摘要：【目的】加快滴灌管网技术快速普及,提高管网系统的经济性与可靠性。【方法】以单位面积成本最低为经济目标,以不利节点的富余水头方差为可靠性目标,并考虑实际管网工程投资中的折旧费与运行管理费用建立加压滴灌管网优化设计数学模型,开展优化设计。以新疆某大型灌区内某加压滴灌管网系统为例,采用改进NSGA-Ⅱ算法方法与NSGA-Ⅱ算法对其进行优化。【结果】改进NSGA-Ⅱ算法的Pareto前沿解优于NSGA-Ⅱ算法;相同单位面积成本费用下,改进NSGA-Ⅱ算法求得的管网系统可靠性更高;经50次独立计算,改进NSGA-Ⅱ算法的均匀性指数(0.371)低于NSGA-Ⅱ算法的均匀性指数(0.404);基于改进NSGA-Ⅱ算法求解得到的单位面积成本费用为792.92元/hm^(2),较原工程方案的单位面积成本费用851.89元/hm^(2)降低了6.92%。不利节点的富余水头方差从0.15降至0.06。【结论】改进NSGA-Ⅱ算法的探索能力较NSGA-Ⅱ算法强,能够提供更优的解决方案,得到的优化方案能够同时提高管网系统的经济性和可靠性。

摘要：针对关中平原葡萄园水肥利用效率较低导致的环境问题,确定合理的水肥管理对于平衡该地区葡萄高效生产和环境效益至关重要。基于3a(2019年—2021年)田间试验,以‘户太8号’为试验材料,采用完全组合设计,设置3个灌水量(W3(100%M,M为灌水定额)、W2(75%M)和W1(50%M)),4个施肥量(0、324、486、648 kg/hm^(2),分别用F0、F1、F2、F3表示),探究水肥用量对葡萄叶片SPAD值、叶面积指数、叶片养分含量、土壤水肥分布、温室气体累积排放和产量要素的影响,利用近似理想解法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)确定基于多目标综合评价的最优水肥用量。结果表明,对于灌水和施肥二因素,葡萄叶面积指数、SPAD值、叶片氮含量、叶片磷含量和叶片钾含量主要受施肥影响,随着施肥量(F0到F2处理)的增加,以上各指标值均明显增加;灌水对60 cm以内土层土壤含水率具有显著性影响。随着年份(2020—2021)的推移,F1和F0处理残留养分含量逐年降低,而F3处理则逐年增加。3种土壤残留养分中钾肥的合理施用可作为减少土壤养分残留量较为有效的手段;与灌水相比,土壤温室气体累积排放量主要受到施肥的影响。随着施肥量的增加,N_(2)O累积排放量显著增加,而CO_(2)累积排放量逐渐减少。2 a CH_(4)累积排放量整体均为负值,表现为土壤对CH_(4)气体的吸收。利用TOPSIS法综合考虑葡萄生长、产量要素和土壤环境的最优施肥量为F2处理(486 kg/hm^(2)),丰水年和干旱年最优灌水量分别为W2(225 m^(3)/hm^(2))和W3(465 m^(3)/hm^(2))处理。研究为水肥一体化下水肥用量调控葡萄树生长和高产高效生产提供理论依据,并为丰水和干旱年型下葡萄园权衡产量和环境效益制定最优水肥管理策略提供参考。

摘要：针对滴灌管网设计参数多、过程复杂、计算量大的问题,采用Jaya算法和单位面积年成本费用最低优化方法,对设备和管道折旧费以及灌区运行管理费用等影响工程成本的因素进行研究。建立以管径、流速和管道承压等为约束条件的滴灌管网优化设计数学模型;以新疆某大型灌区内2个滴灌管网系统为例,基于Jaya算法和遗传算法对2个系统的管网管径进行优化设计;将2种算法的优化设计程序分别独立运行50次,统计每次优化结果与最优结果的相对偏差,对2种算法的优化结果进行对比分析。结果表明:基于Jaya算法得到的2个系统的最优单位面积年成本费用分别为710.53和791.62元/hm^(2),较原工程方案的单位面积年成本费用降低了16.59%和21.09%,节省投资效果明显。基于Jaya算法得到的优化结果与最优结果的相对偏差均不大于10%,表明算法收敛性能稳定,能满足实际工程设计要求。Jaya算法能省去算法调试参数的过程,且其优化能力和遗传算法相当。基于Jaya算法的滴灌管网优化设计在节省成本、算法稳定性和计算精度方面表现优越,能作为滴灌管网单目标优化设计的有效方法。

摘要：为了解决灌区普遍存在的通过增大水头损失来提高测流精度的问题,该文提出了一种具有梯形喉口的无喉道量水槽,并给出了量水槽参数与渠道尺寸的比例关系。该文在原型试验基础上,通过Flow-3D软件对过槽水流进行了数值模拟,分析了测流过程中水流流态、纵向时均流速分布、水头损失、湍动耗散沿程变化以及测流精度。研究结果表明:纵向时均流速分布和水流流态的模拟值与实测值最大相对误差均不超过10%,其模拟结果与实测结果较为吻和;基于临界流原理和能量守恒推出的水位流量关系式,进一步回归分析得到测流公式,其计算值与实测值最大相对误差为9.21%,满足量水精度要求;水头损失随着流量增大而增大,当流量大于45 L/s时,增大趋势明显变缓;最大水头损失不超过上游总水头10%,相比长喉道、巴歇尔、抛物线形量水槽水头损失较小。该研究可为灌区渠道量水设施设计提供参考。

摘要：为研究灌水器流道内泥沙颗粒淤积特性的影响因素,进一步降低物理堵塞发生的风险,该研究配置不同浓度(1.8、2.8、3.8 g/L)和不同粒径(0≤d<0.054 mm、0.054 mm≤d<0.075 mm、0.075 mm≤d<0.1 mm)的含沙水,进行全组合间歇滴灌堵塞试验,对含沙水灌溉下灌水器泥沙沉积特性进行分析并对灌水器内流态进行数值模拟研究。结果表明:灌溉结束后,经由边缝式迷宫灌水器输出的泥沙中,黏粒与砂粒比例下降,粉粒比例上升,即灌水器弯曲流道对小于0.002 mm和大于0.05 mm粒径的泥沙具有明显阻滞作用,流道内堵塞的泥沙集中在0.054~0.1 mm的中大粒径范围内。灌水器流道内部流线在主流区呈波浪状前进,主流区水流流速大于近壁区,中部转角处流速均偏大。沙粒易受上转角和下转角处产生的漩涡影响而沉降集中在漩涡中心及背水面。滞留在漩涡区内的泥沙颗粒是引起灌水器堵塞的主要因素。为减少灌水器堵塞风险,在设计优化时宜考虑减少直角、锐角区域以减少漩涡区的形成。研究为滴灌技术进一步推广和应用提供理论基础。

摘要：为合理开发利用咸水资源,优化农田灌溉设施前端连续式咸淡水混合搅拌反应器结构和运行参数,探究了搅拌转速和桨叶宽度对不同类型搅拌器咸淡水混合性能的影响。以直径为290 mm的双层桨叶搅拌器为研究对象,采用Realizable k-ε模型和欧拉多相流模型进行数值模拟并利用试验结果对其进行验证。系统分析不同搅拌器结构在不同搅拌转速和桨叶宽度下的湍动能、速度流场、咸水体积分数分布、混合均匀所需时间及搅拌器功耗,发现随着搅拌转速和桨叶宽度增加,三叶开启式搅拌器与组合锚式搅拌器湍动能和液体流速均增加,反应釜内咸水体积分数也随之发生显著变化,到达混合均匀状态所需时间缩短,出口处咸水均匀度和搅拌器功率均呈上升趋势。整体来说,转速对上述指标的影响较桨叶宽度更为显著,另外,2种搅拌器类型中相关指标受转速和桨叶宽度变化的影响差异明显。与三叶开启式搅拌器相比,组合锚式搅拌器达到完全混合均匀状态所需时间最小值虽然低6.8%,但其搅拌功耗却高10%左右。综合考虑灌溉作物水量需求、混合效率和设备能耗等因素,推荐采用较低转速(90 r/min)、宽桨叶(50 mm)的三叶开启式搅拌器,该配置在咸淡水混合过程中能够有效保障混合效率,并在连续混合设备中有效控制能耗的同时满足实际应用需求。研究结果可为连续式咸淡水混合搅拌反应器设计优化提供参考。

摘要：为了探索研究灌区田间进水口的水量计量,该文在巴歇尔量水槽的基础上设计制作了一种体型简单、成本低的田间便携式平底短喉道量水槽,喉口宽度51 mm、长度774 mm,便于携带和田间安装;通过试验研究了该量水槽的水力性能,观测了24种流量下量水槽内11个控制断面的水位,拟合得到自由出流和淹没出流条件下的水深与流量公式,与实测流量对比,平均相对误差和最大相对误差均在10%以内,满足灌区田间量水精度要求;分析了不同流量下佛汝德数、断面比能沿槽身各控制断面的变化规律,确定临界水深断面位于该量水槽喉口段的中部偏后段;分析了槽内水头损失情况,得知该量水槽最大水头损失占上游总水头的12.10%,相较于长喉道量水槽较小,自由出流条件下槽内水头损失小于淹没出流条件下0.02倍上游总水头。该研究为田间进水口量水设施在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。

摘要：根据北方灌区渠道底坡缓且灌溉水流多泥沙的现状,该文针对U型渠道设计了平板量水装置。为了探索不同尺寸悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的水力学特性,确定流量与平板偏转角度之间的关系。分析水流流态,将渠道运动水流分为3部分,对平板部分水流应用闸孔淹没出流公式,建立流量计算模型,得出流量与角度的半经验关系式。对流量系数计算模型中的待定系数进行估计,得到了统一形式的流量公式。U型平板测流范围为9~44L/s,经验证,计算流量与实测流量之间最大相对误差为6.9%,平均相对误差为3.2%,其中收缩比0.547、0.439平板测流相对误差均小于5%,满足灌区量水要求。同一收缩比板型,相对水头损失随着流量增大而减小,不同收缩比板型,相对水头损失随着板型收缩比增大而增大,除收缩比0.715平板在小流量(本试验大约为10L/s)测流时,相对水头损失比在10%以上,其余平板测流时相对水头损失均小于10%,其中收缩比为0.439和0.337平板最大水头损失不超过上游总水头6%。经过综合分析,选择0.547到0.439为平板最佳收缩比测流范围。研究可为灌区量水设施的改进提供依据。

摘要：通过室内试验分析了管长、滴头间距和入口压力3个因素对滴灌管总水头损失的影响,结果表明:滴灌管总水头损失随管长和首部压力的增大、滴头间距的减小而增大,且变化速率随管长增大和滴头间距减小而增大,随首部压力的变化较为稳定,呈现良好的线性相关关系。针对目前滴灌管水力计算需要推求多孔系数、估算扩大系数、计算量大等问题,将影响滴灌管水头损失的基本量滴灌管入口断面平均流速υ0、滴灌管内径D、液体动力黏滞系数ν、重力加速度g、为管道长度L、滴头间距s,运用量纲分析方法导出为四个无量纲量υ0D/ν,υ02/g D,LD/s^2和ε,通过多元回归建立了具有量纲和谐性的滴灌管水头损失计算公式,分析了滴灌管能坡曲线的函数形式,回归得到了水头损失比和沿程压力分布模型。以上模型预测值与实测数据拟合效果良好,可为滴灌系统水力计算及设计提供参考。

摘要：为了研究滴头流量和设计湿润比对土壤水分运移规律及湿润体特性的影响,前期利用粘壤土进行试验研究,然后依据非饱和土壤水动力学理论和滴灌条件下土壤水分运移特征,建立了土壤水分运动模型,利用HYDRUS-3D对不同湿润比下滴灌土壤入渗模型进行求解。通过所建模型,对11个观测点的模拟结果与实测结果进行了对比,得出灌水结束时各观测点模拟与实测含水率的相对误差均小于10%,实测与模拟湿润比的相对误差为4.75%~11.78%。利用所建模型对不同情景下湿润体运移规律进行了模拟,获得了湿润体特征变化规律:滴头流量主要影响水平湿润锋的运移距离,而设计湿润比对垂直湿润锋运移距离的影响较大;滴头流量相同时,设计湿润比越大,湿润体内平均含水率越大,高含水区(含水率>0.410 cm^3·cm^(-3))半径也越大;设计湿润比相同时,湿润体内含水率高于0.410 cm^3·cm^(-3)的湿润半径随流量增大而增大。