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【摘 要】 低压管道灌溉技术是目前较为先进以管道输水代替明渠输水的一种地面灌溉工程技术，节水、省时、省力、输水快有利于大面积适时适量均匀供水，降低灌溉成本，保证大面积均衡增产，前景广阔。
【关键词】 农业灌溉;节水技术;低压管道
前言：
由于水资源的短缺，农业节水已成为节水的重点，而渠灌区节水则是重中之重。随着我国井灌区低压管道输水灌溉技术的成熟，低压管道输水灌溉面积约占井灌区总面积的1/4，但目前尚有约933公顷的耕地面积还未推广低压管道输水。考虑到农村城镇化、农业产业化的发展程度，目前我国主要是利用先进的科学技术和现代设施来提高灌水效率与农田自动控制程度从而达到农业节水的目的。据实践表明，灌溉输水管道化的适用性强，能够实现合理控制输配水、减少耕地占用、降低灌溉用时，经济效益高。因此，灌溉输水管道化应是农业灌溉节水的主要措施。为厂节约灌溉用水，促进低压管道输水灌溉技术的发展，急需迫切展开农业高效用水投入机制、政策、法规及管理服务体系的研究。
低压管道输水灌溉系统一般管网的投资占整个系统的70%～80%，其余为首部枢纽及泵房投资。在低压管道输水灌概系统的规划设计中，如何综合考虑管网投资和能耗两者的关系，寻求最优经济管径，已引起普遍关注，许多学者在管网管径优化理论上进行了深入研究，提出了解決该问题的一系列理论与方法间。但是，低压管道输水灌概系统由于采用管道输水，特别是采用UFVC管道输水时，UPVC管道的单价与管径之间不成简单的线性关系，而是成指数关系，即采用的管径越大，管网的造价将增加很多。由此可知，影响低压管道输水灌溉系统管网投资大小除了管网优化布置和管径需要优化选择外，更主要的是要通过优化确定系统的最优控制面积大小。确定最优的系统控制面积和管网优化布置所节省的管网投资要远比单纯的管网管径优化大得多，重要得多。
国内外学者对压力管网输配水优化设计已经提出了不少成熟、实用的理论与方法，大量研究主要集中于管网输配水管径的优化选择上，对管网优化布置、管径优化选择和最优控制面积同时优化研究还不多见。系统最佳控制面积的研究对指导低压管道输水灌溉的发展具有十分重要的意义。为此，本文在已有的管网管径优化理论与管网优化布置基础上，通过对实际规划应用的分析计算，确定设施农业最佳的低压管道输水灌溉系统控制面积，达到较大幅度地节省灌溉系统投资，促进低压管道输水灌溉工程的发展。
1、低压管道灌溉管网的优化布置
农田低压管道输水灌溉工程普遍采用的是树状管网形式。树状管网投资少且布置方便。低压管道灌溉管网总体规划布置是非常重要的一环。它直接关系到管网的总长度、管径的大小、管件用量、灌水的均匀度、管网的造价及管网的运行费用等。为了使管网布置的更加合理，应在充分调查灌区基本资料的基础上，根据水源（取水）位置、设施大棚的走向、道路的布置情况等，在地形图上初步布置管网。在水源位置可选择的情况下，泵房尽可能布置于距灌区中心最近处，管网尽量呈“丰字型”、“工字型”或“T字型”布置，以尽可能减少管道用量，并使管网压力与流量分布均衡，减少管网输水损失，方便管理等，在此基础上进行多方案比较优选;并参照有关技术规范进行技术和经济分析，纵观全局选出带有全局性的最优方案。只有在最优管网布置方案的基础上，才能进行合理的管网优化设计。优化布置远远高于管网管径的优化。
2、树状低压输水管网管径优化
管网管径的优化常以工程造价最小和年费用最小为目标函数进行优化。对需要通过加压系统加压的灌溉管网优化，采用年费用最小为目标函数进行优化比较适宜。考虑到小型机电灌区较多，非常适宜采用低压管道输水灌溉工程，该文主要研究以加压系统加压的灌溉管网优化，采用年费用最小为目标函数，建立树状管网非线性优化设计模型。
2.1有关参数的确定
低压管道灌溉系统轮灌组的划分将对管道设计流量、管网管径的影响很大，它对管网造价的影响远比管径的单纯优化要大得多。如果系统的工作制度一种采用支管轮灌，另一种采用支管上给水栓轮灌，可以看出前一种工作制度下支管的设计流量和管径要比后一种大很多。因此，需要根据管网布置形式进行多方案比较确定灌溉系统较优的轮灌方式。在低压管道灌溉系统轮灌方式确定的基础上，根据同时工作的给水栓数量，推求出管网各级管道的设计流量认。
2.2优化模型的求解
本优化模型是一个以连续管径为设计变量的非线性规划模型，该模型的求解方法很多，主要有拟线性规划法、拉格朗日乘子法、广义简约梯度法、罚函数法、基因算法与人工神经网络法等。近年来的研究表明，广义简约梯度法（GRG）算法在适应问题的广泛性、精度、速度等方面较优，是线性规划算法中最有效的方法。
3、设施农业低压管道灌溉系统最优控制面积确定
在低压管道输水灌溉系统管网优化布置与管径优化的基础上，通过对我市许多设施农业建设中的低压管道输水灌溉系统的优化设计的实际应用，根据各系统不同控制面积的大小对管网造价的影响，寻求最佳系统控制面积。
结合我市设施农业低压管道灌溉工程的建设，运用系统管径优化模型对面积不等的低压管道输水灌溉系统进行优化设计，根据实际优化结果可以找出系统最佳控制面积。各地设施农业区低压管道灌溉系统优化设计成果见表1
表1 设施农业低压管道灌溉系统优化设计成果
由表1优化设计结果建立系统控制面积与单位面积年费用的关系，如图1所示。
控制灌溉面积//hm2
图1 低压管道灌溉系统控制面积与单位面积年费用关系
建立设施农业低压管道灌溉系统控制面积与单位面积年费用的关系相关关系方程为，式中，代表单位面积年费用（万元/hm2），代表系统控制面积（hm2）;为相关系数。
根据函数的一阶导数等于零，可求得：函数最小值点为：（33.75，0.0759）;由图中曲线的意义可以看出，最小值点为年费用最小的点，也即系统最优控制面积点。考虑到曲线底部变率不太大，再加上统计特性和实际情况的复杂性，最小值点附近一定范围内的点集也是较优的，故设施农业低压灌溉系统最优控制面积可以在30-40hm2范围内。
4、结语
（1）低压管道输水灌溉系统因具有特殊的优点，加之UPVC管材生产的系列化、标准化程度不断提高和施工方便、价格相对低廉等特点，今后在我国节水农业和现代农业建设中的推广应用范围将越来越大，研究在规划设计中降低系统的年费用具有十分重要的意义。
（2）本文在低压管道输水灌溉管网布置优化与管径优化的基础上，通过许多设计实例优化结果的统计分析，确定了设施农业低压灌溉系统最优控制面积为30-40hm2。这对今后低压管道灌溉的推广应用，具有一定的指导作用，可以大大节省管网投资和年运行管理费用。
（3）由于低压管道灌溉系统受水源位置、田块形状、管网布置、运行管理方式、管材价格等影响较大，所以复杂的特殊情况可以具体优化。
（4）本文的结论仅适用于水泵提水的UPVC低压管道灌溉系统，对其他情况仅作参考，或可根据本文的方法另行分析确定。
参考文献：
[1]王晓峰，给水管网优化设计研究综述[J].陕西工学院学报。
[2]赵运德，用广义简约梯度法求管网经济管径[J].水利学报。
[3]魏永暇，王雪珍.树状输配水管网优化设计[J].水利学报。
[4]张茂堂，低压管道灌溉在云南稻区的应用研究[J].节水灌溉。
【关键词】 农业灌溉;节水技术;低压管道
前言：
由于水资源的短缺，农业节水已成为节水的重点，而渠灌区节水则是重中之重。随着我国井灌区低压管道输水灌溉技术的成熟，低压管道输水灌溉面积约占井灌区总面积的1/4，但目前尚有约933公顷的耕地面积还未推广低压管道输水。考虑到农村城镇化、农业产业化的发展程度，目前我国主要是利用先进的科学技术和现代设施来提高灌水效率与农田自动控制程度从而达到农业节水的目的。据实践表明，灌溉输水管道化的适用性强，能够实现合理控制输配水、减少耕地占用、降低灌溉用时，经济效益高。因此，灌溉输水管道化应是农业灌溉节水的主要措施。为厂节约灌溉用水，促进低压管道输水灌溉技术的发展，急需迫切展开农业高效用水投入机制、政策、法规及管理服务体系的研究。
低压管道输水灌溉系统一般管网的投资占整个系统的70%～80%，其余为首部枢纽及泵房投资。在低压管道输水灌概系统的规划设计中，如何综合考虑管网投资和能耗两者的关系，寻求最优经济管径，已引起普遍关注，许多学者在管网管径优化理论上进行了深入研究，提出了解決该问题的一系列理论与方法间。但是，低压管道输水灌概系统由于采用管道输水，特别是采用UFVC管道输水时，UPVC管道的单价与管径之间不成简单的线性关系，而是成指数关系，即采用的管径越大，管网的造价将增加很多。由此可知，影响低压管道输水灌溉系统管网投资大小除了管网优化布置和管径需要优化选择外，更主要的是要通过优化确定系统的最优控制面积大小。确定最优的系统控制面积和管网优化布置所节省的管网投资要远比单纯的管网管径优化大得多，重要得多。
国内外学者对压力管网输配水优化设计已经提出了不少成熟、实用的理论与方法，大量研究主要集中于管网输配水管径的优化选择上，对管网优化布置、管径优化选择和最优控制面积同时优化研究还不多见。系统最佳控制面积的研究对指导低压管道输水灌溉的发展具有十分重要的意义。为此，本文在已有的管网管径优化理论与管网优化布置基础上，通过对实际规划应用的分析计算，确定设施农业最佳的低压管道输水灌溉系统控制面积，达到较大幅度地节省灌溉系统投资，促进低压管道输水灌溉工程的发展。
1、低压管道灌溉管网的优化布置
农田低压管道输水灌溉工程普遍采用的是树状管网形式。树状管网投资少且布置方便。低压管道灌溉管网总体规划布置是非常重要的一环。它直接关系到管网的总长度、管径的大小、管件用量、灌水的均匀度、管网的造价及管网的运行费用等。为了使管网布置的更加合理，应在充分调查灌区基本资料的基础上，根据水源（取水）位置、设施大棚的走向、道路的布置情况等，在地形图上初步布置管网。在水源位置可选择的情况下，泵房尽可能布置于距灌区中心最近处，管网尽量呈“丰字型”、“工字型”或“T字型”布置，以尽可能减少管道用量，并使管网压力与流量分布均衡，减少管网输水损失，方便管理等，在此基础上进行多方案比较优选;并参照有关技术规范进行技术和经济分析，纵观全局选出带有全局性的最优方案。只有在最优管网布置方案的基础上，才能进行合理的管网优化设计。优化布置远远高于管网管径的优化。
2、树状低压输水管网管径优化
管网管径的优化常以工程造价最小和年费用最小为目标函数进行优化。对需要通过加压系统加压的灌溉管网优化，采用年费用最小为目标函数进行优化比较适宜。考虑到小型机电灌区较多，非常适宜采用低压管道输水灌溉工程，该文主要研究以加压系统加压的灌溉管网优化，采用年费用最小为目标函数，建立树状管网非线性优化设计模型。
2.1有关参数的确定
低压管道灌溉系统轮灌组的划分将对管道设计流量、管网管径的影响很大，它对管网造价的影响远比管径的单纯优化要大得多。如果系统的工作制度一种采用支管轮灌，另一种采用支管上给水栓轮灌，可以看出前一种工作制度下支管的设计流量和管径要比后一种大很多。因此，需要根据管网布置形式进行多方案比较确定灌溉系统较优的轮灌方式。在低压管道灌溉系统轮灌方式确定的基础上，根据同时工作的给水栓数量，推求出管网各级管道的设计流量认。
2.2优化模型的求解
本优化模型是一个以连续管径为设计变量的非线性规划模型，该模型的求解方法很多，主要有拟线性规划法、拉格朗日乘子法、广义简约梯度法、罚函数法、基因算法与人工神经网络法等。近年来的研究表明，广义简约梯度法（GRG）算法在适应问题的广泛性、精度、速度等方面较优，是线性规划算法中最有效的方法。
3、设施农业低压管道灌溉系统最优控制面积确定
在低压管道输水灌溉系统管网优化布置与管径优化的基础上，通过对我市许多设施农业建设中的低压管道输水灌溉系统的优化设计的实际应用，根据各系统不同控制面积的大小对管网造价的影响，寻求最佳系统控制面积。
结合我市设施农业低压管道灌溉工程的建设，运用系统管径优化模型对面积不等的低压管道输水灌溉系统进行优化设计，根据实际优化结果可以找出系统最佳控制面积。各地设施农业区低压管道灌溉系统优化设计成果见表1
表1 设施农业低压管道灌溉系统优化设计成果
由表1优化设计结果建立系统控制面积与单位面积年费用的关系，如图1所示。
控制灌溉面积//hm2
图1 低压管道灌溉系统控制面积与单位面积年费用关系
建立设施农业低压管道灌溉系统控制面积与单位面积年费用的关系相关关系方程为，式中，代表单位面积年费用（万元/hm2），代表系统控制面积（hm2）;为相关系数。
根据函数的一阶导数等于零，可求得：函数最小值点为：（33.75，0.0759）;由图中曲线的意义可以看出，最小值点为年费用最小的点，也即系统最优控制面积点。考虑到曲线底部变率不太大，再加上统计特性和实际情况的复杂性，最小值点附近一定范围内的点集也是较优的，故设施农业低压灌溉系统最优控制面积可以在30-40hm2范围内。
4、结语
（1）低压管道输水灌溉系统因具有特殊的优点，加之UPVC管材生产的系列化、标准化程度不断提高和施工方便、价格相对低廉等特点，今后在我国节水农业和现代农业建设中的推广应用范围将越来越大，研究在规划设计中降低系统的年费用具有十分重要的意义。
（2）本文在低压管道输水灌溉管网布置优化与管径优化的基础上，通过许多设计实例优化结果的统计分析，确定了设施农业低压灌溉系统最优控制面积为30-40hm2。这对今后低压管道灌溉的推广应用，具有一定的指导作用，可以大大节省管网投资和年运行管理费用。
（3）由于低压管道灌溉系统受水源位置、田块形状、管网布置、运行管理方式、管材价格等影响较大，所以复杂的特殊情况可以具体优化。
（4）本文的结论仅适用于水泵提水的UPVC低压管道灌溉系统，对其他情况仅作参考，或可根据本文的方法另行分析确定。
参考文献：
[1]王晓峰，给水管网优化设计研究综述[J].陕西工学院学报。
[2]赵运德，用广义简约梯度法求管网经济管径[J].水利学报。
[3]魏永暇，王雪珍.树状输配水管网优化设计[J].水利学报。
[4]张茂堂，低压管道灌溉在云南稻区的应用研究[J].节水灌溉。