苏打盐碱地防渗输水渠道研究与优化设计

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我国土地资源与水资源短缺,合理开发与利用东北苏打盐碱地,提高土地资源与水资源利用率对国家粮食安全具有重要意义。东北苏打盐碱地经改良后成为重要的水稻种植区,对实现“藏粮于地”的粮食安全国策发挥重要作用。传统的渠道输水方式主要有土渠和混凝土渠,东北地区冬季漫长且寒冷,渠道会遭受冻胀破坏。同时,渠道的材料、形状、结构参数等对输水效率影响较大,因此,选取新型渠道材料及优化渠道结构参数对输水效率影响更为显著。本文依托中科佰澳格霖农业发展有限公司在大安市海坨乡三业村承担的800hm~2的重度盐碱地改良项目,结合大安市海坨乡苏打盐碱地水稻种植项目区建设实践,开展苏打盐碱地农田渠道输水防渗技术试验研究,为今后的玻璃钢渠道工程技术与设施的应用推广提供理论依据。本文主要研究内容及结论如下:(1)开展田间测渗试验。对混凝土渠及玻璃钢渠在大安市海坨乡苏打盐碱地水稻种植项目区进行测渗试验,通过动水试验法及静水试验法开展测渗试验,试验表明玻璃钢渠输水损失明显低于混凝土渠,渗漏强度相差较大,输水效率有明显优势,玻璃钢渠较混凝土渠输水损失系数降低73.4%,玻璃钢输水渠渗漏强度仅为混凝土输水渠的1/4。(2)对比分析两种渠道的苏打盐碱地适用性。结合两种渠道的耐盐碱性、综合投资等因素对比分析可知,玻璃钢渠道各项特性均更满足苏打盐碱地的使用要求,并且通过对两种渠道投资成本对比分析可知,玻璃钢渠的综合投资小于混凝土渠,两渠道综合投资额相差约1%。(3)两种不同渠道渗流场的模拟分析。对混凝土渠及玻璃钢渠建立数值模型,基于渗流理论应用有限元建立渠道模型,得到渗流场分析结果,并对两种渠道实际渗流进行测试:混凝土渠流量损失模拟值与实测值相对误差为1.08%~7.98%,平均相对误差为4.05%。玻璃钢渠流量损失相对误差为6.07%~21.67%,平均相对误差为11.6%。有限元的模拟值与实测值比较接近,相对误差及NMSE均在可接受的范围,采用该模型来模拟混凝土渠和玻璃钢渠渗流是可行的。玻璃钢渠道防渗效果明显优于传统的混凝土渠,混凝土渠渗流区域中底部渗流较大两侧较小,整体的渗流场相对较大,而玻璃钢渠渗流场相对较小。(4)U型玻璃钢输水渠道的断面优化设计。应用两阶人工鱼群算法对渠道水深、圆弧半径、直线段外倾角进行优化设计,圆弧半径由0.4m变为0.32m,设计水深由0.5变为0.65m,设计水深由0.1m变为0.32m。将优化后的过水断面面积、流速与原设计进行比较,应用ANSYS软件对有限元模型进行数值模拟验证,结果表明优化后渠道断面流量误差不超过设计流量的0.25%,每千米占地面积减小2%,优化结果较好。本文通过对U型玻璃钢渠与混凝土渠田间测渗试验对比以及数值模拟的理论分析,验证了在东北苏打盐碱地使用玻璃钢水渠输水的适用性,并对渠道断面进行了优化设计,为东北苏打盐碱地区输水渠道提供新选择。
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