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。     

灌溉渠系优化配水研究

介绍了灌溉渠系优化配水模型的研究进展,并从模型参数、输配水技术和管理体制等方面分析了优化配水难以在灌区实施的原因,指出实行优化配水还必需加强田间试验,完善渠道量水设施,提高量水技术,建立适应现行管理体制的配水模型,同时继续推进灌溉管理体制改革。     

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。     

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。     

基于自由搜索算法的灌渠配水优化模型

国内外现有的渠道配水模型是建立在下级渠道流量相等、上级渠道断面均匀水力参数相同的基础上,无疑限制了模型的应用范围。针对该种不足,该文建立了考虑下级渠道流量不等和上级渠道断面变化的精细化配水模型。在模型求解方面,通过构建合理的适应度函数和对约束条件的高效处理,应用自由搜索算法对模型进行了求解。应用结果表明,采用本模型和算法得到的配水方案与原配水方案相比,输水渗漏损失减少了8.26%;配水过程也更加均匀,有效减少了闸门调节次数。     

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。     

机翼形量水槽的试验研究

渠道量水设施对灌区节水、实现水资源高效可持续利用具有重要意义，研究具有结构简单、水头损失小、量水精度较高、流量计算公式简明的渠道量水设备，是灌区迫切需要的灌溉管理应用技术之一。该文提出了一种仿真机翼形状的渠道量水设施，在U形渠道中通过12种量水槽收缩比进行了系统的组合试验，试验结果表明：该量水槽过流顺畅，水头损失小，试验数据资料表现出极好的相关性，相关系数为R²=0.9988。应用量纲分析法建立的流量公式具有量纲和谐性，拟合的具有指数形式的流量计算公式简明实用，流量计算平均误差小于3%，临界淹没度可达0.92。     

混沌人工鱼群算法及其在灌区优化配水中的应用

对人工鱼群算法进行了改进，结合灌区优化配水问题，建立了灌区优化配水的混沌人工鱼群算法模型。通过对山东省威海市节水灌溉示范区进行优化计算，算法能有效地搜索到灌区净效益最高点，优化后与现状种植结构相比，粮食作物面积减少，经济效益较高的果树面积增大，灌区净效益提高56％。优化结果表明，混沌人工鱼群算法应用于灌区优化配水计算切实可行，为复杂的灌区优化配水问题提供了新的思路和方法。     

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。     

渠系配水优化编组通用化软件的研发与应用

针对国内外己开发的渠系优化配水软件存在的通用化程度不高的问题,在对渠系结构及优化配水模型抽象概化的基础上,以VC++6.0为开发平台,研制了一种渠系优化配水的通用化软件。该软件以渠系层状树形结构图、空间布局概化图、渠道特征参数数据库等直观表达复杂渠系上下级关系、空间布局和特征参数,并实现了上述图形与数据库的交互使用,使用户可以方便的完成复杂渠系的空间布局搭建、渠道特征参数的输入与修改。在对渠系配水过程分析的基础上,建立了所需参数少、通用性强、计算结果稳定可靠的渠系优化配水模型。并通过对模型特点的分析,提出     

基于记忆梯度混合遗传算法的灌区水资源优化配置

针对灌区水资源优化配置模型中目标函数高度非线性的特点,该文提出基于记忆梯度混合遗传算法用于灌区水资源优化配置,并提出了有条件的随机生成的初始种群生成方式来处理线性约束条件的策略.实例研究表明算法用于灌区水资源优化配置比基本遗传算法计算精度有了明显提高.     

利用地下水模型模拟分析灌区适宜井渠灌水比例

为了获取泾惠渠灌区适宜井渠灌水比例,科学合理地确定农业节水方案,该文综合应用ArcGIS和PMWIN地下水模拟软件建立了灌区的地下水分布模拟模型,根据灌区历年农业用水实际情况设定了10种灌溉情景模拟灌区地下水位的变化趋势,通过地下水模型分析研究了灌区井渠灌水比例。利用VB程序语言改写EVT蒸发蒸腾子程序包,使其能模拟非线性蒸发,潜水蒸发量计算精度得到较大改进。研究表明:1)渠首有效灌溉引水量在3.7～4.1亿m3,井渠灌水比例控制在0.35～0.55,基本可以保持灌区地下水采补平衡;2)渠首有效灌溉引水量在1.5～2.0亿m3,井渠灌水比例控制在0.5～0.7,也能实现灌区地下水采补平衡;3)目前井渠灌水比例在0.9～1.2,已引起灌区地下水超采。建议井渠灌水比例控制在0.5～0.7,加大农业节水力度、增加水价财政补贴、进行地下水人工调蓄,实现灌区水资源高效持续利用。     

灌区干支渠渗漏估算方法及其在水资源优化配置中的应用

为解决大尺度农业水资源规划中遇到的渠道渗漏估算精度低且估算方法不符合渠道渗漏机理问题,该研究在对前人的研究成果与渠道渗漏关键要素进行分析基础上提出了渠道渗漏估算方法.根据提出的渠道渗漏估算方法,渠道渗漏系数通常是随渠道引水量变化的单调函数,传统方法中使用固定的渠系渗漏系数方法在渠道引水量变化时会对渠道渗漏量有一定程度的...     

灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计

渠道防渗工程是当前灌区节水改造的重要内容之一,对原灌区骨干渠道系统的梯形土渠进行节水改造,其断面形式选用弧形坡脚梯形断面,其断面形式接近最佳水力断面、水流条件好、流速快、输沙能力强、防渗效果好、抗冻性能较高等优点.在此基础上,建立渠道纵横断面设计的系统动态规划模型,对灌区改造渠道进行纵横断面优化设计,并通过实例比较证实,该设计方法可以大幅度节省灌区节水改造项目的工程投资.     

基于田间调查数据分析漳河灌区水稻灌溉水生产力分布异质性及其影响因素

在漳河灌区农田尺度的基础上,基于农户调研结果和文献调研的大田数据,分析当地水稻灌溉水生产力及其影响因素的空间异质性,利用相关性分析和偏最小二乘回归分析进行灌溉水生产力关键影响因子的筛选。结果表明：（1）漳河灌区总、四干渠控制村组水稻产量最小,灌溉水生产力则表现为三干渠控制村组最大而总干渠控制村组最小;（2）灌溉水生产力与单位面积灌水量、生育期日平均太阳辐射和土壤粉砂粒含量呈现极显著负相关,与日平均气温和土壤黏粒含量呈现极显著正相关;（3）灌溉水生产力受单位面积灌水量、施氮量、生育期内日平均气温、日平均太阳辐射和土壤黏粒含量的影响较大。因此,管理措施和气象因素是改善漳河灌区水稻灌溉水生产力的关键因素。研究结果可以为改善当地水稻管理水平、提高灌溉水生产力提供数据支持。     

泾惠渠灌区浑水泥沙输移特征

通过对泾惠渠灌区2013年夏秋灌期干支斗渠浑水资料的实时取样分析,探究渠灌区渠系挟沙水流含沙量及泥沙级配的时空变化规律,量化描述不同粒径悬移质泥沙颗粒的输移特征,旨在获得灌渠渠系内挟沙水流历经冲淤过程不同粒径悬沙沿程的垂向分布与输移规律,为渠灌区的运行及泥沙问题的处理提供理论基础。灌区内进行的原型取样测流工作在选定的具有代表性的干-支-斗渠线路上进行,观测分析了灌区渠系含沙量及不同粒径泥沙颗粒沿垂线分布的特征,验证分析了挟沙水流历经淤积过程含沙量分布的变化规律。通过对典型渠系线路不同粒径悬移质泥沙的沿程调整计算分析,表明不同粒径泥沙沿程的输移特征不同,各分组沙的冲淤特征并不都和全沙平均计算结果一致,其中级配曲线左端一定粒径范围（约＞0.015 mm）的粗沙与全沙具有同冲同淤的规律。该研究可为泾惠渠灌区泥沙处理利用以及渠灌区浑水调控理论与技术的进一步研究提供依据。