微灌系统水力设计是微灌系统安装运行的前提和基础,直接影响系统的工程投资、运行费、灌水质量和安全可靠性。本文以微灌系统田间管网的水力解析与优化设计问题为研究对象,在总结国内外现有的研究成果的基础上,分析了目前存在的问题,应用微灌管网水力学知识及数学方法,构建了均匀坡毛管和灌水小区及非均匀坡毛管的水力解析模型,进而提出了微灌系统田间管网的简易优化设计步骤,借助Microsoft Excel表格中的“单变量求解”功能及VBA编程语言编制了简便实用的设计程序,进行实例验证与分析。本文主要得到以下几点成果及结论:(1)基于能量轮廓线法,通过修正考虑水温的摩阻系数,补充和完善了现有的均匀坡单向毛管水力解析模型;在提出一个新的均匀坡双向毛管最佳进口位置参数计算公式的基础上,系统构建了新的均匀坡双向毛管水力解析模型;以与双向毛管设计参数相同的单向顺坡毛管坡降比参数为自变量,借助最小二乘法拟合了不同流量指数对应的双向毛管最佳进口位置参数等相关设计参数的回归方程;通过设计案例演示了在无需计算机辅助情况下快速实现均匀坡毛管水力设计过程;此外,分别提出了进口工作水头已知时,均匀坡单向和双向毛管优化设计步骤。研究表明:均匀坡双向毛管逆坡段长度随坡降比参数的增大而减小,随流量指数的增大而增大。(2)通过分析管网布置形式对毛管进口工作水头及灌水均匀度的影响,提出均匀坡毛管适宜管网布置形式的选取标准:当坡降比参数取值为0~1时,宜双向布置,否则,则应单向布置。以此为基础,构建考虑适宜布置形式的毛管水力解析模型,分别推导了以坡降比参数为设计变量的均匀坡毛管设计管径和设计管长的简易计算公式;通过变换受水力因素影响的各灌水均匀度评价指标的计算公式,分别定义了对应于各灌水均匀度评价指标的毛管设计管径和管长的无量纲设计参数,并分别推导了各管径设计参数与坡降比参数的关系及各管长设计参数与坡降比参数的关系,绘制了相关设计图,并分析了管径设计参数或管长设计参数不同取值情况下毛管设计管径或设计管长的取值范围;以各管径和管长设计参数为自变量,借助最小二乘法拟合了不同流量指数对应的坡降比参数的回归方程;进一步简化了毛管进口工作水头的计算公式;最终提出了满足微灌系统设计要求的均匀坡毛管设计管径和管长的优化设计步骤。研究表明:相比现有的设计经验,本文推荐的坡降比参数定量标准,可以更可靠地优选毛管布置形式;满足微灌系统设计要求的灌水均匀度和灌水器设计流量的毛管设计管径或设计管长存在1、2或多个设计值,且这一现象显著受到灌水均匀度设计指标及流量指数的影响。(3)构建了支管和毛管在单向和双向布置组合情况下的均匀坡灌水小区水力解析模型,提出了管网布置形式已知,进口工作水头未知和已知时灌水小区的优化设计步骤。通过设计实际案例分析不同管网布置形式下灌水小区各设计参数间的差异,提出均匀坡灌水小区适宜管网布置形式的选取标准:当毛管坡降比参数取值为0~1时,毛管宜双向布置,否则应单向布置;当支管坡降比参数取值为0~1时,支管宜双向布置,否则应单向布置。在此基础上,构建了考虑适宜布置形式的均匀坡灌水小区的水力解析模型;将灌水小区作为一个整体,以灌水均匀度设计标准和灌水器设计流量为设计参数,提出了灌溉面积最大及管网一次性投资最低的灌水小区优化设计步骤。(4)根据概率论原理,选取实测地形高程数据的平均值和标准差2个统计量定量描述非均匀坡地形的特征;通过水力解析,推导了非均匀坡地形条件下毛管受水力因素影响的灌水器流量偏差系数计算公式,进而构建了非均匀坡单向和双向毛管的水力解析模型;在此基础上,分别提出了进口工作水头已知和未知时非均匀坡单向和双向毛管的优化设计步骤。(5)根据构建的均匀坡毛管和灌水小区水力解析模型,通过设计案例演示了快速评价毛管及灌水小区灌水均匀度的计算过程;在Microsoft Excel 2013中编制了进口工作水头已知时均匀坡毛管和灌水小区的设计表格,借助于“单变量求解”功能,可以快速便捷地实现设计过程中的试算;根据提出的进口工作水头未知时均匀坡微灌毛管设计管径和管长的简易设计步骤,可以在无需计算机辅助的情况下快速便捷地优化设计毛管管径或管长,同时优选出适宜的毛管布置形式;根据提出的进口工作水头未知时均匀坡灌水小区及进口工作已知和未知时非均匀坡毛管简易设计步骤,在Microsoft Excel 2013中编制了相应的设计表格,利用VBA编程语言编制了相应的“宏模块”,可以快速便捷地实现设计过程中的试算,同时优选出适宜的管网布置形式。(6)通过设计实际工程案例,对比分析本文设计方法的计算结果与现有其他方法设计结果以及相关试验数据间的差异,验证本文解析模型及设计方法的准确性和可靠性。本文构建的模型计算精度满足微灌工程设计要求,设计步骤可操作性强,易于被普通工程设计者理解和掌握,可以直接应用于微灌工程实践,提高设计效率。