基于RS、GIS及智能算法的渠系优化配水

【目的】基于RS、GIS技术及智能算法,对灌区渠系优化配水工作进行研究,为提高灌区管理、制定配水计划提供科学依据。【方法】采用"组间续灌、组内轮灌"的工作方式,选择总配水时间最短与轮灌组之间引水持续时间差异值同时最小作为优化目标,以黑河中游甘肃省张掖市甘州区盈科灌区盈二支一分支为例,构建多目标渠系优化配水模型,并基于粒子群算法和蚁群算法对模型进行求解。【结果】成功构建了多目标渠系优化配水模型,以黑河中游张掖市甘州区盈科灌区5km×5km区域优化配水为实例的研究表明,采用多目标粒子群算法时的最大配水时间为113.6h,最小配水时间为105.3h,轮灌组引水时间差异为8.3h;采用多目标蚁群算法时的最大配水时间为113.5h,最小配水时间为105.3h,轮灌组引水时间差异为8.2h。解算的结果均低于人工制定的168h原配水计划。【结论】基于RS、GIS及智能算法解决渠系配水问题,不仅可以缩短轮灌周期,减少配水过程中的水量损失,还可保证配水精度,减少劳动力支出。     

基于渠系输水模拟与土壤水量平衡模拟的两级渠系优化配水模型

为制定满足渠系运行实际情况和作物生长发育所需土壤含水量条件的渠系优化配水方案,将考虑输水渗漏损失的渠系优化配水模型与土壤水量平衡模拟模型耦合,构建基于渠系输水模拟与土壤水量平衡模拟的两级渠系优化配水模型,使用改进的遗传算法求解多目标模型的Pareto解集。选择黑河流域中游西干灌区下的两级渠系作为研究区域,得到50组非劣的渠系优化配水方案。在Pareto前沿面上选取3组代表方案进行对比分析,再将3组中最优的方案与灌区实际灌水方案进行对比,结果表明:Pareto解集可以体现目标之间的博弈关系,当权重值向配水量最少目标偏移时会对土壤水含量等指标产生影响,进而产量下降;当权重值向产量最大目标偏移时会产生水资源浪费现象;而当目标函数的权重值处于中间水平时,产量和配水量目标都可以得到较好地满足,并且与实际灌水方案相比配水量减少113.54万m~3、总产量增加660t,能够达到节水增产的效果。该模型在兼顾渠系运行条件和土壤含水量的前提下权衡了2个目标之间的博弈关系,Pareto解集得出的结果能够满足决策者对于目标的不同需求,为灌区管理者的决策提供理论依据和指导。     

基于改进人工鱼群算法的灌区优化配水研究

【目的】建立以灌溉净效益最大为目标的优化配水模型,为灌区优化配水提供新思路。【方法】以西安市周户灌区为研究对象,立足于寻求作物种植面积-水量-产量-经济效益之间的最优关系,建立以灌溉净效益最大为目标的优化配水模型,并利用混沌人工鱼群算法进行求解。【结果】利用所建立的以灌溉净效益最大为目标的优化配水模型进行优化后,灌区总供水量为12 711.44万m3,较常规配水量增加了1 402.67万m3,其中地表供水较常规配水量增加了1 510.67万m3,地下水供水量有所减少;通过作物不同时段分配水量及种植面积的协调,灌区净效益增加了16.37%,粮经比为1∶1.21。【结论】以灌溉净效益最大为目标对灌区配水进行优化后,灌区配水过程更加均匀,同时灌区作物种植结构也得以优化和调整。     

查哈阳灌区水稻水分生产函数模型试验研究

在黑龙江省查哈阳灌区2006年实测数据的基础上,建立了4种水分生产函数模型,经过对4种水分生产函数模型的分析,确定出适合查哈阳灌区的水稻水分生产函数模型为Jensen模型,再次验证了Jensen模型的广泛适用性,为该地区水稻非充分灌溉条件下的灌溉制度优化提供了基础依据。     

基于3S技术和蚁群算法的灌区渠系优化配水

【目的】建立基于3S技术和蚁群算法的灌区渠系优化配水模型,解决目前灌区配水管理中的被动配水和信息采集方法落后等问题。【方法】以冯家山水库北干十一支灌区为研究对象,采用RS/GPS技术获得灌区作物的种植结构、面积及灌区土壤含水率等信息,将这些信息输入GIS系统中,再根据灌区不同位置的土壤墒情,以斗渠为计算单元,通过GIS系统计算各斗渠的实际需水量,最后按各出水口"定流量、变历时"的轮灌运行方式建立优化模型,通过蚁群算法对模型进行求解。【结果】获得了各出水口在灌区实际需水量条件下的最优配水组合方案,算法简单、收敛性好。【结论】基于3S技术和蚁群算法的灌区优化配水,使现有的一些配水数学模型可以发挥更大的作用,使计算结果更接近实际。     

基于NSGA-Ⅱ灌区两级渠道输配水优化调度

针对传统灌区渠道输水损失大、配水流量和配水时间不合理等问题,对灌区渠道输、配水作优化调度研究。以富裕灌区为例,运用带精英策略非支配排序遗传算法,考虑配水流量和配水时间不确定性,以灌区渠道输水损失最小及干渠水位变化均匀为优化目标,建立干、支渠道配水优化调度模型。结果表明,在满足上述优化目标前提下,优化结果与灌区原配水计划相比,干渠各生育阶段配水时间由15、35、20、18 d缩短至12、27、17、16 d,且各支渠在各时期流量变化浮动较小,流速均满足不冲、不淤流速要求。该模型可为富裕灌区及类似灌区水资源优化调度提供理论依据。     

基于不确定性的区间分式规划灌区优化配水模型

为获得有限可用灌溉水资源条件下满足多个目标的最优配水方案,将区间不确定性方法引入线性分式多目标规划中,构建基于区间不确定性的分式规划模型。以甘肃省武威市民勤县红崖山灌区为研究区域,对当地4种主要作物,春小麦、春玉米、棉花、籽瓜进行水资源优化配置,在满足粮食安全基础上得到不同水文年下满足不同目的需求的水资源优化配置方案。在此基础上,对不同情境下的配水结果进行对比并详细分析了平水年不同区间用水效率增长对目标函数的增长率影响,得到不同用水效率下的优化配水方案及目标完成情况。结果表明:在枯水年灌区应优先满足籽瓜的灌溉需求,丰水年应优先满足棉花的用水需求,平水年农业生产的最优用水效率增长区间为[0,5%]。所得结果可以为民勤县红崖山灌区以及类似灌区水资源优化配置及用水效率提升提供了理论依据与决策支持。     

基于Morgan模型灌区灌溉水系统的优化

从整个灌溉水系统着手,研究灌溉水系统管理技术,提出了Morgan模型,利用线性规划方法求出某种状态下的最优目标函数值及每次灌水决策问题;田间灌溉系统优化模型求解是由上面作出的灌水决策,以效益函数为目标函数,根据约束条件,按解线性规划原理,求解出灌水时间、入畦流量、畦宽、畦长等问题;渠系优化调度求解模型是采用决策数学中解整数规划的背包问题方法,针对灌区配水渠道“定流量,变时间”的运行方式,求解灌区渠系的优化配水问题。     

蜻蛉河大型灌区水资源优化配置模型

 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。应用上述数学模型,对蜻蛉河大型灌区进行水资源优化配置研究。对于每个层次子系统,采用适宜于解决多阶段过程或能转化成多阶段决策过程的动态规划方法来求其最优解。计算结果表明：本文引用和提出的理论与方法是正确的。同时也使我们看到,经过水资源的合理优化分配,采用非充分灌溉方法将具有较大的节水潜力,此研究成果为灌区水资源合理利用提供了一种新途径。     

非充分灌溉条件下的水稻敏感性指数

水分生产函数是作物灌溉配水的主要依据。根据水稻节水高产灌溉条件下的试验资料,确定了水稻各个生育阶段Ｊｅｎｓｅｎ模型下的作物敏感性指数,为灌区优化配水和计算机管理创造了条件。     

淠史杭灌区水稻水分生产函数与优化灌溉制度研究

依据2年的水稻水分生产函数专项试验和淠史杭灌区试验总站历年试验统计资料,结合面上调查和室内理论分析计算,建立了适合淠史杭灌区水稻的"作物-水模型",确定了模型的结构形式和参数取值,在此基础上建立了水稻优化灌溉制度数学模型,并采用动态规划方法求出不同水文年型以产量为目标的优化灌溉制度,为淠史杭灌区水资源的优化配置提供依据.     

考虑种植风险的灌区供水量优化配置研究

为了避免灌溉水量优化配置求解结果中粮食作物供水量为零的情况,通常在模型中设置粮食作物最小灌溉面积或最低产量的约束,该约束的设置能够显著降低优化模型的客观性。鉴于此,本研究在灌区灌溉供水量优化配置模型中引入了种植风险系数。该模型以灌区灌溉增产效益最大为目标,利用作物水分生产函数,同时给出了不同作物的优化灌溉用水量和优化灌溉面积,实现了灌区灌溉水资源的优化分配。以山西省夹马口灌区为例进行了分析研究,求解的作物灌溉面积占总灌溉面积的比例与灌区现状非常一致,表明该模型合理可靠,可用于指导灌区灌溉用水管理。该研究结果对灌区农户合理确定种植结构也具有重要参考价值。     

基于双区间规划的武威市民勤县3种作物灌溉水量优化模型研究

针对农业水资源优化配置中降雨量的不确定性问题,在传统区间规划的基础上,引入双区间规划理论进行描述,以农民种植净效益最大为目标函数,建立地表水和地下水联合灌溉的作物灌溉水量优化模型。实例应用于武威市民勤县红崖山灌区,对灌区农业水资源优化配置进行研究,模型计算结果表明:利用双区间规划对作物进行灌溉水量的优化,春小麦、春玉米、籽瓜的灌溉定额分别为:[[179.81,191.81],[353.89,365.89]]、[[119.46,141.46],[270.57,292.57]]、[[180.04,213.04],[267.49,290.49]],相比于现状,节水量分别为3%、27%、4%。利用双区间规划不仅能够更好的解决灌区多作物灌溉水量优化问题,而且能够给决策者提供更大的决策空间。     

基于理想点法的灌区多目标种植结构优化模式研究

建立了灌区多目标种植结构优化模型:以灌区作物受益最优和耗水量最小为目标函数,以不同作物种植面积和生育期内可供水量为约束条件,采用理想点法对灌区不同作物种植面积进行优化。结果表明,灌区种植结构应当随着降雨年型不同、灌区可用水量变化而调整,在减小灌溉用水量的同时获取最大收益,该规划方法可为灌区种植结构优化决策提供参考。     

基于土壤条件的边缘绿洲典型灌区灌溉需水研究

【目的】土壤性状是影响作物灌溉水生产力（IWP）与灌溉需水的关键因子。以土壤性状与作物灌溉水生产力及灌溉需水的定量关系为依据、结合区域土壤性状的空间分布,估算绿洲典型灌区作物灌溉需水及空间分布,为灌区尺度的合理用水分配及节水潜力评估提供科学依据。【方法】选择黑河中游临泽边缘绿洲平川灌区,对118个农田土壤进行取样分析,确定土壤性状的空间分布;通过不同土壤质地和肥力水平的农田玉米灌溉试验,确定土壤性状与灌溉水生产力及灌溉需水量的关系、进而依据土壤条件估算灌区尺度的灌溉需水及空间分布。【结果】平川灌区农田0-20 cm耕层土壤砂粒含量为29.4%-91.9%,平均53.6%,土壤有机质含量范围为1.37-17.7 g•kg-1,平均10.9 g•kg-1;20-100 cm土层砂粒平均含量51.3%。土壤质地为壤沙土和沙土的面积占农田总面积的50%以上;有机质含量低于10.0 g•kg-1的面积占26%,土壤持水性能弱;土壤性状在空间分布上存在高度的变异性。玉米IWP平均为1.11 kg•m-3（沙土）-2.44 kg•m-3（壤土）,与0-20 cm土层黏粉粒含量（CS1,%）、20-100 cm土层黏粉粒含量（CS2,%）、0-20 cm土层有机质含量（OM,g•kg-1）呈极显著正相关。依据土壤性状与灌溉水生产力的关系,得出平川灌区玉米灌溉水生产力平均为（2.36±0.77）kg•m-3,变动范围为0.75-3.92 kg•m-3,IWP小于2.0 kg•m-3的面积为970 hm2,占总面积的18.5%。灌区玉米生育期平均灌溉需水量为558 mm,总灌溉需水量为28.4×106 m3。【结论】土壤条件决定作物的灌溉需水与灌溉水生产力,在灌溉尺度农业水管理方面,应依据不同土壤性状的斑块单元进行地表水与地下水的合理分配与配置,并重视有利于土壤结构改善和肥力提升的施肥、耕作、灌溉等农业技术的应用。     

基于遥感数据的不确定性的农业水资源优化配置研究——以漳河灌区为例

针对现有农业水资源优化配置存在的空间分辨率较大,忽略降雨量参数的时空变异性,难以满足实际生产中更精确的管理要求的问题,以湖北省漳河灌区典型枯水年为例,采用基于遥感数据的水资源优化配置方法,分析全球降雨测量数据和多年雨量站站点数据关系,获取漳河灌区典型年空间降雨量数据集.在此基础上,将区间数、模糊区间数、模糊可信性约束规...     

灌区节水灌溉决策支持系统研制

为促进灌区管理水平和工作效率的提高,采用Borland Delphi高级编程语言,开发了具有水分生产函数计算、作物需水量计算、水资源优化分配、节水灌溉决策等多种功能的灌区节水灌溉决策支持系统,并以河北大名县某灌区为例进行了应用分析。结果表明:采用该系统可制定出科学合理的灌溉决策,指导农民进行合理灌溉,使有限的水资源发挥最大的灌溉效益。     

河套灌区引水量限额后节水灌溉的对策分析

针对黄河水资源日益短缺,河套灌区引黄水量限额配置调整等问题,对节水灌溉对策进行了分析,指出应改进,完善工程设施,进行以渠系防渗为中心的灌区技术改造,开发利用地下水,发展井灌,推广非充分灌溉技术,合理确定作物种植比例和灌溉定额,以缓解引黄水量限额与农业生产需水量的矛盾,实现河套灌区农业生产的可持续发展。