山区灌区蓄水池分级方法探讨.pdf

第41卷第2期人民长江Vo1．41。No．22010年1月YangtzeRiverJan．，2010文章编号：1001—4179(2010)02—0093—04山区灌区蓄水池分级方法探讨王潇，张庆华，李玉康，吕艳(山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018)摘要：针对山区或丘陵等提水灌区年运行费用中，提水动力费所占比例大且高的实际情况，提出了分级设置蓄水池的设计理念，以减少灌溉系统的提水费用，从而达到降低年运行费的目的。论述了灌溉系统的系统投资函数、年运行费函数等一系列函数，并且以工程经济学中的年费用最小为准则，建立了蓄水池最优分级数学模型。还对蓄水池分级方法进行了阐述，并通过模型求解最终确定蓄水池的最优分级数。关键词：蓄水池分级；系统投资；年运行费；提水灌区中图法分类号：$27文献标志码：A在水库灌区，为了满足库区灌溉，山区或丘陵地区投资和工程年运行费。工程投资主要有泵站投资、输常用的方法是将水库周边耕地沿库区进行分片，对每水管道、蓄水池和配水管网投资4部分组成。片灌区采用单站集中提水灌溉，无论灌区各处的地面蓄水池高程如何，一般将全部所需的水量提到灌区最高的控制高程处⋯，通过蓄水池进行水量调节和配水，然后采用低压管道或其他形式进行灌溉。该方法在每片灌区地形高差不大的情况下是适用的，但当地形高差较大，如果水泵提水至一个蓄水池(一般为该片灌区最高处)，则水泵运行费用大，增加工程的运行成本。针对该情况，本文提出了分级设置蓄水池的方法，供设计参考。1库区低压管道灌溉系统费用函数1．1蓄水池分级设计水库灌区低压管道灌溉系统主要由提水泵站、输图1蓄水池分级设计示意水管道、蓄水池和配水管网等部分组成。蓄水池分级设计如图1所示。1．2．1泵站投资图1中泵站分为17,组，每一组有1台或多台水泵，泵站投资主要分为3部分：水泵与电机、泵房和变第i组水系向第i级蓄水池供水。其中，￡为第i级输配电系统。水管的长度；H，Q为第i级水泵的扬程和流量。水泵的价格与水泵流量、扬程有关，在确定蓄水池分级的情况下泵站总投资为：1．2系统投资函数提水灌区灌溉系统的费用主要包括两部分：工程K。=∑K。=∑。Q+K(1)=】i=J收稿日期：2009一l1—03基金项目：山东自然科学基金资助项目(2007ZRB019B6)作者简介：王潇，女，硕士研究生，从事水利工程经济与管理研究。E—mail：luckywxt@163．tom 人民长江2010生式中，K。为泵站总投资，元；K。为第i级蓄水池水泵相同时，其值与式(2)相同)；L为第i级蓄水池第t段的投资，元；口、a、卢为统计常数；H为第级蓄水池水配水管长度，m；D为第i级蓄水池第t段配水管管泵的扬程，m；Q为第i级蓄水池水泵的流量，m／s；n径，m；S为第i级蓄水池配水管网按管径分段数。为蓄水池级数；为泵房、电机和变配电系统投资，1．2．5总投资元。水库库区低压管道灌溉系统的工程总投资为1．2．2输水管道投资以上各部分之和：在管道灌溉系统中，管网的投资占有相当大的比K：K1+K2+K3+K4(7)重(管网投资约占总投资的2／3以上)，而管网投资又1．3年运行费函数受管径的直接影响，管径的大小直接影响管道系统的管道灌溉系统年运行费包括提水电费、维护费、管费用，管网费用与管径有关。输水管道的投资可用下理费、管理人员工资及附加费等，用下式表示：式计算：C=Cl+C2+C3+G4(8)式中，C为系统年运行费，元；C。为提水电费，元；c：：aiL(2)为系统维护费，元；C为系统管理费，元；c为系统管式中，为输水管道投资，元；L为第i级蓄水池输水理人员工资，元。管道的长度，nl；D为第i级蓄水池输水管道管径，In；对于一个灌溉系统，维护费、管理费、管理人员工ai、b为系数，由不同管道管径及单价的系列资料，用资及附加费会随着工程总投资的增加而增加，估算时统计分析方法求得。可用占总投资的比例计算。1．2．3蓄水池投资1．3。l系统提水电费计算蓄水池的容积与灌溉面积、灌水定额、灌水周期等水库提水灌区的提水电费是系统年运行费的重要因素有关，其造价由流量、容积、建筑材料(如砖材、混组成部分，在总运行费中占有较大的比重(水泵能耗凝土等)等因素而定，每级蓄水池造价可用表示，约占全部总能耗的21％)。根据本文的研究对象，总投资为：提水电费为泵站向各级蓄水池提水所花的动力费用。K，=(3)水泵的提水电费可按下式计算：式中，为蓄水池总投资，元；K3为第i级蓄水池投c。=(9)资，元。式中，y为水的容重，清水取y=1000kg／m；P为电1．2．4配水管网投资费单价，元／(kW·h)；Q为水泵提水流量，m／s；T为在蓄水池后面接配水管道进行自压灌溉，配水管水泵年工作时间，h；日为水泵扬程，m；为水泵总效网的投资可根据管道单价与管径进行统计计算，一般率。管道单价为：水泵扬程为水泵提水高度与输水管道水头损失之M=aD(4)和，按下式计算：式中，』lf为管道单价，元／m；口、6为系数；D为配水管H=Ho+h(1O)内径，in。h=，+^(11)配水管网在田间布置时，会不断有支渠分出，所以式中，为水泵提水高度，m；h为管道总水头损管径不同，根据上式可得出第i级配水管网投资为：失C5]，m；，为管道沿程水头损失，m；hj为管道局部水S‘头损失，m。=altD(5)由图1和前述公式，第i级蓄水池年提水电费为：配水管网总投资为各级蓄水池配水管网投资之=((12)和。SnB因管道灌溉系统管线较长，管道系统总水头损失=∑=∑∑DL(6)主要为沿程损失。故实际计算时可近似取hj=式中，K为配水管网总投资，元；K第i级蓄水池配0．1，，第i级蓄水池年提水电费计算公式为：水管网投资；口、b为回归参数，可根据管道单价与管C。l：(‘∞+1．‘1h)(【13)，径，利用统计方法求得(当配水管道管材与输水管道 第2期王潇，等：山区灌区蓄水池分级方法探讨95输水管道一般可采用混凝土管、铸铁管和塑料管函数。所以蓄水池最优分级只能通过试算法确定，即等，对于圆管的沿程水头损失可用下式计算：应先求出不同分级i的年费用，然后取年费用最小对h，：f,LqT／O：(14)应的分级即为所求。求解方法如下：式中，h为相应管长为的沿程水头损失，m；为相(1)确定蓄水池可能的分级数n(方案数)。蓄应管长为的摩擦因数，随水流的雷诺数Re而变化；水池分级数的多少主要取决于灌区地形高差、灌区内Q为相应管长为的输水管流量，m／s；D。为相应管土地及作物分布和灌水方法等因素。一般情况下，地长为的管径，m；c为流量指数，与摩阻损失有关；e形高差越大、灌区内土地与作物分布越多，蓄水池分级为管径指数，与摩阻损失有关。数多。将式(14)代入(13)式得到第i级蓄水池提水电(2)确定各级蓄水池水泵流量、输水管道长度。费为：各级蓄水池高程确定后，根据每一级蓄水池控制的灌溉面积、作物种植情况及灌溉制度、灌溉水利用系数等：()(15)因素确定蓄水池水泵流量；根据每一级蓄水池的高程所以系统的年提水电费为：和地形情况，确定输水管道长度。(3)确定各级蓄水池输水管道及配水管道管径。C。=>。C。(16)输水管道及配水管道的管径对工程投资、水泵扬程等1．3．2其他费用计算影响较大，在蓄水池分级确定之后，为使系统年费用最少，各级管道的管径应为经济管径。维护费、管理费、管理人员工资及附加费的总和可用otK表示。其中为系统总投资，元；Ol为年运行费(4)进行各分级的泵站及蓄水池设计。上述各级系数(不包括提水电费)。蓄水池流量、输水管道长度等确定后即可计算水泵流量、扬程，选择水泵及电机，从而进行泵站设计。1．3．3年运行费计算(5)求各分级情况下系统年费用。系统总的年运行费用为：C=C。+ozK(17)3结语2蓄水池分级模型水库提水灌区蓄水池的最优分级数涉及因素较多，求解的难点在于泵站投资函数式(1)和输配水管2．1系统的年费用函数网投资函数式(2)、(6)中统计参数的确定，而这些统根据工程经济学理论，系统年费用可表示为：计参数的确定需要有一定数量的统计样本(如水泵类=+cד型与价格、管道类型与价格等)。目前，输配水管道类型与价格的资料较多，而水泵类型与价格的资料相对(18)较少。因此，当统计样本数量不足时，对泵站投资可在式中，为系统年费用，元；Ko为系统投资年本利摊蓄水池分级确定情况下，通过工程设计选择水泵及配还值，元；J为年利率，％；r为工程使用年限，a。套电机，从而估算泵站投资。2．2目标函数参考文献：按照工程经济分析中的年费用最小准则，依据式[1]姜健俊，周明耀，肖波等．丘陵地区梯级泵站提水灌溉系统分级优化研究[J]．中国农村水利水电，2004(9)：93—94．(18)建立目标函数为：[2]张庆华，马庆斌．管道灌溉系统经济管径的计算[J]．中国农村水min{M，M。：，⋯⋯，}(19)利水电，2000，(7)：14一l5．式中，n为蓄水池分级数，为决策变量；M为分级数[3]白丹．灌溉管网优化设计[M]．西安：陕西科学技术出版社，1998．为情况下系统年费用，元。[4]曹明，姚青云．梯级泵站优化调度研究进展[J]．宁夏农学院学报，2003，(4)：101—106．2．3模型求解[5]昊持恭．水力学(第三版)[M]．北京：高等教育出版社，2003．系统的年费用与分级的流量、扬程、输配水管道管[6]郭元裕．农田水利学(第三版)[M]．北京：中国水利水电出版社．径等有关，而分级的流量、扬程等与分级数有关，因此，1997目标函数既是分级数n的非线性函数，又为复杂的隐 人民长江2010生ResearchongradationapproachofimpoundingreservoirsforpumpingirrigationWANGXiao，ZHANGQinghua，LIYukang，LUYan(WaterConservancyandCivilEngineeringCollege，ShandongAgriculturall，Taian271018，China)Abstract：Aimingatalargepotionoftheannualoperationexpenseforwaterliftingfromreservoirispumpingpowerexpenseforirrigationinmountainousorhillyarea，weproposebuildingstep—by—stepimpoundingreservoirstoreducethepumpingex·pense．Wediscussetheinvestmentfunction，annualexpensefunctionoftheirrigationsystem，andfinallysetupthemathematicalmodelofoptimumstep—-by——stepimpoundingreservoironthebasisofleastannualoperationexpenseprincipleintheengineeringeconomy．Wealsoanalyzethegradationandsolutionmethodofthemode1．．Keywords：gradationofimpoundingreservoir；investmentsystem；annualoperationexpense；pumpingirrigation(鳊辑：邓玲)I上接第79页)小上略有差异，这说明本文方法对于随机载荷的识别参考文献：不仅结果可靠而且精度还比较高。[1]文祥荣，智浩，缪龙秀．基于模态分析法的结构动栽荷识别研究[J]．北方交通大学学报，2000，24(4)：11—14．4结语[2]朱以文，蔡元奇，韩芳，等．动荷栽反分析的模态选择方法【J】．固体力学学报，2006，27(12)：78—80．本文根据精细积分法的基本原理针对动荷载反分[3]钟万勰．结构动力方程的精细时程积分法[J】．大连理工大学学析问题推导出了一种荷载识别的时域方法，与前人方报。1994，34(2)：13l一135．法相比有如下优点：其形式简洁明了，由于全部采用矩[4]徐倩，文祥荣，孙守光．结构动态栽荷识别的精细逐步积分法[J]．阵进行运算，计算量小且方便，特别适宜于计算机求计算力学学报，2002，19(1)：53—56．[5]曹源，汪凤泉．基于精细积分方法的多自由度结构动态荷栽辩识解。从具体的数值仿真算例识别结果来看，该方法不研究[J]．应用力学学报，2007，24(3)：468—471．仅适用于稳态周期性荷载，同样也可应用于像地震等[6]侯秀慧，邓子辰，黄立新．基于精细积分方法的桥梁结构移动荷裁随机载荷；同时，其识别的结果可靠、精度高、有效性识别[J]．振动与冲击，2007，26(9)：142—145．强。因此，本文提出的荷载识别方法具有一定的理论[7]向宇，黄玉盈，曾革委．精细时程积分法的误差分析与精度设计意义和实用价值。[J]．计算力学学报，2002，19(3)：276—279．[8]李庆扬，王能超，易大义．数值分析(第5版)[M】．北京：清华大学出版社．2008．BackanalysisofdynamicloadusingpreciseintegrationmethodZHUChengyi，QINian(1．ErtanHydropowerDevelopmentCo．Ltd．，Chengdu610051，China；2．ChinaUnitedEngineeringCorporation，Hangzhou310022，China)Abstract：Thedynamicloadidentificationisimpo~antinstructuraldynamicanalysisandapplication．Basedontheprincipleofpreciseintegrationmethodandassumptionoflineardynamicloadvariationindiscretetime—step，anidentificationmethodofdynamicloadispresented．Theresultsofnumericalsimulationexamplesshowthatthepresentedmethodisfitforsteady—stateperiodicloadidentificationandrandomloadidentification．Moreover，themethodissimpleinform，convenienttoapplication，whichisfavorableincomputation，andhastheoriticalandpracticalsignificancetosomeextent．Keywords：dynamicload；identification；preciseintegration；backanalysis(编辑：郄毅)