本文针对我国农业灌溉用水资源短缺的现象,通过改进优化华北平原区防渗渠道来提高灌溉水利用效率。华北平原属半干旱地区,水资源的短缺,地下水超产现象也很严重,为涵养水资源,华北地区要大量压采地下水,农业灌溉的用水量受到了极大的制约。因此,大力发展节水灌溉,是实现农业用水的可持续发展首要任务。近年来华北地区节水灌溉方式以渠道防渗为主。防渗渠道可以有效的减少输水损失,并且施工方便,费用较低,是大力发展节水灌溉的重要工程措施。防渗渠道在充分保证其输水量的基础上,通过合理的优化设计确定其最优过水断面和纵坡,以达到有效的减少工程投资,减少损失,降低运行管理费用,提高灌溉用水效率的目的。防渗渠道形式多样,目前在工程建设中常见的横断面的形式有:矩形式横断面、梯形式横断面、U型横断面。在防渗渠道设计过程中,对于横断面的设计,首先要考虑为满足灌溉流量要求,断面应有足够的过水能力;其次,防渗渠道中水流的流速要适当,设计流速应小于允许不冲流速,大于允许不淤流速;再次,应该有稳定的渠床,使水流不至于左右摇摆冲刷渠床和边坡,冲淤平衡;最后,应考虑综合利用问题,尽可能使渗漏损失小,利用系数高。历来有许多学者对其进行详细的研究,但是防渗渠道的纵坡设计却鲜少有人关注,本研究在前人对横断面研究的基础上,增加对不同纵坡i的纵断面进行二者联合优化研究,以达到减小防渗渠道尺寸,提高输水效率,降低水头损失,提高灌水利用效率和降低工程投资的目的。本文对防渗渠道的纵横断面进行了联合优化,为实际工作中的防渗渠道的工程设计提供更好的理论依据。本文采用规划求解法通过MATLAB的SQP算法(序列二次规划)建立渠道横纵断面优化的数学模型。在明渠恒定均匀流的基础上,采用水力学的曼宁公式,对五种不同形式的横断面(矩形横断面、梯形横断面、三角形横断面、圆弧为底U型横断面和抛物线形横断面)在纵坡为1/1000、1/2000、1/3000、1/4000、1/5000的条件下进行了水力最优断面的优化分析,对此25种不同组合进行了对比,最终通过优化分析的最佳结果进行实例应用和实例检验。在得到断面最优排序的同时,掌握了采用MATLAB进行规划求解的优化方法。通过对优化模型的分析比较,主要结论总结如下:(1)矩形横断面在不同纵坡条件下,水力最优断面的明渠底部宽深比均为2;(2)三角形断面在不同纵坡条件下,渠道斜边水平夹角α均为45°,可知三角形渠道两斜边夹角为90°,即当三角形横断面渠道的横断面斜边夹角为直角时为水力最优断面;(3)圆弧为底的U型横断面在不同纵坡条件下,切点圆心连线与水平夹角均为90°,即圆弧为底横断面渠道的水力最优断面的底部均为半圆弧;(4)圆弧为底的U型横断面的水力最优断面的半径与水深符合一定的比例关系;(5)对抛物线形横断面渠道进行优化分析和公式推导,得出在不同纵坡条件下为最优水力断面的抛物线常数c与水深h的乘积均约等于0.947,可知抛物线形横断面渠道的水力最优断面均满足ch?947.0;(6)无论横断面形状如何,在同一形状的横断面的情况下,纵坡i值越大,湿周χ越大;(7)文中所分析的五种断面形式的渠道,在选择允许范围内的最小纵坡值的条件下,圆弧为底U型横断面渠道的过水能力最佳,此时为渠道过水能力最优组合。