山地自压滴灌系统树状管网的优化设计

发布时间：2020-11-09 19:12

　　 滴灌作为一种精准灌溉技术非常适用于山地地区,其小流量浸润的灌水方式很大程度上提高了灌溉水利用率、经济效益显著,所以近年来广泛应用于实际工程中。但山地滴灌系统的设计与大田滴灌系统设计不同,在管网布置、灌溉制度的制定、参数的选取、水力计算以及设备选型方面都有较大的差别,因此至今没有一套完备的设计方法;且田间管道安装中,需要的材料管件较多,管网投资较高。因此,对山地滴灌系统进行一个系统的设计并对管网进行优化有重要的意义,既能完善其设计理论,又能达到节省投资,减少损耗的目的。本文以陕北榆林地区山地滴灌系统为研究对象,在总结了国内外类似条件的滴灌系统及其管网优化的基础上,针对目前存在的不足,采用理论知识与实践应用相结合,计算机模拟与实例验证相结合的方式,对山地滴灌系统进行了系统的设计,然后采用管网布置优化和管径优化两级优化的方式对管网进行优化设计,利用gatbx遗传算法工具箱,通过MATLAB程序进行求解,得到以下结论:(1)山地滴灌系统设计与大田滴灌系统设计在系统组成上相似,在管网布置形式、设计参数的选取、轮灌区的划分等方面有较大差异,在系统设计时可以适当参考但不能完全照搬。山地滴灌系统应重点考虑地形、高差因素,管网布置应以立体树状管网布置形式为主,设计参数的选取应适当加大系数,轮灌区的划分应遵循近高差、近流量、近位置等原则;此外山地滴灌系统注重压力均衡问题,因此在设备选型上要高质量,高匹配度,还要做好管道的水力分析,最后与一个好的运行管理模式相匹配,形成一个合理的、实用的山地滴灌系统。(2)本文管网优化采用的是布置优化和管径优化两级优化的方法,其中管网布置采用基于图论的最小生成树法,将管网连接图转化成有向的网络拓扑图,同时融入设计人员的经验。在管径优化中,以经济性为目标建立优化模型一,在此基础上加入可靠性建立优化模型二。求解结果表明:模型一的管网投资最低,模型二次之,经济流速法的最高。重力水头利用率的规律也同上。在可靠性方面,经济流速法最高,模型一最低,模型二置于之间。模型二的可靠性和经济性分开看都不是最好的,但模型二是兼顾经济性和可靠性的最优选择。在实际工程中,应根据需求选择合适的方案。(3)遗传算法在管网优化问题的求解上效率高、收敛性能稳定且优化结果理想。其中,整数编码方式简单实用,可提高算法效率且优化结果即为商用标准管径;用模拟退火罚函数法处理约束,改善了确定罚因子的主观性,避免算法陷入局部最优解。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S277.95
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究概况
        1.2.1 滴灌系统研究概况
        1.2.2 管网优化研究概况
        1.2.3 存在的问题
        1.2.4 遗传算法的选用
    1.3 研究内容与方法
第二章 遗传算法原理与MATLAB工具箱
    2.1 遗传算法的基本原理
    2.2 遗传算法的特点
    2.3 遗传算法的实现
        2.3.1 编码
        2.3.2 适应度函数设计
        2.3.3 选择运算
        2.3.4 交叉运算
        2.3.5 变异运算
        2.3.6 约束条件的处理
        2.3.7 遗传算法的终止条件
    2.4 MATLAB遗传算法工具箱简介
        2.4.1 创建初始种群
        2.4.2 适应度计算
        2.4.3 选择函数
        2.4.4 交叉算子
        2.4.5 变异算子
        2.4.6 子种群支持
    2.5 小结
第三章 山地滴灌系统设计
    3.1 山地滴灌系统组成
        3.1.1 水源工程
        3.1.2 首部枢纽工程
        3.1.3 输配水管网
        3.1.4 灌水器
        3.1.5 防护装置
    3.2 山地滴灌系统分类
        3.2.1 按获得压力的方式分类
        3.2.2 按管道系统组成部分是否可移动分类
    3.3 山地滴灌系统设计
        3.3.1 工程规模
        3.3.2 管网布置
        3.3.3 设计参数选取
        3.3.4 灌溉制度确定
        3.3.5 水力计算
    3.4 设备选型
        3.4.1 首部设备选型
        3.4.2 管网选型
        3.4.3 灌水器选型
        3.4.4 安全防护装置选型
    3.5 运行管理模式
    3.6 小结
第四章 管网优化数学模型的建立
    4.1 管网布置优化
    4.2 管径优化
        4.2.1 以经济性为目标的优化模型
        4.2.2 以经济性和可靠性为目标的优化模型
    4.3 小结
第五章 工程设计实例
    5.1 工程概况
    5.2 优化布置
    5.3 管径优化
        5.3.1 以经济性为目标的模型计算
        5.3.2 以经济性和可靠性为目标的模型计算
    5.4 结果分析
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
附录
致谢
个人简历

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本文编号：2876854