基于粒子群人工蜂群算法的灌区渠-塘-田优化调配耦合模型

为了缓解农业水资源供需矛盾,减少南方季节性干旱造成的损失,该文结合南方灌区渠、塘、田地复杂的水量转化关系,建立了以灌溉区域效益最大为目标的渠-塘优化调控与田间多种作物优化配水相结合的耦合模型;根据该模型的特点,提出了模型求解的粒子群-人工蜂群混合算法。将模型应用于漳河灌区,并与常规的渠-塘调控和作物配水模型和只考虑作物优化配水模型相比较。结果表明,渠-塘-田地协同调配效果显著,耦合模型计算所得特别枯水年(降雨频率为95%)下灌溉用水效益比采用其他2种模型分别提高了20.7%和6.9%。粒子群-人工蜂群混合算法能快速求解该优化调配耦合模型,有利于解决多水源、长距离输配水、库塘共同调控等复杂情况下的高效用水模型的求解问题。     

基于人工鱼群算法的车辆平顺性优化分析

平顺性是汽车重要特性之一,平顺性优化分析属于组合优化问题,同时其非线性特性导致优化实质上是一个非线性多峰的优化问题,为了有效解决此类复杂优化的求解问题,近年来基于随机搜索优化算法建立了一种新型的人工鱼群算法。该文将人工鱼群算法应用到汽车平顺性优化分析研究中,以某8×4载货车为研究对象,建立9自由度汽车平顺性模型,对影响汽车平顺性的重要参数进行优化分析。优化结果表明,加速度均方根平均下降16.82%,在60 km/h时下降最大,加速度均方根下降21.24%,有效提高了重型车的平顺性能。因此,利用该模型可对汽车平顺性进行预测或评估。     

基于弹性自适应人工鱼群-BP神经网络的风轮节距控制环

为了研制一种调节桨叶节距角的智能控制器,使风力发电机组在变化的风力中获得最大的能量并使转速、功率和机械负载变化最小,提出了一种基于弹性自适应人工鱼群-BP神经网络的风轮节距控制环并用于风轮节距角控制,分析了弹性自适应人工鱼群优化算法-BP神经网络,建立智能控制的风力发电机组模型。使用该方法模拟了在不同桨叶节距角下功率系数、叶尖速比、功率和电压变化,模拟值与实测值进行了对比。试验表明,模拟值与实测值比较接近,仿真效果较佳。结果表明该方法原理正确,符合实际调节及微机控制,可用于实时控制。     

灌溉渠道轮灌配水优化模型与遗传算法求解

灌溉过程中的渠系配水实质上是配水渠道流量的时空分配问题。传统的人工调度难以做到统筹优化，且易导致大量的渠道弃水。因此，渠道优化配水技术是灌区现代化管理的重要内容之一，对于提高灌区灌溉管理技术水平和实施农业高效节水有着重要的意义。该文改进了“定流量，变历时”渠道运行方式的轮灌配水优化模型，应用遗传算法进行了配水渠道流量优化的0—1整数规划模型求解。遗传算法采用了锦标赛选择，算术交叉和交换变异算子，应用Matlab6.0编制了相应的求解程序，求解结果表明，该结果优于常规方法求解结果，说明该算法设计是可行的。     

南疆丰收灌区水资源多目标优化配置方案优选

针对灌区水资源多目标优化配置模型求解算法的不确定性和最优方案选择问题,以新疆阿克苏地区阿瓦提县丰收灌区为研究对象,以灌区可持续发展为目标,建立基于优选算法的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型。对比改进的NSGA-II算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,带精英策略的非支配排序遗传算法)、NSGA-III算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-III,基于参考点的非支配排序遗传算法)、MOEA/D算法(AMulti-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,基于分解的多目标进化算法),最终选取性能最好的CNSGA-III算法作为优化算法对水资源配置模型进行求解;建立水资源配置方案评价体系,利用熵权-TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,优劣解距离法)综合评价模型对符合决策制定者期望的配置方案进行对比筛选,选出灌区水资源最佳配置方案。结果表明:优化后的方案相较于传统配置方案,在"三条红线"用水限额下,经济净效益增加1.0%,灌区总缺水量减少8.4%,碳吸收总量增加4.5%。建立的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型可为管理者制定灌区水资源配置方案提供参考,也可适用于其他干旱灌区,有一定的理论意义。     

北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。     

基于改进人工鱼群算法的三江平原投影寻踪旱情评价模型

针对现有的旱情评价方法容易出现评价等级离散和结果不易分辨等问题,提出了基于人工鱼群的投影寻踪旱情评价模型,利用人工鱼群算法优化投影指标函数寻求最佳投影方向,同时采用自适应人工鱼步长和拥挤度因子对人工鱼群算法进行改进,克服其易陷入局部最优等缺点,提高了全局搜索能力和收敛速度。以三江平原红兴隆分局为例,选用降雨距平百分率、Z指标和降水温度均一化指标3个指标综合计算投影值,建立了基于改进人工鱼群算法的三江平原投影寻踪旱情评价模型。结果表明,该模型有效避免了单项指标评价的不相容性,用于区域旱情评价是切实可行的,为旱情评价提供了参考。     

灌区分布式多水源时空优化配置

为充分考虑灌区多水源供需水时空分布不均问题,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为例,通过遥感技术反演土壤含水率并计算不同生育期的土壤水分修正系数,进而计算各子单元的作物需水量;分别以水库配水缺水量最小、灌区效益最大作为配置目标建立灌区分布式多水源优化配置模型,计算并分析9种水文情景下（蓄水高值-降水丰值、蓄水高值-降水平值、蓄水高值-降水枯值、蓄水中值-降水丰值、蓄水中值-降水平值、蓄水中值-降水枯值、蓄水低值-降水丰值、蓄水低值-降水平值、蓄水低值-降水枯值）配水量的时空分布规律。结果表明：通过遥感反演并模拟得出的灌区土壤含水率空间分布符合灌区实际土壤情况;漳滏河灌区4～8月的累计需水量最大,占全年总需水量的76.8%;不同情景下,民有分区的配水量均高于滏阳河分区,且空间分布变化规律明显;为保证灌区的经济效益,应优先选择水价较低、单位面积配水量较高的引黄水作为主要外调水源。研究结果可为灌区水资源时空配置及水资源高效管理提供新思路。     

多级灌溉渠系配水优化编组模型与算法研究

合理安排各级渠道的配水时间和流量,实现灌溉渠系大流量短历时输配水,减小整个渠系的渗水损失,是目前灌区管理中亟需解决的技术问题.该文基于大系统分解协调的思想,以陕西省冯家山灌区为例,建立了一种解决多级渠系配水优化编组问题的分解协调模型.针对模型中存在多约束条件和大搜索空间问题,设计了基于自适应遗传算法模型求解方法,并比较分析了用该文方法与传统方法确定的配水编组方案性能,结果表明该文确定的算法能实现多约束条件下模型的稳定快速求解,确定的优化配水方案下级渠道配水过程搭配合理,上级渠道配水流量较为均匀且总输水损失小等优点,能解决多级渠系配水优化编组问题,可满足灌区管理需要.     

基于复杂种植结构多情景分析的灌区多目标多水源优化配置

为改善多水源灌区农业用水供需矛盾,通过合理调整种植结构,优化灌区水资源配置,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象,将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数,兼顾灌区生态安全约束,构建了基于种植结构优化的多目标多水源优化配置模型,针对作物熟制、作物种类、种植制度以及灌溉方式设置了8种不同的种植结构优化情景,通过自主改进的基于精英策略并协遗传算法（NSGAⅡ-S）对模型求解,获得不同情景下的水资源优化配置方案。结果表明：应用模型进行水资源配置后,各情景配水总量均有所减少,其中水库配水量高于其他水源的配水量,水库水、引黄水和引江水均达到用水总量控制目标,民有分区的各计算单元间的配水量变化明显,总配水量高于滏阳河分区;适当压减主要依靠抽取地下水灌溉的冬小麦的播种面积,变灌溉农业为旱作雨养农业,可以极大地减少地下水用量,增加灌区经济效益;最佳的种植结构优化方案为CS₄（削减冬小麦的种植面积,种植苜蓿,灌溉方式采取管灌或喷灌）,该方案冬小麦播种面积压减17.10%,地下水开采量减少了16.42%,灌区的经济效益增加了26.41%,在保证配水总量最小的同时,具有更高的经济效益。该研究所构建的多目标多水源优化配置模型和作物配水结果可为类似地区的水资源配置提供参考。     

多作物种植结构和灌溉水量优化模型及算法研究

在综合考虑作物灌溉水量、种植面积、水分生产函数、产量反应系数、水分敏感指数等因素基础上, 以实现灌区作物总产量最大为目标函数, 建立了多作物种植结构和灌溉水量优化分解协调模型, 设计了改进实码遗传算法与分解协调迭代算法相结合的模型求解算法, 并利用中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站多年试验数据, 运用上述模型和算法对玉米、小麦联合种植的种植结构、灌溉水量以及玉米、小麦灌溉制度进行了优化计算。结果表明: 产量反应系数大的作物分配的灌溉水量和种植面积大, 且随灌溉水量增加其增产速度越快; 当作物某些生育阶段灌水前的潜在腾发量与可供利用水量的差值相差不大时, 水分敏感指数大的作物生育阶段获得灌溉水量较多, 反之, 即使水分敏感指数大的作物生育阶段也有可能分配不到更多的灌溉水量。这一结果与作物产量反应系数的几何意识、边际效益递减规律等理论以及节水增收初衷相符合, 充分说明模型在实现灌区有限水资源在多作物间和各作物生育阶段优化分配的同时, 实现了灌区多作物种植结构优化, 具有较强推广价值。改进实码遗传算法克服了传统实码遗传算法计算精度低、易早熟、求解结果不能严格满足等式约束等缺陷, 能够搜索到严格满足约束条件的模型最优解, 表明该改进实码遗传算法在解决这类包含等式和不等式约束的最优化问题上具有一定应用价值。分解协调迭代算法能使模型在允许迭代误差范围内收敛, 能够获得使模型整体效果较为理想的最优解, 表明分解协调迭代算法在求解复杂大系统优化问题上具有很好的应用前景。     

水足迹视角下四川省主要粮食作物种植结构优化及用水效率分析

作为粮食主产区,四川省农业用水占比高但农业用水效率低,季节性和区域性缺水严重,导致农业用水压力巨大。为了探究作物用水规律,提高作物用水效率,该研究基于水足迹理论量化四川省3种主要粮食作物用水量,并以此为基础构建蓝水和灰水足迹最小化,经济收益最大化的多目标优化模型,得到不同节水情景（5%、10%和15%）下的最优作物种植结构,最后通过用水效率指数分析优化前后各地农业用水效率。结果表明：1）2001—2021年间,四川作物生产用水呈现下降趋势,空间上由东北向西南逐渐减少,空间差异大。2）在节水5%、10%和15%情景下,种植结构优化结果均显示水稻和小麦面积调减,玉米面积调增;作物蓝水足迹在3种情景下均减少。3）研究时段内,作物用水效率在逐渐提升,并且呈现出“东南高-中间低”态势;经种植结构优化后,发现增加玉米种植面积,适当减少水稻、小麦种植面积,对提高作物用水效率有利。研究结果对农业水资源管理,提升作物用水效率,保障粮食安全具有参考价值。     

黄土丘陵半干旱区人工林迹地土壤水分恢复研究

为了研究黄土丘陵半干旱区人工林迹地土壤水分恢复情况,该文以正在生长的人工林土壤水分含量为人工林迹地土壤水分恢复的起点,并分别以持续农地和持续放牧荒坡的土壤含水量为林后农地和草地土壤水分恢复的上限,对位于黄土丘陵半干旱区绥德县境内的人工林迹地土壤水分恢复情况进行了研究。结果表明,人工林死后的放牧荒坡在20a的时间里,其土壤水分没有补偿;人工林死后的保护草地土壤水分有微弱恢复迹象,但年恢复速度在0.5～3.7 mm之间,以这样的速度恢复到持续放牧荒坡的土壤含水量,至少需要150a以上;林后农地土壤含水量有恢复趋势,年平均恢复速度为15 mm左右,其土壤含水量要恢复到持续农地当前的水平,大约需要40a的时间。研究结果揭示了黄土丘陵半干旱区人工林对土壤水分影响的长期性,并为制定可持续的土地利用规划提供借鉴资料。     

雄安新区上游农业种植结构及需水时空演变

本文利用作物模型模拟小麦、玉米灌溉需水量,结合蒸发皿法估算蔬菜、果树等其他作物需水量,回溯雄安新区上游1986-2015年农业种植结构及农业需水的时空演变趋势,摸清不同作物的需水量比例及时间变化,并推算了消除降水年际波动的1970-2015年农作物灌溉需水量,探讨单纯人类活动下的农业需水量变化趋势。结果表明,1986-2015年,研究区作物播种总面积总体呈上升趋势,耕地面积多年平均84.9万hm²,有效灌溉面积平均71.3万hm²,占总耕地面积的84%。其中小麦播种面积稍有下降,玉米、蔬菜播种面积显著增加,果树种植比例在山区增加、平原区减少。研究区多年平均灌溉需水量22.52×10⁸ m³,小麦、玉米、蔬菜、果树和其他作物分别占灌溉需水总量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%,受播种面积增加影响,1970-2015年,蔬菜和果树需水显著上升。从空间上来看,灌溉需水总量在上游山区上升显著,而在平原区表现为下降;排除降水的年际波动后,研究区作物需水自1970年以来一直呈上升趋势,进入20世纪80年代中期,虽然整体上升减缓,但随农业播种总面积增加和蔬菜、水果需水增加影响,需水量整体呈缓慢上升趋势。因此,控制上游农业用水,种植低耗水作物、减少耗水作物的种植面积,是恢复雄安新区清水产流的关键。     

基于L-M优化算法的水稻螟虫预测模型及其初步应用

农村稻区水稻螟虫发生量与多种气候因素相关，各因素之间存在相互作用，是非线性系统。神经网络能有效地描述非线性模型多输入和不确定的特性。传统的BP网络在训练时易陷入局部极小点从而导致训练时间长、收敛速度慢，采用Levenberg-Marquardt优化算法(简称L-M算法)能克服其缺点。在MATLAB中应用L-M算法对辽宁盘锦田间稻区进行水稻螟虫发生量的仿真预测，试验结果表明L-M优化算法的预测精度和收敛速度明显提高，为稻区防控虫害和精确喷药提供参考，具有实用价值。     

基于农牧业需水特性的洋河流域农业水资源优化配置

针对洋河流域水资源短缺与水环境污染问题日益突出,以及考核断面水质难以达标等问题,为了实现水资源充分利用与环境保护的双重目标,结合流域经济社会发展及水资源开发利用现状特点,以洋河流域为研究对象,考虑水质约束,构建了农业水资源优化配置模型。在保障考核断面水质达标前提下,通过优化各月份不同作物和牲畜的配水量,以及作物种植面积和牲畜养殖数量,以实现农业经济效益最大化。为提高水质和实现水资源充分利用,提出补水减排联合控制水质达标方法,并基于农牧业需水特性配水,可避免非均衡给水情形的发生。同时,能有效降维,提升模型求解效率。以2014年为例,采用该模型优化计算,通过增加高效益的蔬菜、薯类种植面积和大牲畜的养殖数量,减少排污大的油料作物种植面积和小牲畜养殖数量,可实现考核断面水质达标,且农业配水量减少3.38%,经济效益增长11.96%,验证了该模型的有效性。再模拟分析2020年丰平枯3种典型水文年的优化配置方案,结果表明:随着可供水量的增大,农业配水、河道补水量会相应增加,大部分需水用户和子区的配水量也会随之增加。子区中的怀来县和宣化区的配水量增量较大,需水用户中谷物和水果的配水量增量较大,牲畜配水量增量小于农作物。需水用户的配水量增长率与其面积相关,子区间的配水量增长率与其区内作物类型和种植面积相关,以及水量分配是可供水量、污染排放量、经济效益综合权衡结果。该配置模型对于保障洋河流域的水质安全及区域经济可持续发展具有重大意义,并对考虑水质的水资源优化配置有一定的参考作用。     

新疆2000-2012年主要农作物虚拟水含量计算与分析

从农作物虚拟水角度出发,基于彭曼公式结合CROPWAT软件计算、分析了新疆2000—2012年主要农作物的单位质量农作物虚拟水含量和农作物的虚拟水总量。结果表明:新疆主要农作物虚拟水含量从高到低为:棉花、小麦、玉米、薯类、蔬菜;从2000—2012年,各类作物的单位质量虚拟水含量呈下降趋势,但各类农作物虚拟水总量大体上均呈现上升趋势,主要农作物虚拟水含量下降与新疆各地区采取节水灌溉技术、提高单位面积产量密切相关,虚拟水总量大幅度增加主要是因为农作物的种植面积的扩大和产量大幅度的提升。从虚拟水视角对农作物政策和结构进行调整,为新疆实施水资源管理提供决策,同时对于新疆的生态保护具有重要意义。     

1994－2018年新疆塔河干流农作物播种面积时空变化及影响因素分析

基于农作物物候信息和多季相遥感观测等相结合的方法,分析沙雅县1994-2018年的农作物播种面积变化的时空特征,并从水资源要素、耕地与胡杨林转化等分析播种面积变化的原因。研究结果表明：1）沙雅县农作物播种面积在1994-2018年呈现增长趋势,尤其在2006年以后加速增长;2）渭干河灌区的播种面积空间上呈现由内向外、由碎片化向集中连片化的趋势发展,而塔河干流区播种面积增加的区域沿着塔河两岸不停游移;3）渭干河灌区农作物播种面积的增加与渭干河上游的来水量变化呈现较强的相关性,而塔河干流区二者相关性较低;4）塔河干流的胡杨林区每年被耕地侵占的面积呈现增长趋势,尽管2006年以后胡杨林保护措施不断加强,然而林区的农作物播种面积在2008年以后呈现增速加快的趋势,出现了被侵占的胡杨林未能恢复、新的胡杨林又遭破坏的现象。