滴灌轮灌分组优化模型与算法

传统的轮灌组划分计算方式效率较低且难以获得较好方案。该研究首次采用智能算法来求解轮灌组划分问题,依据《微灌工程技术标准》及轮灌组划分原则,提出了基于流量均衡的数学模型及其约束条件。通过分析支管空间分布,确定了滴灌问题的邻域特征,在半径阈值范围内给出了最大限度查找关键路径的邻域搜索策略和不可行解修复算法,并采用传统遗传算法(Genetic Algorithm,GA)、贪心遗传算法(Greedy-GA)、泰森多边形遗传算法(Voronoi-GA)和网格遗传算法(Grid-GA)算法分别求解模型,探索适应轮灌分组问题的初始化方法。对标准差、组内路程、连通性和运行时间4项指标对比分析,结果表明:Grid-GA算法表现优异,采用的邻域策略可有效避免支管分布过于分散,有利于日常管理与维护。取半径阈值280 m条件下,算法在300代左右达到收敛,最小标准差10.9 m3/h,组内路程8 105.2 m,连通性指标25,与一种冒泡+贪心的近似算法相比最小标准差小59.1%。该研究对提高滴灌工程设计效率和促进轮灌工作制度有效运行有着重要研究意义。     

丘陵山地环形单轨运输系统静态调度优化方法

为了提高环形单轨运输系统完成静态任务的作业效率，该研究以丘陵山地为应用场景，针对任务点与运输车的匹配与调度需求问题，综合考虑最大程度满载的因素，建立了具有任务点“拼车”组合处理和运输车任务分配两个阶段的数学模型。提出基于相邻位置、任务量和随机序列不同优先级的3种启发式规则算法解决以运输车上货次数最少为目标的“拼车”组合问题，采用基于变邻域搜索的遗传算法解决以运输车堵塞次数最少为目标的运输车任务分配问题。通过模拟3种任务批量的运输情形，验证优化算法的性能，结果表明：基于任务量在3种启发式规则算法中求解速度最快，在80%的试验中获得的可行解最优，选择基于任务量和与之性能接近的基于随机序列的结果分别作为运输车任务分配问题的初始解，基于任务量更有利于第二阶段运输车任务分配问题的求解，得到的分配方案堵塞次数更少。基于变邻域搜索的遗传算法能显著提高标准遗传算法的求解质量，使堵塞次数降低了33.3%～100%，在大规模运输问题的求解中比变邻域搜索算法表现出更高的稳定性，最少堵塞次数出现的概率分别提高了10%和40%，有效性也优于整体匹配规则、随机重启爬山等其他类型的算法。该研究实现了对环形单轨运输系...     

灌溉渠道支斗渠轮灌配水与引水时间优化模型

建立了配水渠道流量优化调度0-1线性整数规划模型。模型适用于支渠以下各级配水渠道在来水流量确定,分水渠道流量彼此相同且按“定流量、变历时”方式轮灌时的优化配水方案决策。并提出了各轮灌组引水时间均一化处理方法,使各轮灌组在同一引水时间结束灌溉,从而可使配水渠道进水闸能在同一时间关闭。     

地下滴灌毛管水力要素试验

地下滴灌毛管滴头的压力和流量分布是其主要的水力要素,研究这一问题对地下滴灌工程的设计和运行管理具有重要的意义。该文提出了地下滴灌毛管水力要素的试验方案,可用较短毛管获得其压力流量测试数据和分布规律。针对提出的试验方案,结合地下滴灌单滴头的水力特性研究成果,建立了描述地下滴灌毛管压力、滴头流量和局部水头损失系数之间关系的非线性方程组。将这一非线性方程组计算转化为一个函数优化问题,建立其求解的优化数学模型,采用遗传算法求解。用试验数据验证了计算结果,表明用此非线性方程组可反映地下滴灌毛管压力流量分布规律,求解方法具有较高的计算精度。该方法为进一步研究地下滴灌毛管的水力要素奠定了基础。     

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。     

基于微粒群算法的大豆生育期内有限水量的最优分配

粒子群优化算法(PSO)是基于群体智能理论的优化算法.该算法利用生物群体内个体的合作与竞争等复杂性行为产生群体智能,对解空间进行智能搜索,从而发现最优解.通过水肥互作盆栽试验,应用Jensen模型对大豆水分生产函数进行拟合,计算出不同氮肥条件下的各生育阶段的水分敏感指数.利用PSO收敛速度快、预测精度高等优势,建立一种大豆灌水量优化分配模型,旨在准确预测大豆灌水量.结果表明,粒子群算法应用于灌溉制度优化中是可行的,既拓宽了PSO应用领域,又为制定合理的灌溉制度与提高水分利用效率提供新思路.     

改进的变尺度优化算法在节水灌溉制度优化设计中的应用

应用改进的变尺度混沌优化算法对水分生产函数模型进行求解,求解程序用Visual Basic编写。以河西武威绿洲春小麦数据为例,将混沌算法应用于小麦灌溉制度优化设计中,并与动态规划法进行对比,证明了改进的混沌优化算法可以提高灌溉制度优化设计的精度与速度。     

支毛管安装射流三通的滴灌系统水力性能研究

为分析脉冲水流对滴灌系统水力性能的影响规律,该文基于射流附壁和切换原理设计了一种支管射流三通,并与毛管射流三通开展组合试验。在毛管铺设长度为60 m,4种支管三通进口水头(9.5、12、14、15.5 m)条件下,研究支毛管安装射流三通或普通三通时灌水小区的灌水均匀度、脉冲频率与水头损失变化规律,并建立描述支管射流三通出口流量和压力的拟合关系式。结果表明,当支毛管三通均采用射流三通时,支毛管中均为间歇性脉冲水流,脉冲频率随支管进口水头增加而递增;毛管滴头流量在1.2～2.2L/h之间,沿程水头损失在0.9～1.6m之间;灌水均匀性系数在95.88%～98.56%之间,流量偏差率在8.35%～15.14%之间,灌水均匀度最高。根据研究结果,确定了灌水小区中支毛管三通的最优组合方式,可为射流技术在脉冲滴灌系统的研究、开发与应用提供理论依据。     

微灌坡地双向毛管最佳支管位置遗传算法优化设计

在分析微灌坡地双向毛管水力特性的基础上，提出一种基于遗传算法的双向毛管最佳支管位置的优化设计方法，建立了数学模型，给出了优化算法，编制了优化设计程序。该模型与算法能确定最佳支管位置和毛管进口压力，计算出毛管上每个灌水器的压力、流量及特征值，使双向毛管上的平均灌水器流量等于灌水器设计流量，保证最大灌水均匀度。研究结果表明，该模型与算法求解速度快、精度较高、可靠性强。     

基于混合狼群算法参数优选的泵站群运行优化

对于求解复杂的并联泵站群优化运行模型,狼群算法(wolf pack algorithm,WPA)存在收敛性和鲁棒性差等问题。为改善这些问题,该文以某典型并联泵站群为例,以泵站系统主机组运行能耗最低为优化目标,考虑流量、叶片角度、开机台数等约束条件,建立了并联泵站群优化运行模型。将模拟退火算法引入WPA算法中,提出混合狼群算法(hybrid wolf pack algorithm,HWPA)用于求解建立的优化模型。选择最小值、平均值和标准差作为算法性能的评价指标。相较于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和WPA算法,HWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值平均降低了15.60、10.23 kW,平均值平均降低了36.94、14.30 kW,标准差平均降低了84.82%、72.90%。在HWPA算法的基础上,对算法中的游走步长、奔袭步长、围攻步长的最小值和最大值4个参数进行单因素分析和拉丁超立方抽样设计计算,确定出4个参数的最优组合为0.33、1.53、0.672和4.8×10^5,进而提出改进混合狼群算法(improved hybrid wolf pack algorithm,IHWPA)。相较于HWPA算法,IHWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值和平均值平均降低了4.66和13.26 kW,标准差平均降低了94.02%。应用IHWPA算法确定典型并联泵站群6个不同运行工况优化方案,结果表明,采用引入模拟退火算法、优选WPA算法参数的方法提高了算法的全局收敛性与计算鲁棒性,泵站运行最优决策方案较实际方案的运行能耗平均降低9.80%,可为泵站工程提供合理有效的运行方案,降低运行能耗。     

灌溉方法对保护地土壤有机氮矿化特性的影响

采用Stanford和Smith提出的长期间歇淋洗通气培养法,对连续7a采用渗灌、滴灌和沟灌灌溉,栽培番茄的保护地不同剖面层次土壤的有机氮矿化特点进行了研究。渗灌管为发汗式半软管,埋深为30cm;渗灌、滴灌和沟灌灌水方法及施肥、田间管理同当地农业生产。当20cm深处的土壤水吸力达到40kPa时开始灌水,渗灌和滴灌每次的灌水量是沟灌灌水量的1/2。试验结果表明,土壤矿化氮含量随着土层深度的增加而降低。从累积矿化氮量—时间曲线变化的趋势看,可将保护地土壤0～50cm剖面分为三个层次,其中渗灌与滴灌处理相似,为0～20cm、20～40cm和40～50cm土层,而沟灌处理则为0～30cm、30～40cm和40～50cm土层。保护地不同层次土壤有机氮的矿化可以用Twopool模型表达。比较不同灌溉处理,在0～10cm土层,易矿化有机氮含量(N1)表现为滴灌>沟灌>渗灌,易矿化有机氮矿化速率(k1)常数也以滴灌处理最大,说明滴灌更有利于表层土壤易矿化有机氮的形成。与渗灌和沟灌相比,长期使用滴灌灌溉有利于改善保护地土壤有机氮的品质。     

滴灌管主流道沿程压力分布模型及验证

为揭示滴灌管的沿程流动特性,简化滴灌水力计算,分析了能量方程应用于滴灌管水力计算的局限性,并以质量守恒和动量守恒定理为依据,建立了以滴灌管为典型的变质量流动数学模型,并结合测压试验数据,获得了滴灌管主流道沿程压力分布表达式。变质量流动的动量方程表明:多孔管路主流道压力变化取决于摩阻项和动量交换项两部分,沿程压力分布的具体形式取决于二者作用的相对强弱,滴灌管压力分布归结为求解滴灌管轴向流速分布、摩阻系数和动量交换系数,动量方程建立的合理之处在于不必追究其详细机制,将复杂的流动机理进行了合理概化。测压-测流试验表明:滴灌管轴向流速分布指数与滴头自身特性参数无关,而与滴头安装个数呈线性关系。基于理论分析和试验数据回归得到了动量交换系数的表达式,并结合Blasius摩阻公式进行方程求解,压力计算值与实测值吻合良好,最大相对误差为4.27%。该文可为滴灌管水力计算及多孔管水动力学研究提供一定参考。     

渗灌对番茄根系生长发育的影响

Four depth treatments of subsurface drip irrigation pipes were designated as 1) at 20, 2) 30 and 3) 40 cm depthsall with a drip-proof flumes underneath, and 4) at 30 cm without a drip-proof flume to investigate the responses of atomato root system to different technical parameters of subsurface drip irrigation in a glass greenhouse, to evaluate tomatogrowth as affected by subsurface drip irrigation, and to develop an integrated subsurface drip irrigation method for optimaltomato yield and water use in a glass greenhouse. Tomato seedlings were planted above the subsurface drip irrigationpipe. Most of the tomato roots in treatment 1 were found in the top 0-20 cm soil depth with weak root activity but withyield and water use efficiency (WUE) significantly less (P=0.05) than treatment 2; root activity and tomato yield weresignificantly higher (P=0.05) with treatment 3 compared to treatment 1; and with treatment 2 the tomato roots andshoots grew harmoniously with root activity, nutrient uptake, tomato yield and WUE significantly higher (P=0.05) oras high as the other treatments. These findings suggested that subsurface drip irrigation with pipes at 30 cm depth witha drip-proof flume placed underneath was best for tomato production in greenhouses. In addition, the irrigation intervalshould be about 7-8 days and the irrigation rate should be set to 225 m^3 ha^-1 per event.     

自适应滴灌灌水器的水力性能试验

为检验自适应滴灌灌水器的流量自动调节效果,根据自适应滴灌灌水器的工作原理,利用负压吸气泵模拟土壤负压,进行了AD-1型自适应滴灌灌水器在流量补偿、流量自适应2种工作模式的流量均匀性、供水压力-流量关系、模拟土壤负压-流量关系等水力性能试验与研究,并分析了其适宜的工作压力。结果表明:AD-1型自适应滴灌灌水器增添的滴水状态控制结构,不仅保留了常规滴灌灌水器的流量补偿特点,还增添了感知土壤水分含量、智能化控制灌溉和流量自动调节的多重使用功效。在流量补偿模式下,灌水器在额定供水压力100kPa时的平均流量为14.71L/h,且流量均匀度高,流量偏差系数为9.79%;在流量自适应模式下,灌水器的流量均匀度基本不变,在供水压力30kPa和土壤负压最小值20kPa的共同作用时即可开始正常工作,并确定出最小、最大的适宜供水压力分别为30、50kPa。在适宜供水压力30～50kPa范围内,灌水器能根据土壤实际水分状况在0～11.22L/h之间实时、自动调节滴水流量,改变了常规灌水器被动出水的工作方式,真正实现作物、土壤的按需主动连续取水,明显地提高了节水灌溉设备的精准灌溉水平,既保证了作物正常生长的适宜土壤水分,又促进了灌溉系统应用模式向智能化、自动化方向的进一步发展。     

土壤物理特性对地下滴灌毛管灌水质量的影响

压力水头偏差率和滴头流量偏差率是评价微灌灌水质量的重要指标。该文建立了地下滴灌毛管水力计算数学模型,利用该模型,分析了土壤物理特性对地下滴灌毛管水力特性分布规律和灌水质量的影响。结果表明,由于土壤物理特性对地下滴灌毛管滴头流量的制约作用,致使地下滴灌毛管压力水头与滴头流量偏差率比地表滴灌的要小;土壤物理特性对毛管灌水质量指标的影响不显著,但土质较重、土壤体积质量和初始含水率较大时,毛管压力水头与滴头流量偏差率较小,灌水质量较好。说明地下滴灌毛管灌水质量优于地表滴灌,土壤物理特性有利于毛管灌水质量的提高。计算与分析结果可为进一步研究地下滴灌田间管网水力特性及地下滴灌技术应用提供参考。     

基于模拟技术及遗传算法的作物灌溉制度优化方法

通过土壤水量平衡模型对作物生育期内的土壤含水率及田间腾发过程进行动态模拟，并利用作物水分生产函数的Jensen模型估算作物产量，建立了以灌溉日期为决策变量、最大相对产量为决策目标的灌溉制度优化模型，并采用保留最佳个体的遗传算法求解作物最优灌溉制度。结合山西潇河灌区2003年冬小麦返青后的实际气象状况，用上述模型对冬小麦灌溉制度进行了优化与分析。对动态规划、单纯形搜索法及遗传算法的求解结果进行了比较，表明保留最佳个体的遗传算法能搜索到全局最优解，且结果稳定。不同情况下的灌溉制度优化结果表明抽穗初期是冬小麦的生长关键期，其次是拨节期。随着灌溉水量的增加，最优灌溉制度下的田间腾发量及冬小麦产量也相应增加，但增加幅度逐渐减小。     

滴灌系统CAD管网布置模型及应用

分析了滴灌系统田间管网布置的特点,提出了用于滴灌系统CAD的管网布置模型,并借助通用软件包二次开发的方法,建立了基于这一模型的管网布置算法(PIPE算法).该算法包含了管网逻辑单元的移位、求交、属性数据操作等基本特征.应用该模型及相应的算法,可以在CAD支撑软件中完成灌溉管网的CAD二次编程,从而生成可定制的可视化人机交互环境,实现滴灌管网各种形式的快速布置,提高滴灌系统规划设计的效率.该研究结果对其他灌溉方式管网布置也具有一定的借鉴作用.     

膜下滴灌棉田土壤水盐运移简化模型

滴灌农田土壤盐分积累是关系到这一方式是否可持续的重要问题,数值模拟是研究这一问题的重要手段,然而目前缺乏针对这一问题的可用模型。该文构建了一个滴灌土壤水盐运移简化模型,通过将膜下滴灌土体划分为若干单元格,通过滴灌入渗饱和湿润体形成、毛管扩散运移2个过程实现滴灌土壤水盐运移模拟,该模型包含有降水再分配、根系吸水、土壤蒸发等水文过程。于2010年在新疆石河子大学灌溉试验站微咸水滴灌试验,对构建的模型进行校正和验证,结果显示,该模型较好地模拟了膜下滴灌土壤水分与盐分运移过程以及土壤盐分积累特征,研究结果可为膜下滴灌条件下棉田土壤盐分积累及其影响因子研究提供基础。     

基于改进双链量子遗传算法的投影寻踪调亏灌溉综合评价

针对调亏灌溉方案优选过程中存在单项指标的灌溉优劣评估结果单一和难以客观评价灌溉综合效益等问题,该文提出了基于双链量子遗传算法的投影寻踪综合评价模型。该模型利用双链量子遗传算法优化投影指标函数寻求最佳投影方向,同时通过矢量距浓度筛选进入搜索空间的量子染色体,以及在进化过程中逐步优化、压缩搜索空间对双链量子遗传算法进行改进。将改进双链量子遗传算法的投影寻踪模型对玉米各调亏灌溉方案进行综合评价,评价结果表明苗期水分亏缺程度为田间持水量50%～60%的处理是最佳调亏灌溉方案,产量与水分利用效率比正常灌溉处理分别提高了6.4%、10.8%。改进后的模型全局搜索能力与优化效率得到了显著提高。