耦合地下水模拟的渠井灌区水资源时空优化配置

为控制渠井灌区地下水位,合理确定地表水和地下水的分配方案,构建水资源时空优化与地下水数值模拟耦合的模型体系。以灌区缺水量最小、时段缺水率均衡和渠系单元缺水均衡为原则建立灌区地表水地下水联合利用的时间和空间优化模型,分别采用人工鱼群算法和粒子群算法求解,以优化的地表水供水量和地下水开采量为耦合变量,作为地下水模拟模型的输入,以丰、平、枯水年地下水位变幅之和最小为模拟目标,获得不同水文年地表水地下水的时空优化配置方案。泾惠渠灌区优化结果表明,丰水年和平水年不缺水,枯水年在2020年和2030年灌溉缺水分别为4 489万m3和3 941万m3,主要分布在12月、3月、6月、7月、8月。2020年丰、平、枯水年灌区平均地下水位变幅分别为0.49、0.06、-0.42 m,2030年丰、平、枯水年灌区平均地下水位变幅分别为0.21、-0.08、-0.26 m,基本上实现多年采补平衡。耦合地下水模拟的水资源时空优化配置方法,是渠井灌区实现水资源合理利用和生态健康的有效途径。     

基于水氮耦合的枸杞灌溉制度优化

为明确一定养分条件下枸杞耗水量与产量的关系,于2014年和2015年采用2因素3水平对比试验设计,研究了枸杞耗水量与碱解氮消耗量耦合效应对产量的影响,通过回归的耦合模型对基于树种、树龄、碱解氮消耗量的枸杞灌溉制度进行了优化。结果表明：（1）相同施肥条件时,4年树龄时HW产量最高,为1 335.7 kg/hm²,MW产量次之,为1 174.2 kg/hm²,LW产量最低,为1 066.5 kg/hm²,5年树龄时HW产量为2 463.7 kg/hm²,MW产量最高,为2 556.1 kg/hm²,LW产量最低,为2 394.5 kg/hm²;（2）同一灌水水平条件下2年试验均表现出中施肥水平产量最高,高施肥水平产量次之,低施肥水平产量最低,4年树龄MF产量为2 758.0 kg/hm²,HF产量为2 595.5 kg/hm²,LF产量为2 407.0 kg/hm²,5年树龄MF产量为4 113.9 kg/hm²,HF产量为3 652.3 kg/hm²,LF产量为3 532.1 kg/hm²;（3）耗水量、碱解氮消耗量耦合效应显示,2014年产量随着耗水量的增加而增加,而产量随碱解氮消耗量增加呈凸形抛物线趋势变化,2015年产量随耗水量、碱解氮消耗量增加均呈凸形抛物线趋势变化。（4）灌溉制度优化发现1年树龄总ET_a为166.0~198.8 mm,2年树龄总ET_a为194.7~252.5 mm,3年树龄总ET_a为196.6~227.2 mm,4年树龄总ET_a为173.5~221.6 mm,5年树龄总ET_a为179.3~196.6 mm。研究结果可为1~5年树龄宁杞1号枸杞获得理想的产量提供灌溉制度优化参考。     

膜下滴灌旱作水稻水肥耦合模型及组合方案优化

为了研究膜下滴灌旱作水稻灌溉定额和施肥量对产量的影响。采用通用旋转组合设计试验方法,建立膜下滴灌旱作水稻水肥耦合模型。结果表明,在供试土壤膜下滴灌条件下,灌溉定额、氮、磷与水稻产量之间符合三元二次回归模型,其一次项、二次项及水氮交互项回归系数均达极显著水平,三因素的增产作用大小依次为:灌溉定额施氮量施磷量。采用此模型计算的预测产量与实际产量之间呈高度正相关(R2=0.981),并可由此计算得出目标产量灌溉定额及其施肥量。经模型寻优,得出不同目标产量下的水、氮、磷最佳组合方案,通过2 a验证试验,验证产量与水分生产效率与模型优化组合目标产量和水分生产效率相吻合,此最优组合方案可以为膜下滴灌旱作水稻节水节肥、水肥一体化技术和高效栽培技术提供科学依据和理论支持。     

优化与模拟耦合模型在水资源合理配置中的应用

随着水资源供需矛盾日益加剧,合理配置已成为实现水资源可持续利用的重要手段,本文系统地阐述了我国水资源配置方面取得的研究和应用成果,分析了常用的两种配置模型——优化模型和模拟模型。结合工程实际,研究优化与模拟耦合在水资源合理配置中的应用,实现了水资源合理配置时间和空间的有机耦合。     

应用ORYZA2000模型制定北京地区旱稻优化灌溉制度

通过优化灌溉提高水分利用效率,使有限的水资源发挥最大的效益,是推行节水农业的一个重要方面.在模型验证的基础上,利用ORYZA2000模型和多年气象资料,分析了北京地区不同降水年型条件下早稻产量和水分利用效率与灌溉定额之间的关系,在此基础上制定不同降水年型和产量水平的北京地区旱稻优化灌溉制度.结果表明:当灌溉定额达到一定水平后,最高产量趋于不变.干旱和平水年型条件下旱稻均有较大的增产潜力,灌溉定额为300～500 mm可增产约3000 kg/hm2;丰水年型灌溉定额为250 mm时可增产1000 kg/hm2.70%、80%和90%产量潜力3个产量水平的最优灌溉制度分别需要保持根层土壤相对含水率在67%、73%和83%左右,灌水定额不宜过高,以50～60 mm为宜.灌溉次数和灌溉定额随产量水平的提高而增加,并取决于实际的降水情况:干旱年型3个产量水平的灌溉次数为3～8次;平水年型为2～5次;丰水年型为1～5次.水分利用效率变化范围为0.92～1.28 g/kg,受各年型降水量影响灌溉水水分利用效率变化在1.61～7.76 g/kg之间,丰水年型的灌溉水水分利用效率高于平水年型和干旱年型.80%产量潜力水平时的水分利用效率最高,不同年型灌溉定额在98～239 mm之间,灌溉次数为2～5次.     

混合动力拖拉机动力耦合装置的研制

近年来,农用车辆特别是拖拉机对环境和资源造成的压力逐年增大,开展节能环保拖拉机特别是混合动力拖拉机的研发已成为迫在眉睫的重要课题,而动力耦合装置是混合动力拖拉机的核心。该文根据拖拉机工作特性和传动特性要求,对混合动力拖拉机动力耦合装置传动比、特征参数和齿数匹配等进行了设计。根据传动载荷需求和制造工艺要求进行了结构设计和强度校核,研制了适用于并联式混合动力拖拉机的动力耦合装置。在自行搭建的混合动力拖拉机试验台上对该耦合装置进行了测试。试验结果表明,该装置能够满足拖拉机工作状态下的工作特性要求,输出端转速对动力源的转速变化很敏感,实时变化性能优,而输出端转矩对动力源转速变化不敏感。该耦合装置的研制为混合动力拖拉机的研发提供了基础。     

基于CFD-DEM耦合法的灭火机风筒优化与试验

为了进一步研究风力灭火机的灭火性能,并防止灭完火的区域死灰复燃,在风筒进口增加了超细干粉灭火剂进行喷射灭火。喷射式风力灭火机的性能主要体现在出口风速、射程和喷射的稳定性上,而后两者分别主要由灭火剂颗粒的喷出的速度和风筒内滞留灭火剂的量决定的。该文采用6MF-30型风力灭火机使用的风筒为原型验证仿真模型的可靠性,采用CFD-DEM耦合的方法对喷射式风力灭火机的工作过程进行仿真模拟。以风筒收缩角、灭火剂添加位置、风筒长度作为因素,按照二次正交旋转组合设计进行仿真试验,进行显著性检验和方差分析,建立了回归方程。结果表明:3个因素相对颗粒喷出速度和风筒内颗粒数都具有显著相关性,显著水平分别为P0.0001和P0.001,而这3个参考因素与出口风速无明显相关性;3个参考因素中风筒长度是对机械性能影响最大的因素。采用响应面法、加权法综合对最佳参数组寻优,发现喷射式风力灭火机收缩角取20°,灭火剂添加孔道距进风口140 mm,风筒长度700 mm时喷射式灭火机性能得以提高。采用该参数组的虚拟试验结果显示,颗粒喷出速度提高至41.24 m/s,同时风筒内颗粒数降低至209个。实体样机验证试验表明:采用该参数组设计的风筒可以有效提高喷射式风力灭火机的喷粉射程2.15 m,缩短灭火时间1.7 s且无复燃。该研究为风力灭火机风筒优化模拟提供了参考。     

耦合MOP-FLUS模型的滇中城市群“三生”空间格局优化

生产空间、生活空间、生态空间之间联系紧密,决定国土空间的最高演化目标,为了协调区域经济社会的发展,通过构建符合城市群发展实际的“三生”空间分类体系划定国土空间; 基于目标条件与情景设定,通过MOP模型实现“三生”空间综合效益最大化; 利用FLUS模型优化“三生”空间布局,并采用景观格局指数对其优化结果进行了分析评价。结果表明:优先满足生产和生活空间发展情景的生态效益最低,城镇化进程加快的同时生态空间发展受到抑制,生态环境脆弱; 优先满足生态空间发展情景的经济效益最低,生态环境虽然得到良好保护,但同时生产与生活空间面积占比较小,分布破碎,不利于区域经济发展; “三生”空间均衡协调发展情景的经济效益提高4.46%,生态效益提高1.87%,空间布局均衡统一。因此该情景能够合理平衡生态建设与经济发展,在丰富生态过程和格局结构上具有优越性,可为滇中城市群国土空间资源配置、“三生”空间优化等决策提供一定的参考和借鉴。     

区域水土保持监测点布局优化时空模型研究

基于"全国水土保持监测网络和信息系统建设"项目及相关省(自治区、直辖市)的水土保持工作情况,全国初步建设了818个监测点,但目前这些监测点在布局、结构、运维和整体功能发挥等方面仍存在不足,有待调整、优化和完善。分析了区域监测点布局优化的主要影响因素,认为区域自然地理条件异质性决定了监测点的空间布局与类型结构,经济社会发展阶段影响着监测点的密度与结构,物质与人力资源的丰缺影响着监测点建设和升级改造的可行性与功能实现程度。构建了区域监测点布局优化的时空模型、主要指标及其分值、运算法则等,对省级和全国的水土保持监测点布局优化和升级改造具有指导意义,也对相关的资源、环境、生态系统野外监测站点布局的调整、完善具有参考价值。     

沙土地有机肥替代化肥与灌溉优化在苜蓿上的耦合效应研究

在沙土为主的牧区,为适应粮改饲的发展需求,在苜蓿种植中有机肥替代化肥并协同优化灌溉是可持续发展的重要途径。本研究在典型牧区-河北滦南县的沙土地,设置了有机肥氮替代0%、50%和100%化肥3个替代率,设常规灌溉和优化灌溉两个灌溉水平,以不施氮且常规灌溉为对照,共计7个处理。在2013～2015年通过大田试验测定苜蓿生物性状、土壤无机矿化氮和0～180 cm土层水分含量等,探索了水肥耦合效应。有机肥氮替代50%和100%的土壤无机氮供应与化肥氮相比差异不显著,相同替代条件下优化灌溉能提高12%～25%的苜蓿产量。有机肥100%替代化肥氮(180 kg/hm~2)以及优化灌溉(262 mm)的苜蓿产量比其他处理提高4. 4%～53. 3%,同时降低了硝酸盐的淋洗风险。该方案既解决畜禽粪便污染的难题又减少化肥和灌溉水投入,是值得推广的种养结合新模式。     

红崖山灌区机井空间布局适宜性评价

灌区机井空间布局的适宜性评价对于地下水的合理开采与机井的布局优化具有重要作用。该文选择石羊河流域红崖山灌区为研究区,提取土地资源利用类型、地下水埋深、含水层厚度、单井出水量和地下水矿化度等影响因素作为机井空间布局的适宜性评价指标,根据影响因子属性的空间变异性,将灌区划分为366个评价单元,并采用熵权法确定各指标的权值和区域的综合评价值。结果表明,红崖山灌区机井的空间布局受地下水埋深和单井出水量的影响较大;研究区不适宜、不太适宜、一般、较适宜和适宜布井的面积比例分别为19.33%、24.33%、46.61%、7.33%和2.40%,较适宜和适宜布井的面积比例较小。研究结果为灌区机井空间布局提供了一定的理论依据。     

小定额波涌沟灌技术要素的多目标模糊优化模型

针对丘陵山区集雨灌溉灌水定额小等特点，利用模糊数学方法，在田间试验的基础上建立了波涌沟灌的多目标模糊优化模型，并求得各灌水技术要素的优化组合：供水时间15 min、停水时间15 min和入沟流量1 L/s。采用该组合技术要素实际灌水试验证明：试验所得各灌水质量指标与模糊优化结果吻合较好，灌溉质量综合效果较好。研究结果为波涌沟灌技术要素的制定提供了多目标模糊优化组合方法，为广大丘陵山区小定额波涌沟灌技术要素的选择提供了多目标模糊优化模型及优化组合方案。     

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。     

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。     

基于最优保留策略遗传算法的玉米小麦优化灌溉模型研究

在综合考虑灌溉水量、作物水分需求、作物种植结构、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素的基础上,建立了适合中国国情的基于灌水收益最大的多作物多约束非线性优化灌溉模型,同时应用遗传算法的搜寻功能,对模型的实数编码解空间进行搜索。求解结果显示该模型很好地解决了玉米和小麦联合种植的优化灌溉问题,遗传算法在求解该模型中显示出了较好的搜寻能力,能在很短时间内搜寻到模型的最优解。     

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...     

基于排队理论的灌区渠系地表水及地下水优化配置模型

地表水和地下水联合运用于农业灌溉是中国大部分灌区主要采用的灌溉形式,但目前的优化模型对地下水的运用情况过于简化,常采用定值作为优化模型的参数,所以不能真实反映地下水随时间对灌溉面积的影响。该文基于排队理论,研究分析了地下水灌溉的农田面积随等待地表水灌溉的历时的影响,并建立灌区渠系优化配水模型,以灌水历时最短为目标,根据渠首引水、渠系供水、作物用水等方面的用水关系建立约束条件。通过河北石津灌区的实际应用,说明模型方法的可行性,并提出该灌区5条主要干渠的合理优化配水方案。结果显示最优的灌溉历时为25.6 d;干渠B1的灌水周期贯穿了大部分灌水周期,是影响整个系统灌溉效率的关键渠道;子区C5分配的地下水资源较多,该子区的地下水灌溉面积占到了43%。该模型可更加真实地反映用于灌溉的地下水水量随时间变化的不确定性,能够为中国大部分地区建立地表水和地下水联合灌溉优化模型提供方法上的借鉴。     

应用LM算法的神经网络模型研究灌区退水问题

在一些引黄灌区中,灌溉引水的相当大部分要转化为退水回归黄河,灌区退水研究对这部分水量的重新利用有着重要的意义。该文采用相关分析的方法确定了灌区退水的主要影响因素,应用LM算法的神经网络模型对灌区退水的量化分析方法进行了探讨。实例研究表明,模型能够较准确的对灌区退水量进行模拟和预测,对灌区退水问题研究具有较好的应用价值。     

沼液滴灌系统灌水器堵塞模型构建及系统参数优化

在沼液滴灌工程实际生产应用中,为有效预防灌水器发生堵塞,提高沼液滴灌系统运行的可靠性,该文以实际沼气工程发酵剩余的沼液为试验样本,从满足作物生长需求、合理调控系统运行模式的角度出发,以沼液滴灌系统水肥配比、灌水压力、滴头流量为影响因素,以灌水器的平均相对流量和首次发生堵塞的时间为试验指标进行试验研究,建立了沼液滴灌系统灌水器堵塞预测模型。试验采用响应曲面法,利用Design-Expert8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素对沼液滴灌系统灌水器堵塞影响的数学模型,对所建立的数学模型进行了试验性验证。试验分析结果表明:水肥配比、灌水压力和滴头流量对沼液滴灌系统灌水器平均相对流量和首次发生堵塞时间的影响都是显著的,且影响主次顺序均为:滴头流量>水肥配比>灌水压力。在较大的水肥配比和滴头流量条件下,平均相对流量最大,首次发生堵塞时间最长;当灌水压力取适当的中间值时,灌水器抗堵塞性能较好。响应曲面法优化后获得的最佳综合堵塞模型指标为:水肥配比为3:1,灌水压力为0.14 MPa,滴头流量为12 L/h,在该条件下,平均相对流量为0.83,堵塞时间为55 h。经试验验证,实测值与模型理论值的平均相对误差小于4%,表明模型预测效果良好,能够较为准确地预测灌水器堵塞风险和首次发生堵塞的时间。