1.坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，包括坡田喷灌系统工程设计方法、坡田喷灌系统工程管道布设方法、基于进化算法的坡田喷灌系统管径优化；

坡田喷灌系统工程设计方法对灌溉区域勘测地形，搜集水源、气象、土壤资料，设置科学合理的喷灌系统，确保规划设计的各项技术参数指标满足坡田喷灌要求；技术参数指标主要包括喷灌均匀系数、喷灌组合的喷灌强度和雾化指标；坡田喷灌系统包括水源工程、动力设备、输水配水系统、调压装置、支管、竖管和喷头；坡田喷灌系统工程设计方法包括确定农作物设计灌水定额、喷头选择和布设间距、确定坡田喷灌系统规则、计算管道水力、选配水泵和动力；

坡田喷灌系统工程管道布设方法包括地形较规则坡田布设方法、不规则坡田布设方法、支管布设方法；支管布设方法包括以下几点：一是输水配水管网的布设应能控制全灌区，并使管道总长度最短，造价最小，机压系统中使运行费用最省；二是地形坡度较陡时，使主管沿主坡度方向布设，路线短一些，支管则平行等高线布设，便于控制支管的水头损失，使支管上各喷头工作压力尽可能一致，也便于使竖管保持铅垂，保证喷头在水平方向旋转，在梯田上布设管道时支管沿梯田水平方向布设，减少支管与梯田相交而增加弯头设备；三是支管的布设尽可能与农作物耕作方向一致，对固定式喷灌系统，减少竖管对机耕的影响，同时力求使支管长度一致，管子规格统一、管线平顺，减少折点，一条支管上喷头最多不超过12个；四是坡田上通过支管道的间距调整由坡度产生的喷洒半径问题，喷头上方的支管间距不变，喷头下方的支管间距从上到下越来越小，顶端间距为喷头射程；

基于进化算法的坡田喷灌系统管径优化包括进化算法的设计原理和水泵加压喷灌系统管径优化数学模型，通过建立水泵加压喷灌树状管网优化模型，结合坡田水源与喷灌区域高差大的特点，采用分级提水喷灌技术，对机压喷灌树状管网模型进行改进，以总费用最小为目标函数，以管径长度和水泵扬程为决策变量，采用整数编码，建立坡田喷灌机压树状管网的数学模型，采用进化算法对模型进行计算，对管网系统进行优化，优化管径以节约投资：设定每一管段内最多有二种相邻的管径组成，以水泵加压树状管网优化，水泵机压喷灌的年费用包括管网投资和年运行费用，使坡田喷灌系统的年费用最低，其中又以水泵的型号和管道的直径这两个变量为重点，通过调整管道长度和直径，优化管网每个节点的流量和压力，降低坡田喷灌系统管道造价和运行费用：（1）坡田喷灌管网模型的目标函数：以系统扬程和管径为决策变量，以工程年费用最少为目标函数的数学模型：  式12

式12中：L为管网年费用；单位为元/年，K为管网投资资金，单位为元；B为年运行费用，包括电能耗损费B1和维修费B2，单位为元；δ为均付因子；

（2）坡田喷灌管网投资资金K：

  式13

式13中：M为树状管网段数；Oij为第i段管段第j种管径的单价，单位为元/米；Wij为第i段管段第j管径的长度，单位为米；利用管道的单价和直径，基于最小二乘进行曲线拟合，形式如下：  式14

式14中：hij为第i段管段第j种管径的直径；f0、f1、f2为回归方程的参数；

（3）坡田喷灌系统年运行费用B包括B1和B2，计算式如下：                       式15                          式16                         式17                             式18上式中：G为平均年维修管理费率，单位为%；i为水泵的台数；I为当地的电价，单位为元/（kw▪h）；T为水泵年工作小时数，单位为小时；Pk为第k台水泵的流量，单位为m3/h；Dk为第k台水泵的扬程，单位为m；Fk为第k台水泵喷洒面积，单位为亩；Qk为第k台水泵年喷水次数，单位为次；Hk为第k台水泵每次喷水天数，单位为天；tk为第k台水泵每天喷水时间，单位为h；

3

N为农作物灌溉定额，单位为m/亩；ek为第k台水泵的效率；e为水利用系数；

                      式19q为资金年利率，单位为%；m为管道折旧年限，单位为年；

           式20

水泵扬程Dk由式21计算，其中总水头损失计算式为：           式21

                             式22式中：Dk0为水泵k的净扬程，β取值0.1，A为多口系数,当管段进出口流量相等时，A=1, a为管材系数，b为管径系数，dw为管道水头损失，D0为水泵净扬程，Pi为第 i台水泵流量；

（4）压力约束：

每个管道出水口节点的流量和压力都必须达到设计流量和设计压力，满足下式：       式23

式中：I0为水源水面标高，单位为m；d损为水泵吸水管水头损失加上底阀损失加上首部枢纽损失；Iy为管网中第y个节点处的地表高程，单位为m；dymin为y节点管道处所允许的最小承压力，单位为m；My为从水源水面到喷灌管网中第y个节点需经过的管道总段数；Dk0为水泵k的净扬程，单位为m；dck为管段允许的最小压力约束变量，单位为m；

在整个喷灌系统中，管网的首端压力不超过管道所允许的最大承压力；

      式24

式中：dymax为y节点管道处所允许的最大承压力，单位为m；dmk为管段承压力约束变量，单位为m；

（5）管长约束：

                            式25（6）管径约束：

                    式26

式中所有涉以及管径从已有的标准管径中选择,hmin为标准管径的最小值，hmax为标准管径的最大值；

（7）非负约束：

                        式27以上各符号和字母表示同前,D为水泵的扬程；

坡田喷灌管道造价函数：以公称压力0.8MPa PVC管道构建价格函数，基于最小二乘法对管道价格进行回归曲线拟合，得到喷灌系统管道的造价式为：                式28

O为造价，hij为第i段管段第j种管径的直径。

2.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，坡田喷灌系水泵加压管径模型约束优化：构造适应度函数，先将式25改写为：                          式29然后将式28、式29分别代入式20、式23和式24中，采用罚函数法将管网约束优化问题转化为无约束优化问题，构造出目标函数，如下：    式30

   式31

         式32

        式33

上式中字母符号代表的意义同前；

目标函数f(hi1，hi2，Wi1，Dy)由一次性造价与约束条件组成，反映优化变量(hi1，hi2，Wi1，Dy)值所计算出的解的优劣程度，将上述最小化目标函数转化为最大化问题，满足进化算法对适应度函数最大化的要求，可构造适应度函数：                        式34由适应度函数建立水泵加压喷灌系统管径优化数学模型，由模型可得水泵加压喷灌系统最优管径。

3.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，确定坡田农作物设计灌水定额包括：一是设计灌水均匀度，喷灌均匀度用喷灌均匀系数Ou表示喷洒面积上水量分布的均匀程度, Ou是衡量喷灌质量的主要指标之一，影响因素有喷头结构、单喷头水量分布、旋转速度的均匀性、喷头组合形式以及间距、竖管倾斜度、工作水头、地表坡度以及风向风速，计算式为：                式1

式1中，Ou为均匀系数，以小数表示 ，

Δd为喷洒水深或者喷灌强度的平等离差，单位为mm或者mm/h；di为测点的喷洒水深或2

者点喷灌强度，单位为mm或者mm/h；Si为测点所代表的面积，单位为m ，当测点所代替的面积相等时，Si=1；m为测点总数；

二是设计灌水定额，农作物灌溉需水量包括土壤与地表的蒸发量和植物本身的蒸发量，影响因素包括气温、辐射、湿度、风速及土壤性质，采用下式计算设计灌水定额：                   式2

式2中，n为设计灌水定额，单位为mm；D为计划湿润层深度，单位为cm；βmax为灌水后土层允许达到的含水量上限的重量百分比%；βmin为灌水前土层的含水量下限的重量百分比%；e为灌溉水利用系数，风速低于3.4m/s时，取0.8—0.9，风速为3.4—5.4m/s时，取0.7—0.8；

三是灌水周期，根据喷灌工程技术规范，采取式3确定设计灌水周期：T水=n/ETc 式3

式中：T水为设计灌水周期，单位为d；n为设计灌水定额，单位为mm；ETc为高峰期农作物日需水量，单位为mm/d。

4.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，确定坡田喷灌系统规则中，拟定坡田喷灌系统规则包括：一是喷头在一个位置上的喷洒时间：

                   式4

式4中：f为喷头间距，单位为m；g为支管间距，单位为m；Ty为喷头在一个位置的喷洒时间，单位为h；n为设计灌水定额，单位为mm；ρ为组合平均喷灌强度，单位为mm/h；p为单喷头3

流量，单位为m /h；e为灌溉水利用系数，风速低于3.4m/s时，取0.8至0.9，风速为3.4至

5.4m/s时，取0.7至0.8；

二是喷头每日工作位置数或可轮灌组数：

                         式5式5中：m为喷头每日工作移动位置数，取整数；T日为设计日净喷时间，固定式管道系统不小于12小时；半固定式管道系统不小于10小时,移动管道式和定喷机组式系统不小于8小时；T移为拆装和搬移支管和喷头一次所需时间，当采用2至3套支管，喷头交替使用时，或者固定式系统，t移=0；

三是需同时工作的喷头数：

                         式6式6中：mp为同时工作的喷头数,取整数，单位为个；M为喷头总位置数，由平面布设图得知，单位为个；T为设计轮灌周期，单位为d。

5.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于， 计算管道水力主要为计算沿程水头损失：                            式7式7中：df为沿程水头损失，单位为m；L为管段长度，单位为m；P为管段进口流量，单位为3

m/h；h为管段直径（内径），单位为mm；n、g分别为流量指数和管径指数， a为管材系数； A为多口系数，适用于沿程均匀出流情况，A如下：                  式8

上式中：n为流量指数；M为管段上出口数；x为管段上第一出口至流量进口的距离与正常出口间距之比，当管段进出口流量相等时，A=1。

6.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，计算主管水力包括初步确定主管管径，在支管管径和流量都确定后，计算出一个轮灌组所3

需要的流量和水压，结合管网布设图，确定干管的流量，当流量小于120m /h时，采用式9进3

行计算主管管径，如果流量干管流量大于或者等于120m /h时，则运用式10确定管径；管径确定要避免管内流速过大，产生水冲击现象，影响管材的安全使用年限，                             式9                           式103

式中：H为管道内径，单位为mm；P为管段进口流量，单位为m/h。

7.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，选配水泵和动力包括计算系统的设计水头：                式11

式中：D为喷灌系统的设计水头，单位为m；Dp为喷头工作压力水头，单位为m；Jd为典型喷头高程，单位为m；Js为水源水面高程，单位为m；Ds为典型喷头的竖管高程，单位为m；df为沿程水头损失，单位为m；β为水头损失系数，通常取0.1。

8.根据权利要求1所述的坡田喷灌系统工程管网和管道设计的改进方法，其特征在于，地形较规则坡田布设方法为：喷灌区域为较规则的一面坡田时采用梳子形喷灌管网，梳子形喷灌管网由主管、分干管、支管三级管道构成，主管布设在灌区的顶端坡面上，分干管则垂直等高线类似梳子一样向下布设，支管就沿着等高线布设，与农作物的栽植方向平行，避免支管与农作物交叉，影响后期的喷灌作业；

喷灌区为较规则的两面坡田时采用丰字形喷灌管网，丰字形喷灌管网由主管以及支管二级管道构成，主管沿山脊垂直等高线布设，支管则垂直主管，沿等高线向两侧平行布设，支管间距由喷头的组合形式确定。