淺談灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設計

【摘要】在灌區(qū)節(jié)水改造中，渠道防滲工程為一項重要內(nèi)容，通過對灌區(qū)內(nèi)土渠進行節(jié)水改造，并選用弧形坡腳的梯形斷面形式，不但與最佳的水力斷面接近，而且具有水流流速快、抗凍性能強以及防滲效果好等優(yōu)勢。本文從防滲渠斷面形式出發(fā)，通過建立起渠道斷面設計的動態(tài)規(guī)劃模型，就如何做好灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道橫斷面的優(yōu)化設計展開探討。

【關鍵詞】灌區(qū)節(jié)水改造；防滲渠道斷面；優(yōu)化設計

隨著時代的發(fā)展和社會的進步，人們的節(jié)約意識及環(huán)保意識的不斷增強，對灌區(qū)節(jié)水改造工程也愈發(fā)重視。而作為灌區(qū)改造中廣泛應用的一種節(jié)水技術(shù)，渠道防滲也發(fā)揮出了節(jié)約用水，提高水的利用率，緩解農(nóng)業(yè)用水供不應求矛盾以及促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設及生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的重要作用。當前，如何選擇最佳的防滲渠道斷面，將凍脹造成的破壞降至最低，并探尋出渠道橫斷面最優(yōu)的設計參數(shù)等，已成為灌區(qū)節(jié)水改造設計人員面臨的一項重要課題。

1、防滲渠道斷面形式

在灌區(qū)節(jié)水改造中，設計人員常選用矩形、梯形、弧形坡腳梯形以及U形等來作為防滲渠道的斷面形式。而在選擇斷面形式時，應對水力條件、輸沙及抗凍脹能力、投資成本及施工難易程度等進行綜合考慮。在改造土渠時，可考慮改為梯形、弧形坡腳梯形或U形斷面。其中，在改造大中型梯形土渠時，常采用的斷面形式為弧形坡腳梯形，究其原因，主要是這種斷面形式具有水力條件好、抗凍脹性能強、輸沙能力高、施工工期快等優(yōu)勢，可將渠道防滲改建過程中出現(xiàn)的工期與行水相沖突的問題進行有效解決。此外，小型渠道的斷面形式則通常選擇U形。

2、防滲渠道縱橫斷面的優(yōu)化

在開展防滲渠道縱橫斷面的設計過程中，通常采用明渠均勻流公式，除了需要事先給出比降等重要參數(shù)，還需進行反復的試算與校核。近些年來，工程設計人員通過不斷探索，采用動態(tài)的規(guī)劃方法，并對縱橫斷面的設計參數(shù)展開綜合考慮，有效防止了在計算過程中，以經(jīng)驗為依據(jù)來主觀任意判斷某些重要的參數(shù)，將一定條件下渠道的優(yōu)化設計問題進行了有效解決。但需要注意的是，此種規(guī)劃方法還未能全面考慮到工程施工的約束問題?；诖耍疚膹默F(xiàn)有的研究出發(fā)，進一步完善渠道斷面優(yōu)化設計的約束條件。

在優(yōu)化設計大中型的渠道時，首先需確定橫斷面應采取弧形坡腳梯形的形式，待將渠道斷面形式確定下來后，則可采取渠底縱坡等變量來描述渠道設計。這樣一來，便可將渠道斷面的優(yōu)化設計轉(zhuǎn)化為多階段的決策優(yōu)化問題，便可采取動態(tài)規(guī)劃的解決方法。

2.1 動態(tài)規(guī)劃模型的設計

假設渠道的總長為l，根據(jù)沿渠土壤的地質(zhì)條件、地形、流量或渠道配套建筑物的具體位置等，可將渠道分為N段。針對續(xù)灌渠道，其各個渠段的設計為Qi，最大流量為Qmax，最小流量為Qmin，渠末水位所需的高程為H末，地面坡降Ji，各個渠段渠末地面的高程為Δdi，其中，i的值為1，2，3，… ，N。以此為依據(jù)可展開系統(tǒng)的設計優(yōu)化，也將各個渠段最優(yōu)的縱橫斷面設計參數(shù)確定下來，使工程的投資控制在最低。

（1）階段變量：將渠道分水處及渠首看作為節(jié)點，并進行編號。將兩個節(jié)點之間正向的渠段看作是一個階段，將節(jié)點編號作為階段變量，則可將其表示為n（n=1，2，3，… ，N）。其中，n指的是節(jié)點的編號，而N則是指節(jié)點的總數(shù)。

（2）狀態(tài)變量：將渠首的水位高度看作是狀態(tài)，那么可采用Hn來表示狀態(tài)變量，其中，Hn的取值可以為H1，H2，H3，…，HN，其中，HN指的是渠道第N階段的狀態(tài)。

（3）決策變量：將渠底的坡降作為決策，那么決策變量的表示式則為in（Hn），其中，in（Hn）的取值可以是i1（H1）， i2（H2），i3（H3） ，…，iN（HN）。

（4）目標函數(shù)：將工程最小投資作為目標，那么目標函數(shù)的表達公式為：

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，F(xiàn)cn（Hn，in）表示的是第n渠段的襯砌工程費，F(xiàn)tn（Hn，in）表示第n渠段填方工程費用，F(xiàn)wn（Hn，in）表示第n渠段挖方工程費用；Vcn（Hn，in）表示第n渠段襯砌工程量，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與Cwn則分別表示第n渠段的襯砌工程單價、填方工程的單價以及挖方工程的單價。

此外，針對弧形坡腳梯形的渠道，主要采取積分法來計算其工程量。

（5）約束條件：①水位銜接的約束：與下段渠道的設計水位相比，上段渠道的設計水位應當更高些，也即Hn>Hn+1.②渠道水位高程的約束：對于渠道水位的高程，其應當與渠末水位的高程與沿渠水頭損失相等，并且任意一階段水位高程應比渠首水位的高程要更小。③坡降約束：渠道縱坡降應處于允許最大坡降與允許最小坡降之間。④流速約束：渠道的流速應處于允許不沖流速與不淤流速之間。⑤渠首填方高度的約束：在土質(zhì)較輕地段，如果渠道填筑有著太高的高度，那么在運行時，行水會缺乏足夠的安全，因而渠首的填方高度需比一定安全高度更低，具體根據(jù)斷面形式、襯砌方式以及土質(zhì)等條件而確定。待給定條件約束后，目標函數(shù)的可行域也便決定了。

（6）狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：根據(jù)水位銜接可得出狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：Hn+1= Tn（Hn，in）= Hn-lnin。

（7）逆推方程：根據(jù)目標函數(shù)，可得出逆推方程：F*n（Hn）= min{Fn（Hn，in+ F*n+1 （Hn+1）}。

3、結(jié)語

綜上所述，在灌區(qū)節(jié)水改造工程中，設計人員可根據(jù)具體情況采取梯形、弧形坡腳梯形以及U形幾種斷面形式。其中，弧形坡腳梯形這種新型渠道斷面形式具有水力條件好、抗凍脹性能強、輸沙能力高等優(yōu)勢，可在灌區(qū)改造中推廣應用。而在開展渠道斷面的設計優(yōu)化過程中，通過采取動態(tài)規(guī)劃模型及逆推的方法，不但設計準確快速，并且可節(jié)省資金投入，獲得顯著效益，在灌區(qū)節(jié)水改造中的渠道斷面優(yōu)化中發(fā)揮出了重要價值。

參考文獻：

[1]蔣雨彤，賀向麗，張昕，等.襯砌渠道斷面優(yōu)化設計軟件開發(fā)與應用[J].水利水電技術(shù)，2016，47（04）：150-153.

[2]余長洪，周明耀，姜健俊，等.灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，20（01）：91-94.

[3]劉東，胡宇祥.北方灌區(qū)混凝土襯砌渠道斷面優(yōu)化及參數(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（20）：107-112.

作者簡介：王東 男 漢族 新疆喀什人 1984年生 工程師 主要從事水利設計工作