本公開涉及農(nóng)田灌溉領(lǐng)域，特別涉及一種渠道水深設(shè)計(jì)方法及裝置。

背景技術(shù)：

通過灌溉渠系輸配水進(jìn)行地面灌溉是目前應(yīng)用最為廣泛的一種農(nóng)田灌溉方式。

灌溉渠系一般由多級(jí)灌溉渠道構(gòu)成，由于渠底及邊坡無法做到絕對(duì)光滑，在長(zhǎng)距離輸水過程中，水流與不光滑的渠道底部及邊坡之間的摩擦?xí)?dǎo)致渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計(jì)水深。

由于灌溉對(duì)渠道內(nèi)的水深有一定的要求，若渠道末端水深較低的話，則不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的灌溉范圍，因此在渠道水深設(shè)計(jì)的過程中需要考慮到輸水過程中存在沿程損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決經(jīng)過一段時(shí)間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計(jì)水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的問題，本公開提供一種渠道水深設(shè)計(jì)方法及裝置。所述技術(shù)方案如下：

根據(jù)本公開實(shí)施例的第一方面，提供一種渠道水深優(yōu)化方法，所述方法包括：

步驟a，獲取渠道的曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和渠道末端設(shè)計(jì)水深；

步驟b，根據(jù)所述曼寧糙率系數(shù)、所述水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算所述渠道的沿程水深損失；

步驟c，根據(jù)所述渠道末端設(shè)計(jì)水深和所述沿程水深損失，計(jì)算所述渠道的優(yōu)化后渠道末端水深；

步驟d，計(jì)算所述渠道末端設(shè)計(jì)水深與所述優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差；

步驟e，當(dāng)所述相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，對(duì)所述預(yù)設(shè)水力坡度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后水力坡度替換所述預(yù)設(shè)水力坡度，并轉(zhuǎn)至執(zhí)行步驟b；

步驟f，當(dāng)所述相對(duì)誤差小于或等于所述預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則判定所述預(yù)設(shè)水力坡度為符合所述優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度。

根據(jù)本公開實(shí)施例的第二方面，提供一種渠道水深優(yōu)化裝置，所述裝置包括：

獲取模塊，用于獲取渠道的曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和渠道末端設(shè)計(jì)水深；

第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述曼寧糙率系數(shù)、所述水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算所述渠道的沿程水深損失；

第二計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述渠道末端設(shè)計(jì)水深和所述沿程水深損失，計(jì)算所述渠道的優(yōu)化后渠道末端水深；

第三計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述渠道末端設(shè)計(jì)水深與所述優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差；

優(yōu)化模塊，用于當(dāng)所述相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，對(duì)所述預(yù)設(shè)水力坡度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后水力坡度替換所述預(yù)設(shè)水力坡度，并執(zhí)行所述根據(jù)所述曼寧糙率系數(shù)、所述水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算所述渠道的沿程水深損失的步驟；

判定模塊，用于當(dāng)所述相對(duì)誤差小于或等于所述預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則判定所述預(yù)設(shè)水力坡度為符合所述優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度。

本公開的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

通過根據(jù)曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算渠道的沿程水深損失，根據(jù)該沿程水深損失計(jì)算該渠道的優(yōu)化后渠道末端水深，并根據(jù)優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差不斷調(diào)整預(yù)設(shè)水力坡度，使得得到的優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)，由于優(yōu)化后渠道末端水深的計(jì)算過程中考慮到了沿程水深損失，且優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)；解決了經(jīng)過一段時(shí)間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計(jì)水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的問題；達(dá)到了避免渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深相差較大，保證后期渠道的灌溉范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求的效果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性的，并不能限制本公開。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，示出了符合本公開的實(shí)施例，并于說明書一起用于解釋本公開的原理。

圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種渠道水深優(yōu)化方法的流程圖；

圖2是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的渠道末端渠道斷面尺寸及渠道末端設(shè)計(jì)水深示意圖；

圖3是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的渠道沿水流方向上的剖面圖；

圖4是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的渠道優(yōu)化后沿水流方向上的坡面圖；

圖5是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的優(yōu)化后渠道及渠道末端渠底水力坡度和渠道末端水深比較圖；

圖6是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種渠道水深優(yōu)化裝置的框圖。

其中，附圖標(biāo)記分別表示：

h為渠道末端渠道末端設(shè)計(jì)水深，

w為渠底寬度，

θ為渠道兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角，

hd為渠道末端水深，

l為渠道的長(zhǎng)度，

α為渠道的渠底與基準(zhǔn)面角度，

hd′為優(yōu)化后渠道末端水深，

β為優(yōu)化后渠道渠底與基準(zhǔn)面角度，

δh為每段跌坎的高度。

具體實(shí)施方式

這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本公開相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本公開的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種渠道水深優(yōu)化方法的流程圖，如圖1所示，該渠道水深優(yōu)化方法包括以下步驟。

步驟101，獲取渠道的曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和渠道末端設(shè)計(jì)水深。

在實(shí)際應(yīng)用中，從渠道的工程設(shè)計(jì)報(bào)告中獲取該渠道的曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和渠道末端設(shè)計(jì)水深，該渠道的工程設(shè)計(jì)報(bào)告用于記錄理想條件下該渠道需要滿足相關(guān)參數(shù)。

步驟102，根據(jù)曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算渠道的沿程水深損失。

其中，預(yù)設(shè)水力坡度是技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)置的，也可以從渠道的工程設(shè)計(jì)報(bào)告中獲取得到。

具體的，按照曼寧糙率系數(shù)、水力半徑、預(yù)設(shè)水力坡度，以及沿程水深損失相關(guān)的第一計(jì)算公式，計(jì)算渠道的沿程水深損失。其中，第一計(jì)算公式為：

其中，hf為渠道的沿程水深損失，單位為m；λ是渠道的沿程阻力系數(shù)，無單位；r為渠道的水力半徑，單位為m，l為渠道的長(zhǎng)度，v為渠道中水流的流速，g為重力加速度。r可用公式(1)來表示：

r＝a/p公式(1)

其中，a為過水?dāng)嗝婷娣e，單位為m²；p為濕周，單位為m。

v可用公式(2)來表示：

其中，j為預(yù)設(shè)水力坡度，c為謝才系數(shù)。c可用公式(3)來表示：

其中，n為曼寧糙率系數(shù)。

步驟103，根據(jù)渠道末端設(shè)計(jì)水深和沿程水深損失，計(jì)算渠道的優(yōu)化后渠道末端水深。

將渠道末端設(shè)計(jì)水深減去沿程水深損失后，即可得到優(yōu)化后渠道末端水深。

步驟104，計(jì)算渠道末端設(shè)計(jì)水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差。

具體的，按照渠道末端設(shè)計(jì)水深和沿程水深損失以及相對(duì)誤差相關(guān)的第二計(jì)算公式，計(jì)算渠道末端設(shè)計(jì)水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差。其中，第二計(jì)算公式為：

其中，are為渠道末端設(shè)計(jì)水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差；hd為優(yōu)化后渠道末端水深，單位為m；h為渠道末端設(shè)計(jì)水深，單位為m。

步驟105，當(dāng)相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，對(duì)預(yù)設(shè)水力坡度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后水力坡度替換預(yù)設(shè)水力坡度，并轉(zhuǎn)至執(zhí)行步驟102。

當(dāng)相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，說明根據(jù)預(yù)設(shè)水力坡度計(jì)算得到的優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深相差較大，即優(yōu)化后渠道末端水深所能達(dá)到的灌溉范圍與渠道末端設(shè)計(jì)水深所能達(dá)到的灌溉范圍相差較大，預(yù)設(shè)水力坡度不為符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度。

可選的，利用遺傳算法對(duì)預(yù)設(shè)水力坡度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后水力坡度替換預(yù)設(shè)水力坡度。

需要說明的是，該預(yù)設(shè)閾值可以為1％，1.5％等等，本實(shí)施例對(duì)預(yù)設(shè)閾值的大小做任何限制，也不對(duì)預(yù)設(shè)閾值的設(shè)置方式做任何限制。

步驟106，當(dāng)相對(duì)誤差小于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則判定預(yù)設(shè)水力坡度為符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度。

當(dāng)相對(duì)誤差小于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，說明根據(jù)預(yù)設(shè)水力坡度計(jì)算得到的優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深相差較小，即優(yōu)化后渠道末端水深所能達(dá)到的灌溉范圍與渠道末端設(shè)計(jì)水深所能達(dá)到的灌溉范圍相差較小，因此判定預(yù)設(shè)水力坡度為符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度。

在一種可能實(shí)現(xiàn)的方式中，用戶可根據(jù)需要設(shè)置跌坎數(shù)量，降低了渠道中每段跌坎高度，減小了水流的流速，降低水流與渠道底部及邊坡之間的摩擦，減少輸水過程中的沿程損失，其中，δh為每段跌坎的高度。

具體的，根據(jù)符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度和渠道的優(yōu)化后渠道末端水深，得到渠道的總跌坎高度，將總跌坎高度除以預(yù)設(shè)的每段跌坎的高度，得到渠道的跌坎數(shù)量。其中，渠道的跌坎數(shù)量可通過公式(4)計(jì)算得到：

其中，h為渠道的總跌坎高度，單位為m；n為自然數(shù)；δh為每段跌坎的高度，單位為m。

綜上所述，本公開實(shí)施例中提供的渠道水深優(yōu)化方法，通過根據(jù)曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算渠道的沿程水深損失，根據(jù)該沿程水深損失計(jì)算該渠道的優(yōu)化后渠道末端水深，并根據(jù)優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差不斷調(diào)整預(yù)設(shè)水力坡度，使得得到的優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)，由于優(yōu)化后渠道末端水深的計(jì)算過程中考慮到了沿程水深損失，且優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)；解決了經(jīng)過一段時(shí)間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計(jì)水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的問題；達(dá)到了避免渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深相差較大，保證后期渠道的灌溉范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求的效果。

圖2是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的渠道末端渠道斷面尺寸及渠道末端設(shè)計(jì)水深示意圖。如圖2所示，h為渠道末端設(shè)計(jì)水深，w為渠道的渠底寬度，θ為渠道的兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角。由于渠底及邊坡無法做到絕對(duì)光滑，在長(zhǎng)距離輸水過程中，水流與不光滑的渠道底部及邊坡之間的摩擦?xí)?dǎo)致渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計(jì)水深。圖3是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的渠道沿水流方向上的剖面圖，如圖3所示，hd為渠道的渠道末端水深，l為渠道的長(zhǎng)度，α為渠道的渠底與基準(zhǔn)面之間的角度。在長(zhǎng)距離輸水過程中，渠道的渠道末端水深hd會(huì)逐漸低于渠道末端設(shè)計(jì)水深h。

圖4是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的渠道優(yōu)化后沿水流方向上的坡面圖。如圖4所示，hd′為優(yōu)化后渠道末端水深，l為渠道的長(zhǎng)度，β為優(yōu)化后渠道的渠底與基準(zhǔn)面的角度，δh為每段跌坎的高度。圖5是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的優(yōu)化后渠道及渠道末端渠底水力坡度和渠道末端水深比較圖。由圖5所示，優(yōu)化后渠道末端水深hd′高于渠道的渠道末端水深hd。

下述為本公開裝置實(shí)施例，可以用于執(zhí)行本公開方法實(shí)施例。對(duì)于本公開裝置實(shí)施例中未披露的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參照本公開方法實(shí)施例。

圖6是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種渠道水深優(yōu)化裝置的框圖，如圖6所示，該渠道水深優(yōu)化裝置包括但不限于：獲取模塊201、第一計(jì)算模塊202、第二計(jì)算模塊203、第三計(jì)算模塊204、優(yōu)化模塊205和判定模塊206。

獲取模塊201，用于獲取渠道的曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和渠道末端設(shè)計(jì)水深；

第一計(jì)算模塊202，用于根據(jù)曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算渠道的沿程水深損失；

第二計(jì)算模塊203，用于根據(jù)渠道末端設(shè)計(jì)水深和沿程水深損失，計(jì)算渠道的優(yōu)化后渠道末端水深；

第三計(jì)算模塊204，用于計(jì)算渠道末端設(shè)計(jì)水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差；

優(yōu)化模塊205，用于當(dāng)相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，對(duì)預(yù)設(shè)水力坡度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后水力坡度替換預(yù)設(shè)水力坡度，并執(zhí)行根據(jù)曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算渠道的沿程水深損失的步驟；

判定模塊206，用于當(dāng)相對(duì)誤差小于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則判定預(yù)設(shè)水力坡度為符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，該第一計(jì)算模塊202，還用于：

按照曼寧糙率系數(shù)、水力半徑、預(yù)設(shè)水力坡度，以及沿程水深損失相關(guān)的第一計(jì)算公式，計(jì)算渠道的沿程水深損失；

其中，第一計(jì)算公式為：

其中，hf為渠道的沿程水深損失，λ是渠道的沿程阻力系數(shù)，r為渠道的水力半徑，l為渠道的長(zhǎng)度，v為渠道中水流的流速，g為重力加速度，j為預(yù)設(shè)水力坡度，c為謝才系數(shù)，n為曼寧糙率系數(shù)。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，該第三計(jì)算模塊204，還用于：

按照渠道末端設(shè)計(jì)水深和沿程水深損失以及相對(duì)誤差相關(guān)的第二計(jì)算公式，計(jì)算渠道末端設(shè)計(jì)水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差；

其中，are為渠道末端設(shè)計(jì)水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對(duì)誤差，hd為優(yōu)化后渠道末端水深，h為渠道末端設(shè)計(jì)水深。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，該優(yōu)化模塊205，還用于當(dāng)相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，利用遺傳算法對(duì)預(yù)設(shè)水力坡度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后水力坡度替換預(yù)設(shè)水力坡度，并轉(zhuǎn)至執(zhí)行步驟b。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，該裝置還包括：

第四計(jì)算模塊，用于判定預(yù)設(shè)水力坡度為符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度之后，根據(jù)符合優(yōu)化目標(biāo)的水力坡度和渠道的優(yōu)化后渠道末端水深，得到渠道的總跌坎高度；

第五計(jì)算模塊，用于將總跌坎高度除以預(yù)設(shè)的每段跌坎的高度，得到渠道的跌坎數(shù)量。

綜上所述，本公開實(shí)施例中提供的渠道水深優(yōu)化裝置，通過根據(jù)曼寧糙率系數(shù)、水力半徑和預(yù)設(shè)水力坡度，計(jì)算渠道的沿程水深損失，根據(jù)該沿程水深損失計(jì)算該渠道的優(yōu)化后渠道末端水深，并根據(jù)優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差不斷調(diào)整預(yù)設(shè)水力坡度，使得得到的優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)，由于優(yōu)化后渠道末端水深的計(jì)算過程中考慮到了沿程水深損失，且優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深之間的相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)；解決了經(jīng)過一段時(shí)間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計(jì)水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的問題；達(dá)到了避免渠道末端水深與渠道末端設(shè)計(jì)水深相差較大，保證后期渠道的灌溉范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求的效果。

關(guān)于上述實(shí)施例中的裝置，其中各個(gè)模塊執(zhí)行操作的具體方式已經(jīng)在有關(guān)該方法的實(shí)施例中進(jìn)行了詳細(xì)描述，此處將不做詳細(xì)闡述說明。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本公開的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本公開的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本公開的一般性原理并包括本公開未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)施例僅被視為示例性的，本公開的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本公開的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。