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)計方法及裝置。

背景技術(shù)：

通過灌溉渠系輸配水進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灌溉渠道構(gòu)成，由于渠底及邊坡無法做到絕對光滑，在長距離輸水過程中，水流與不光滑的渠道底部及邊坡之間的摩擦會導(dǎo)致渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計水深。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

根據(jù)本公開實施例的第一方面，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)計水深和所述沿程水深損失，計算所述渠道的優(yōu)化后渠道末端水深；

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

步驟e，當所述相對誤差大于預(yù)設(shè)閾值時，對所述預(yù)設(shè)水力坡度進行優(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，當所述相對誤差小于或等于所述預(yù)設(shè)閾值時，則判定所述預(yù)設(shè)水力坡度為符合所述優(yōu)化目標的水力坡度。

根據(jù)本公開實施例的第二方面，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)計水深；

第一計算模塊，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，計算所述渠道的沿程水深損失；

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

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

優(yōu)化模塊，用于當所述相對誤差大于預(yù)設(shè)閾值時，對所述預(yù)設(shè)水力坡度進行優(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，計算所述渠道的沿程水深損失的步驟；

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

本公開的實施例提供的技術(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，計算渠道的沿程水深損失，根據(jù)該沿程水深損失計算該渠道的優(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)計水深之間的相對誤差不斷調(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)計水深之間的相對誤差在一定范圍內(nèi)，由于優(yōu)化后渠道末端水深的計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)計水深之間的相對誤差在一定范圍內(nèi)；解決了經(jīng)過一段時間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達到設(shè)計要求的問題；達到了避免渠道末端水深與渠道末端設(shè)計水深相差較大，保證后期渠道的灌溉范圍達到設(shè)計要求的效果。

應(yīng)當理解的是，以上的一般描述和后文的細節(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)一示例性實施例示出的渠道末端渠道斷面尺寸及渠道末端設(shè)計水深示意圖；

圖3是根據(jù)一示例性實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)一示例性實施例示出的一種渠道水深優(yōu)化裝置的框圖。

其中，附圖標記分別表示：

h為渠道末端渠道末端設(shè)計水深，

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為渠道的長度，

α為渠道的渠底與基準面角度，

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面角度，

δh為每段跌坎的高度。

具體實施方式

這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，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。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本公開相一致的所有實施方式。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)計水深。

在實際應(yīng)用中，從渠道的工程設(shè)計報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)計水深，該渠道的工程設(shè)計報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)驗預(yù)先設(shè)置的，也可以從渠道的工程設(shè)計報告中獲取得到。

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)的第一計算公式，計算渠道的沿程水深損失。其中，第一計算公式為：

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為過水斷面面積，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)計水深和沿程水深損失，計算渠道的優(yōu)化后渠道末端水深。

將渠道末端設(shè)計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，計算渠道末端設(shè)計水深與優(yōu)化后渠道末端水深之間的相對誤差。

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

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

步驟105，當相對誤差大于預(yù)設(shè)閾值時，對預(yù)設(shè)水力坡度進行優(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。

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

可選的，利用遺傳算法對預(yù)設(shè)水力坡度進行優(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，本實施例對預(yù)設(shè)閾值的大小做任何限制，也不對預(yù)設(shè)閾值的設(shè)置方式做任何限制。

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

當相對誤差小于或等于預(yù)設(shè)閾值時，說明根據(jù)預(yù)設(shè)水力坡度計算得到的優(yōu)化后渠道末端水深與渠道末端設(shè)計水深相差較小，即優(yōu)化后渠道末端水深所能達到的灌溉范圍與渠道末端設(shè)計水深所能達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)化目標的水力坡度。

在一種可能實現(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，計算渠道的沿程水深損失，根據(jù)該沿程水深損失計算該渠道的優(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)計水深之間的相對誤差不斷調(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)計水深之間的相對誤差在一定范圍內(nèi)，由于優(yōu)化后渠道末端水深的計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)計水深之間的相對誤差在一定范圍內(nèi)；解決了經(jīng)過一段時間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達到設(shè)計要求的問題；達到了避免渠道末端水深與渠道末端設(shè)計水深相差較大，保證后期渠道的灌溉范圍達到設(shè)計要求的效果。

圖2是根據(jù)一示例性實施例示出的渠道末端渠道斷面尺寸及渠道末端設(shè)計水深示意圖。如圖2所示，h為渠道末端設(shè)計水深，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光滑，在長距離輸水過程中，水流與不光滑的渠道底部及邊坡之間的摩擦會導(dǎo)致渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計水深。圖3是根據(jù)一示例性實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為渠道的長度，α為渠道的渠底與基準面之間的角度。在長距離輸水過程中，渠道的渠道末端水深hd會逐漸低于渠道末端設(shè)計水深h。

圖4是根據(jù)一示例性實施例示出的渠道優(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為渠道的長度，β為優(yōu)化后渠道的渠底與基準面的角度，δh為每段跌坎的高度。圖5是根據(jù)一示例性實施例示出的優(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施例，可以用于執(zhí)行本公開方法實施例。對于本公開裝置實施例中未披露的細節(jié)，請參照本公開方法實施例。

圖6是根據(jù)一示例性實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、第一計算模塊202、第二計算模塊203、第三計算模塊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)計水深；

第一計算模塊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，計算渠道的沿程水深損失；

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

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

優(yōu)化模塊205，用于當相對誤差大于預(yù)設(shè)閾值時，對預(yù)設(shè)水力坡度進行優(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，計算渠道的沿程水深損失的步驟；

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

在一種可能的實現(xiàn)方式中，該第一計算模塊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)的第一計算公式，計算渠道的沿程水深損失；

其中，第一計算公式為：

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)。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，該第三計算模塊204，還用于：

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

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

在一種可能的實現(xiàn)方式中，該優(yōu)化模塊205，還用于當相對誤差大于預(yù)設(shè)閾值時，利用遺傳算法對預(yù)設(shè)水力坡度進行優(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。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，該裝置還包括：

第四計算模塊，用于判定預(yù)設(shè)水力坡度為符合優(yōu)化目標的水力坡度之后，根據(jù)符合優(yōu)化目標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，計算渠道的沿程水深損失，根據(jù)該沿程水深損失計算該渠道的優(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)計水深之間的相對誤差不斷調(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)計水深之間的相對誤差在一定范圍內(nèi)，由于優(yōu)化后渠道末端水深的計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)計水深之間的相對誤差在一定范圍內(nèi)；解決了經(jīng)過一段時間的輸水后，渠道末端水深低于渠道末端設(shè)計水深，導(dǎo)致后期渠道的灌溉范圍不能達到設(shè)計要求的問題；達到了避免渠道末端水深與渠道末端設(shè)計水深相差較大，保證后期渠道的灌溉范圍達到設(shè)計要求的效果。

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

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本公開的其它實施方案。本申請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)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實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。