灌区灌溉用水时空优化配置方法

将传统的灌溉水量在作物间的优化分配模型和建立的渠系工作制度多目标优化模型与地理信息系统相集成,提出了基于空间决策支持系统的灌区灌溉用水优化配置的新方法.综合考虑了灌区内作物、土壤、气象站点、渠系布置的空间差异、年季间气象以及作物不同生育阶段对应参数的时间差异.与传统优化方法相比,该方法可根据管理者对优化精度的要求,灵活选择优化尺度,同时,简化了求解时空优化配水问题的繁琐程度,结果表现形式更加丰富.在此基础上建立的空间决策支持系统界面友好,运行效率高,可移植性和通用性强.经实例验证,优化后的配水方案与原配水方案相比较,灌溉总用水量减少296％,产量增加243％,水分生产率提高05 kg／m3,灌溉净效益增加168％.优化后配水方案具有将有限的水资源向经济价值较高作物转移的趋势.该方法为灌区灌溉用水优化配置提供了新思路.     

基于NSGA-Ⅱ的灌区水资源优化配置模型及应用

【目的】解决灌区水资源短缺、农业用水效率不高的问题,为灌区水资源管理提供科学依据。【方法】基于大系统分解协调原理构建了包含灌区作物种植结构和作物灌溉制度的层次优化模型,并剖析第1层模型中灌水时间对灌溉制度优化的影响,以及第2层模型中生态效益对作物种植结构优化的影响。以宝鸡峡五泉灌区为研究对象,构建了2层协调优化模型,并利用非支配排序遗传算法,实现了灌区水资源的优化配置。【结果】(1)以灌水量和灌水时间为优化对象的优化设计方案,可以提高灌区整体经济效益。第2层模型不考虑生态效益时,灌水量与灌水时间同时优化时的经济效益较只优化灌水量时增加1.87%,而第2层模型考虑生态效益时,对应的增长率为1.32%。(2)在作物种植结构的优化模型层引入生态效益优化目标,虽然经济效益有所降低,但优化后的经济效益依然显著高于现状种植结构下的经济效益,方案1、方案2、方案3和方案4与现状情况下的经济效益相比,增长率分别为15.72%、15.27%、15.99%和15.07%。(3)考虑生态效益后,优化后的生态耦合度值与现状相比也有所提升,提高23.5%。【结论】采用第1层模型优化灌溉水量和灌水时间,且第2层模型考虑经济效益和生态效益的方案,可实现水资源最优配置。     

位山灌区渠系优化配水决策支持系

根据位山灌区位于黄河下游、引水含沙量高、测流断面变化大的特点，编制了位山灌区渠系优化配水决策支持系统，主要内容包括来水管理、需水管理、水情资料管理、实际配水统计、配水方案拟定和系统设置等，创新性地进行了多站水量平差计算。     

决策支持系统及其在灌溉实时调度中的应用

根据实时灌溉预报原理和渠系动态配水的方法,以山西省霍泉灌区为背景,运用计算机决策支持系统预测作物短期需水和土壤水分状况,进行渠道配水的动态模拟。欲使灌溉预报得以实现,较好的人机界面是系统运行决策一反馈－再决策过程的基础。该决策支持系统,程序操作简便,可扩充性好,便于系统的校正和功能的进一步完善。     

月灌溉用水量分布式优化模型

针对大型灌区作物种植结构复杂、不同区域作物需水量差异较大的特点,以GIS为平台,建立了灌区月灌溉用水量分布式优化模型.模型将灌区栅格化,以每个栅格的月灌溉用水量作为决策变量,以作物生育阶段作物水分生产函数为基础,以灌区作物产量最大为优化目标,考虑了水量平衡、渠系配水能力、水资源投入量、灌水时间、可供水量以及非负共6个约束条件.以澳大利亚马兰比季灌区2006—2007年8月、10月和12月的优化结果为例,优化后月灌溉用水的高峰期与河流径流的高峰期同期,且优化后的灌溉用水量小于同期观测值.此外,优化后的配水结果存在将有限的水资源向经济价值高的作物转移的趋势.因此,月灌溉用水量分布式优化模型可以用于大型灌区内不同尺度月灌溉用水量的优化模拟,且优化后的配水方案更加节水高效.     

位山引黄灌区渠系配水模式

针对山东位山灌区引黄水源不足的实际，作为位山引黄灌区渠系优化配水决策支持系统的一个组成部分，为满足科学配水的需要，创新性地进行了蓄水期配水、顺序配水、差额比例配水和均衡比例配水四种配水模式设计，并对其适用条件进行了比较，并分别给出了应用实例，可根据不同情况分别选用。为科学调度水资源，实现按方收费提供了有效保证。     

内陆干旱灌区灌溉调度决策系统研究

为了实现灌区科学管水、合理配水及优化调水，根据新疆玛纳斯河流域灌区的实际特点，开发了内陆干旱灌区灌溉实时优化调度决策支持系统。介绍了该系统的主要功能、组成、结构、主要特点、系统数据源与数据库设计。该系统以Windows简体中文版为操作系统，利用Power Builder、Visual Basic 6．0软件开发工具设计标准化数据库接口及应用程序界面。     

基于非充分灌溉原理的灌区水资源优化配置模型及决策软件研究

根据非充分灌溉理论,按大系统分解协调原理,建立了以总效益最大为目标的灌区灌溉水资源递阶控制优化模型,对灌区多水源进行优化配水研究。在理论研究基础上,还对灌区水资源的优化利用引入决策支持系统知识,研制"大型灌区水资源决策支持系统"软件。经实际运行,该程序具有友好的图形界面,较强的计算功能和数据库的管理功能,可为水资源优化配置和水资源管理研究作参考。     

基于RS、GIS和蚁群算法的多目标渠系配水优化

针对渠系配水优化方法存在通用化程度不高的问题,依据作物的水分生产函数,建立以土壤含水率为基础,灌区各种作物该次灌水增产效益最大和灌区水费收入最高的多目标优化配水模型。通过RS技术快速获取灌区土地利用和土壤含水率信息,并以像元为求解单元,通过蚁群算法在GIS系统中对模型进行求解,获得各斗渠满足多目标条件下的最优灌溉配水量。所得结果符合灌区灌溉用水的实际情况,该优化配水方法具有通用性。     

遗传算法和粒子群算法求解渠系多目标优化模型

目前高原灌区灌溉用水管理相对落后,渠系渗漏损失较大、渠道闸门运行调度不合理等问题十分突出。因此,开展渠系工作制度优化的研究,对缓解灌区用水供需矛盾有着重要意义。考虑不同时刻各配水渠道流量标准差最小和各配水渠道平均日渗漏损失最小两个目标函数,以配水连续性和灌溉可供水量作为约束条件,建立渠系工作制度多目标优化模型。以云南省蜻蛉河灌区为例,采用遗传算法和粒子群算法进行优化求解。结果表明,遗传算法和粒子群算法都可以解决渠系工作制度优化问题,对各渠道闸门开关时间进行优化,能够满足灌区需求,从而减少渠系渗漏损失,达到节约灌溉用水量的目的。两种算法相比,粒子群算法运算速度更快,优化闸门运行调度更合理。     

基于作物空间信息特征的灌区种植结构优化研究

针对目前北方许多大型灌区种植结构不合理、农业需水量偏大、水资源紧缺等问题,提出了一种基于作物空间信息特征的种植结构优化方法,通过调整种植结构和优化空间分布,减少农业需水量,提高农业效益。利用地统计学(GS)和地理信息系统(GIS)的空间处理能力,分区计算了灌区多年平均参考作物需水量(ET0)和作物需水量(ETc),并统计分区内作物单产和产值信息;构建了基于作物空间信息特征的多目标优化模型,设计了2种作物种植结构方案。结果表明,与传统多目标种植结构优化模型相比,基于作物空间信息特征的种植结构优化方法在节水效果和农业效益上都有一定的优势。     

Optimization model of an irrigation reservoir for water allocation and crop planning under various weather conditions

This paper develops a non-linear programming optimization model with an integrated soil water balance, to determine the optimal reservoir release policies, the irrigation allocation to multiple crops and the optimal cropping pattern in irrigated agriculture. Decision variables are the cultivated area and the water allocated to each crop. The objective function of the model maximizes the total farm income, which is based on crop–water production functions, production cost and crop prices. The proposed model is solved using the simulated annealing (SA) global optimization stochastic search algorithm in combination with the stochastic gradient descent algorithm. The rainfall, evapotranspiration and inflow are considered to be stochastic and the model is run for expected values of the above parameters corresponding to different probability of exceedence. By combining various probability levels of rainfall, evapotranspiration and inflow, four weather conditions are distinguished. The model takes into account an irrigation time interval in each growth stage and gives the optimal distribution of area, the water to each crop and the total farm income. The outputs of this model were compared with the results obtained from the model in which the only decision variables are cultivated areas. The model was applied on data from a planned reservoir on the Havrias River in Northern Greece, is sufficiently general and has great potential to be applicable as a decision support tool for cropping patterns of an irrigated area and irrigation scheduling.     

I. A decision support system to improve planning and management in large irrigation schemes

This paper describes a decision support system (DSS) that was developed to improve planning and management for the large irrigation schemes in the Alentejo region of Portugal. The system was designed to help in the analysis and evaluation of the crops and crop systems that can potentially be cultivated, together with identification of limitations affecting crop selection and crop yields. It integrates socio-economic and biophysical data at the field level to analyse the performance of an irrigation scheme in terms of the adoption of irrigation by farmers and farmers’ incomes. The final output is given in the form of specific actions and policies for the irrigated areas. The DSS was designed initially to be used in the Alqueva project, a large irrigation scheme that is under construction in Alentejo. Nevertheless, the final framework is generic in nature, being suitable for planning and policy evaluation in other large irrigation schemes.     

丘陵地区蓝莓园智能灌溉决策系统设计

针对丘陵地区蓝莓园灌溉过程中水资源浪费严重、劳动力严重短缺的问题,基于物联网技术,研究并设计了一套智能灌溉决策系统。系统包括信息采集模块、无线通信模块、智能决策模块和灌溉执行模块。信息采集模块通过布设的土壤水分传感器和小型气象站实时采集蓝莓园土壤墒情信息和环境信息（风速、降雨量、温度、湿度）;无线传输模块将信息采集模块采集到的数据实时发送到服务器端进行分析处理,并将智能决策模块的计算结果传送给灌溉执行模块;智能决策模块中,基于前期采集的历史数据使用彭曼公式和土壤水平衡公式建立灌溉决策模型,实现蒸腾量和灌溉量的计算以及实时监控与报警,该模型可根据实时获取的数据,确定是否需要灌溉及最优的灌溉量;灌溉执行模块根据接收到的灌溉信息及实际的灌溉速度计算灌溉时间,进行远程灌溉;以Visual Studio软件为平台,设计了系统上位机的监控界面,可实现土壤和环境参数的实时检测和存储、作物需水状况的分析管理以及实时预警和灌溉决策。试验结果表明,该智能灌溉决策系统可在无人干预的情况下,根据传感器采集的信息自行判断作物需水情况,当系统认为作物需要灌溉时自行驱动灌溉装置完成灌溉,从而实现蓝莓园的远程精确灌溉,节省了人力物力,有效提高了灌溉水的利用率。     

基于CAN总线和Linux的微灌监控系统

为了节约农田灌溉用水,提高水资源利用效率,实现自动微灌控制,根据精细农业的实际需求,本文提出了基于CAN总线和Linux的微灌监控系统,该系统由数据信息采集模块、嵌入式中央处理模块、灌溉控制模块、CAN总线网络四部分组成,可按设定的时间间隔自动采集空气温湿度、光照辐射强度等信息,并结合作物生长信息,经理论计算,决策所需灌溉水量,利用电磁阀来自动调节控制水量补给,实现作物微灌的自动化,优化植物的生长环境,提高水利用率。系统运行稳定,效果良好,能够实现准确的信息采集和可靠的分布式控制。     

基于2型模糊集的多目标农业-生态水土资源优化配置

针对西北干旱区灌区生态环境脆弱、水资源短缺、复杂不确定性等问题,以石羊河流域红崖山灌区为例,耦合2型模糊集、模糊可信度约束规划和多目标规划等理论方法,构建了基于2型模糊集的多目标农业-生态水土资源优化配置模型。模型以灌溉水损失最小、生态植被灌溉水满意度最大、生态植被灌溉水费用最小和主要粮食作物经济效益最大为目标,对红崖山灌区10个决策单元的地表水、地下水和粮食作物种植面积进行优化配置。求解模型得到不同可信度水平和不确定性程度下的水土资源优化配置方案。结果表明：耦合2型模糊集的模型能够提供丰富的配置方案,水量对可信度水平的敏感性高于不确定性程度,作物种植结构对可信度水平不敏感。以不确定性程度参数为0.5、可信度水平为0.7时为例,生态植被均通过地表水灌溉,作物通过地表水、地下水联合灌溉,玉米的产量和经济效益均大于小麦。相比前人研究,本研究考虑生态植被灌溉需求,优化结果更加真实合理。本研究可为决策者提供较为符合灌区实际的配置方案,为西北干旱区灌区现代化建设提供科学指导。     

作物优化灌溉制度理论与方法研究进展

重点论述了国内外作物优化灌溉制度理论与方法的研究进展,其中问题有：在单一作物模型中基于SPAC理论的研究不够充分,作物需水时间划分不够具体;多种作物水资源优化配置注重经济效益而在面向生态的综合效益研究较少。文中还比较了在模型设计中多种方法的优缺点,提出了在今后作物灌溉制度研究中应运用多种模型组合优化方法,加强学科交流以解决灌溉决策支持系统的问题,以期为解决区域内不同节水模式下作物优化灌溉制度和面向生态的水资源配置提供灵活可行的科学依据。     

基于ISAREG模型的小麦间作玉米优化灌溉制度研究

以内蒙古河套灌区农业综合节水示范区小麦间作玉米实测资料为基础,运用Penman-Monteith法确定了参考作物蒸发蒸腾量。考虑间作条件的立体种植特征,确定了小麦间作玉米的综合作物系数。同时利用ISAREG模型对小麦间作玉米灌溉制度进行了评价,得到连续中旱处理关键生育期97mm处理在全生育期深层渗漏量为2.67%,灌水效率为99.42%,产量下降11.50%,较其他7个处理合理。根据作物在不同时期作物需水强度运用ISAREG模型模拟优化灌溉制度,获得适合当地的优选灌溉制度,即全生育期灌水5次,灌水时间分别为5月10日、5月24日、6月17日、7月10日、7月30日,灌水定额分别为75、80、90、90、80mm,为灌区节水优化管理提供了技术支持。     

基于SOA优化PID控制参数的智能灌溉控制策略研究

为解决智能灌溉系统中水泵运行的不稳定问题，基于人群搜索优化算法（Seeker optimization algorithm，SOA）实现了PID（Proportion integration differentiation）参数的自动优化。该优化算法能够有效解决智能灌溉系统水泵控制中的非线性、时变性和滞后性等问题。为验证SOA优化PID控制的实际效果，与PSO（Particle swarm optimization）算法和GA（Genetic algorithms）算法优化的PID控制进行比较。仿真实验结果表明，基于SOA优化的PID控制响应时间短、超调量小，稳态过程没有振荡。因此，适用于智能灌溉系统中的水泵控制。