分配，即可实现任意规模大小的管网水力计算，且效率较高；
（ ２）考虑了节点流量与压力呈指数状态的 “Ｅｍｉｔｔｅｒ” 组件，契合微灌灌水器流量－ 压力关系特征；（３）可
设置水源、水泵、各类阀门等组件及其特性曲线，为微灌系统的全要素水力模拟提供了基础；（４）可
对系统水质进行模拟，为微灌系统水和肥料输移的同时模拟提供了可能。本研究采用 Ｈａｚｅｎ － Ｗｉｌｌｉａｍｓ
公式计算管段沿程水头损失 ｈ ｆ ［２６］ ：
Ｑ
Ｌ
ｈ＝ １０ ．６６７ ４．８７１( ) １．８５２ （１）
ｆ
ｄ Ｃ
３
式中：Ｌ为计算管段长度，ｍ；ｄ为管道内径，ｍ；Ｑ为管段流量，ｍ ?ｓ；Ｃ为粗糙系数，与管材有关。
管段局部水头损失扩大系数按 ０．１计。本研究微灌单元中灌水器设置为 ＥＰＡＮＥＴ中 “Ｅｍｉｔｔｅｒ” 组件，
其流量－ 压力关系计算如式（２）所示：
ｑ ＝ ＫＨ ｘ （２）
式中：ｑ为灌水器实际流量，Ｌ?ｈ；Ｋ为流量系数；Ｈ为压力水头，ｍ；ｘ为灌水器流态指数。
ＨＡＰＩＳ模型计算流程如图 ２所示：（１）获取微灌单元边界和田块高程信息；（２）设定管网布置模
式、毛管间距、灌水器间距等信息，结合边界和高程信息生成 ＥＰＡＮＥＴ水力计算所需的管网信息文件
（Ｍａｔｌａｂ）；（３）进行水力计算（ＥＰＡＮＥＴ）；（４）对水力计算结果进行计算和分析，判断结果是否满足目
标优化要求（ Ｍａｔｌａｂ）。

注：Ｑ ｉｔｅｒ（ｎ － １） 和 Ｑ ｉｔｅｒ（ｎ） 分别为第 ｎ － １和 ｎ次迭代计算得到的管段流量。
图 ２ ＨＡＰＩＳ模型微灌单元管网布置和优化流程图
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