灌溉渠系优化配水模型研究
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疆维 吾 尔 自 治 区 十 一 五 科 技 攻 关 重 大 项 目 ( 200731137 1) 。 作者简介: 何春燕( 1981 ), 女, 硕 士研究生, 研究方向: 水资源开 发 利用与管理。 通讯作者: 何新林( 1966 ), 男, 教 授, 博士, 主 要从事农 业高效用 水 技术及农业信息化技术研究。
1 作物水分生产函数的研究
灌区的灌溉范围涉及整个当地, 因各地土壤 状况、气候、降 雨、作物以及农事不同 步等 差异 的结果, 各 地作 物生育 阶段 的 进程是不同步的。在此种情况下, 要适 时适量地 确保全灌区 农 田的灌溉, 必须 要实 时 掌握 灌区 范 围内 各地 农 作物 生育 期 进 程, 才能根据生育阶段满足其对水分 的需求。因 此灌区进行 优 化配水, 首先通过非充 分灌 溉试 验, 得 到作 物产 量和耗 水量 关 系的水分生产函数, 通过作 物水 分生产 函数 计算出 作物 产量, 从而建立灌溉渠系优化 配水 数学模 型, 使农 作物在 一定 气候、 土壤和农作物耕作等条件下获得最大增产效益。
灌溉渠系的优化配水问题可分为两类: 一是 以弃水或水 量 损失最小为目标的灌区各级渠道流量的优 化调度; 二是以某 种 指标最优为目标的灌溉水量分配[2] 。在干 旱半干旱地 区, 由 于 各灌区普遍缺水, 来水 与用 水矛 盾突出, 各 灌溉 用水部 门普 遍 感兴趣的问题是某次灌水时, 有限的灌 溉水量如 何在全灌区 进 行分配, 才能使各灌区净增产值最大或 使灌溉管 理部门的经 济 效益最高, 既水费 收入最 高。本 论文通 过田 间试验, 做 出了 棉
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 水决策, 通过实 例对模 型进行 了
求解。
关键词: 灌溉渠系; 水分生产函数; 优化配水模型
中图分类号: N 3
文献标识码: A
Research on Optimal Water Allocation Model of Irrigation Canal Systems
1. 1 田间试验
2007 年在兵团灌溉中心试验站进行棉花膜下滴灌的试验。 试验地点地理位置处于 N 43∀59', E 87∀22', 海拔高 度 551~ 557 m。常年降雨量 267 mm, 常年蒸发量 700 mm。灌 溉方式采 用 膜下滴灌。全 部 采用 宽窄 行种 植, 行距 0. 3 m+ 0. 6 m + 0. 3 m, 株距 0. 10 m, 一膜 4 行 2 管, 滴灌带 布置 在窄行 中间, 棉 花 品种选用新陆早 13 号。滴头流量 2. 6 L/ h, 滴头间距 30 cm, 滴 灌带间距 0. 9 m。试验地面积为 5 亩, 土壤质地为中壤土, 容重 为 1. 57 g/ cm3 , 田间持 水率 为 22. 4% 。 田间 土壤 水分 含量 采 用美国 CPN 公司的 503DR ! 9 中 子仪测 定。利用实 验中心 站 无人自动气象站记录影响作物生长和产量 的标准气象 参数, 主 要测量风速、风向、太阳辐射、空气温 度、土 壤温度、降雨量和 相
式中: M a 为 某阶段非充 分灌溉的 灌水定额; M m 为 某阶段充 分 雨量; G 为地下水补给灌 溉的灌水定额; P 为某 阶段有 效降量;
S W 为作物计划湿润层土壤储水量的变化量。
表 2 阶段蒸发蒸腾量与籽棉产量
编号 处理特征 1 充分灌溉
苗期
阶段腾发量/ mm 蕾期 花铃期
全生育期
籽棉产量/
为目标的灌区各级渠道流量的优化调度。在非充分灌溉试验的基 础上, 做出了西北 干旱灌区 棉花膜下 滴灌水 分生产 函
数。根据作物水分生产函数, 以农业效益和灌溉管理部门 总体的经济效 益最高为 目标, 建 立了灌 溉渠系 优化配 水模型。
在提高灌区经济效益的同时, 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
在干旱半干旱地区, 随 着工 农业生 产的 迅速发 展, 各部 门 需水量急剧增长, 水资 源供 需矛 盾更加 突出, 水 资源短 缺和 不 合理的用水方式导致生态 环境 恶化及 其抵 御自 然灾害 的能 力
收稿日期: 2009 02 10 基金项目: 国家 十一 五 科技 支撑 计划项 目( 2007BAC17B02) ; 新
方法求得。Байду номын сангаас
根据 Jensen 相 乘 模: 型, 式 中 的 作 物 实 际 蒸 发 蒸 腾 量
( ET a ) 与作物潜在蒸发蒸腾量(E T m )由田间水量平 衡原理计算 计算结果见表 2 。
ET a = M a + P + G + SW
( 4)
ET m = Mm + P + G + SW
( 5)
2
灌溉渠系优化配水模型研究 何春燕 何新林 蒲胜海 等
花膜下滴灌水分生产函数, 以此为基础 将农民收 入和灌溉管 理 部门的经济收入看成一个总体, 以其总 体的经济 效益最高为 目 标, 建立了灌溉渠系优化配水数学模 型。在提高 灌区经济效 益 的同时, 建立了 0- 1 线性整数规划模型, 对渠系 水量进行了 优 化调配。
分生产函数。通过试验成果确定作物缺水敏感指数 i 。 根据前述, Jensen 公式为:
n
∃ Y a / Y m =
( ET a/ ET m ) ii
( 1)
i= 1
式中: Y a 为各阶段产量; Ym 为充分 灌溉的 产量; ET a 为各阶 段 蒸发蒸腾量; ET m 为充分灌蒸发蒸 腾量; i 为作 物第 i 阶段 的 缺水敏感指数。
中国农村水利水电 ! 2010 年第 1 期
1
文章编号: 1007 2284( 2010) 01 0001 05
灌溉渠系优化配水模型研究
何春燕, 何新林, 蒲胜海, 王小兵
( 石河子大学水利建筑工程学院/ 兵团绿洲生态农业重点实验室, 石河 子 832000)
摘 要: 灌溉渠系的优化配水问题可分为两 类: 一是以某种指 标最优为 目标的灌溉 水量分配; 二是 以水量 损失最 小
注: 正 代表按各阶段充分灌水量进 行灌溉, 充分灌灌溉定额 为3 750 m3 / hm2; 其余各处理的灌水量为阶段充分灌水量乘以计划灌水系数。
1. 2 作物水分生产函数的求解
本模型的指数是通过 非充 分灌溉 试验 研究 的成果 分析 得
到的。根据 试验资料利用 Jensen 模型[3] , 求解棉花膜下滴灌 水
腾发量/
吐絮期
( kg ! hm- 2 ) mm
59. 73 110. 73 207. 19 29. 64 407. 29 4 129. 35
低下。供水与需水之间的平 衡关 系往 往不 能保 持。因 此合 理 利用有效水资源, 将有限的灌溉水量在 作物不同 生育期进行 优 化配置, 以获取更大的效益, 对指导农业生 产, 实 现流域农业 可 持续发 展 及 干 旱 区 水 资 源 的 可 持 续 利 用 具 有 重 要 的 科 学 意义[1] 。
对湿度等。 采用田间小区对 比试 验。试验共 设 12 个 小区, 每 个小 区
的形状为 50 # 5. 70= 285. 0 m2 。土壤 水分含量测 定的深度 为 每隔 10 cm 测定一次, 一直测 到 1m, 试 验共设 5 个处 理, 每 个 处理重复 2 次。左右 两个 边行小 区为 保护区。 棉花膜 下滴 灌 非充分灌溉试验处理如表 1。
HE Chun yan, HE Xin l in, PU Sheng hai , WANG Xiao bing
( K ey L abor ator y of O asis Eco lo gy Ag r iculture of X injiang Bingt uan, Colleg e of Wat er Conser vancy and A r chit ectura l Eng ineering , Shihezi U niver sity, Shihezi 832000, X injiang , China) Abstract: T he optimal wat er allocatio n of ir rigation canal system may divide int o tw o kinds: ir rig atio n water allocation and optimal scheduling. On the basis of no n full irr ig ation ex periment, w ater pr oduction function of cotto n dr ip irr ig ation under plastic film o f no rthw est dr ought ir rig atio n dist rict is achiev ed. A cco rding to cro p water pro ductio n functio n, an o pt imal w ater distr ibut ion mo del o f ir rig atio n canal system is established. W ith t he highest o vera ll g oal of economic benefits o f ag ricultur e benefits and ir rig atio n manage ment depar tments. T he economic benefit s o f the ir rig atio n distr ict is improv ed. In the meant ime 0 1 linear integ ral pr og ramming model is established fo r o ptimal r eg ulation of dischar ge in a distr ibut ion channel. T his model is suitable fo r the decisio n of optimal distr ibution under the conditions of the intake dischar ge . O ut let flow fo r each canal r ema ins co nstant w ith the ro tational ir rigation met ho d o f fix ed flow and v aried time . Solutions are found to the model thro ug h examples. Key words: irr ig ation canal system; water pr oduction functio n; optimal water allocatio n mo del
令 ln( Ya / Ym ) = Z, ln( ET a / E T m ) = X i, 并假 定因变量的 估
计值 Z 与多元自变量 X i 具有线 性关系, 则可 将此模 型转化 为 多元线性回归模型:
n
% Z = 1 x 1 + 2 x 2 + & nx n =
ix i
( 3)
i= 1
式中: i 为回归系数代 表水 分敏 感指标, 可 用多 元回归 最优 化
表 1 棉花膜下滴灌非充分灌溉试验处理
小区编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
各阶段 缺水 处理
苗期 蕾期 花铃期 吐絮期
正 正 正 正 正 正 正 正 70% 70% 正 正 正 正 正 85% 85% 正 正 正 正 正 85% 正 85% 正 正 正 正 正 正 70% 正 正 正 正 正 70% 正 正
对此乘法模型经过数学演绎的适当变 换, 可 化为多元线 性
回归方 程, 利 用 最 小 二 乘 法 原 理 求 回 归 系 数 的 最 优 解。 在
Jensen 乘法模 型中, 方 程 两边 同时 取 对数 转化 相 乘为 相 加 关
系得:
% ln
Ya Ym
=
n i= 1
i
ln
ET ET
a m
( 2)
1 作物水分生产函数的研究
灌区的灌溉范围涉及整个当地, 因各地土壤 状况、气候、降 雨、作物以及农事不同 步等 差异 的结果, 各 地作 物生育 阶段 的 进程是不同步的。在此种情况下, 要适 时适量地 确保全灌区 农 田的灌溉, 必须 要实 时 掌握 灌区 范 围内 各地 农 作物 生育 期 进 程, 才能根据生育阶段满足其对水分 的需求。因 此灌区进行 优 化配水, 首先通过非充 分灌 溉试 验, 得 到作 物产 量和耗 水量 关 系的水分生产函数, 通过作 物水 分生产 函数 计算出 作物 产量, 从而建立灌溉渠系优化 配水 数学模 型, 使农 作物在 一定 气候、 土壤和农作物耕作等条件下获得最大增产效益。
灌溉渠系的优化配水问题可分为两类: 一是 以弃水或水 量 损失最小为目标的灌区各级渠道流量的优 化调度; 二是以某 种 指标最优为目标的灌溉水量分配[2] 。在干 旱半干旱地 区, 由 于 各灌区普遍缺水, 来水 与用 水矛 盾突出, 各 灌溉 用水部 门普 遍 感兴趣的问题是某次灌水时, 有限的灌 溉水量如 何在全灌区 进 行分配, 才能使各灌区净增产值最大或 使灌溉管 理部门的经 济 效益最高, 既水费 收入最 高。本 论文通 过田 间试验, 做 出了 棉
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 水决策, 通过实 例对模 型进行 了
求解。
关键词: 灌溉渠系; 水分生产函数; 优化配水模型
中图分类号: N 3
文献标识码: A
Research on Optimal Water Allocation Model of Irrigation Canal Systems
1. 1 田间试验
2007 年在兵团灌溉中心试验站进行棉花膜下滴灌的试验。 试验地点地理位置处于 N 43∀59', E 87∀22', 海拔高 度 551~ 557 m。常年降雨量 267 mm, 常年蒸发量 700 mm。灌 溉方式采 用 膜下滴灌。全 部 采用 宽窄 行种 植, 行距 0. 3 m+ 0. 6 m + 0. 3 m, 株距 0. 10 m, 一膜 4 行 2 管, 滴灌带 布置 在窄行 中间, 棉 花 品种选用新陆早 13 号。滴头流量 2. 6 L/ h, 滴头间距 30 cm, 滴 灌带间距 0. 9 m。试验地面积为 5 亩, 土壤质地为中壤土, 容重 为 1. 57 g/ cm3 , 田间持 水率 为 22. 4% 。 田间 土壤 水分 含量 采 用美国 CPN 公司的 503DR ! 9 中 子仪测 定。利用实 验中心 站 无人自动气象站记录影响作物生长和产量 的标准气象 参数, 主 要测量风速、风向、太阳辐射、空气温 度、土 壤温度、降雨量和 相
式中: M a 为 某阶段非充 分灌溉的 灌水定额; M m 为 某阶段充 分 雨量; G 为地下水补给灌 溉的灌水定额; P 为某 阶段有 效降量;
S W 为作物计划湿润层土壤储水量的变化量。
表 2 阶段蒸发蒸腾量与籽棉产量
编号 处理特征 1 充分灌溉
苗期
阶段腾发量/ mm 蕾期 花铃期
全生育期
籽棉产量/
为目标的灌区各级渠道流量的优化调度。在非充分灌溉试验的基 础上, 做出了西北 干旱灌区 棉花膜下 滴灌水 分生产 函
数。根据作物水分生产函数, 以农业效益和灌溉管理部门 总体的经济效 益最高为 目标, 建 立了灌 溉渠系 优化配 水模型。
在提高灌区经济效益的同时, 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
在干旱半干旱地区, 随 着工 农业生 产的 迅速发 展, 各部 门 需水量急剧增长, 水资 源供 需矛 盾更加 突出, 水 资源短 缺和 不 合理的用水方式导致生态 环境 恶化及 其抵 御自 然灾害 的能 力
收稿日期: 2009 02 10 基金项目: 国家 十一 五 科技 支撑 计划项 目( 2007BAC17B02) ; 新
方法求得。Байду номын сангаас
根据 Jensen 相 乘 模: 型, 式 中 的 作 物 实 际 蒸 发 蒸 腾 量
( ET a ) 与作物潜在蒸发蒸腾量(E T m )由田间水量平 衡原理计算 计算结果见表 2 。
ET a = M a + P + G + SW
( 4)
ET m = Mm + P + G + SW
( 5)
2
灌溉渠系优化配水模型研究 何春燕 何新林 蒲胜海 等
花膜下滴灌水分生产函数, 以此为基础 将农民收 入和灌溉管 理 部门的经济收入看成一个总体, 以其总 体的经济 效益最高为 目 标, 建立了灌溉渠系优化配水数学模 型。在提高 灌区经济效 益 的同时, 建立了 0- 1 线性整数规划模型, 对渠系 水量进行了 优 化调配。
分生产函数。通过试验成果确定作物缺水敏感指数 i 。 根据前述, Jensen 公式为:
n
∃ Y a / Y m =
( ET a/ ET m ) ii
( 1)
i= 1
式中: Y a 为各阶段产量; Ym 为充分 灌溉的 产量; ET a 为各阶 段 蒸发蒸腾量; ET m 为充分灌蒸发蒸 腾量; i 为作 物第 i 阶段 的 缺水敏感指数。
中国农村水利水电 ! 2010 年第 1 期
1
文章编号: 1007 2284( 2010) 01 0001 05
灌溉渠系优化配水模型研究
何春燕, 何新林, 蒲胜海, 王小兵
( 石河子大学水利建筑工程学院/ 兵团绿洲生态农业重点实验室, 石河 子 832000)
摘 要: 灌溉渠系的优化配水问题可分为两 类: 一是以某种指 标最优为 目标的灌溉 水量分配; 二是 以水量 损失最 小
注: 正 代表按各阶段充分灌水量进 行灌溉, 充分灌灌溉定额 为3 750 m3 / hm2; 其余各处理的灌水量为阶段充分灌水量乘以计划灌水系数。
1. 2 作物水分生产函数的求解
本模型的指数是通过 非充 分灌溉 试验 研究 的成果 分析 得
到的。根据 试验资料利用 Jensen 模型[3] , 求解棉花膜下滴灌 水
腾发量/
吐絮期
( kg ! hm- 2 ) mm
59. 73 110. 73 207. 19 29. 64 407. 29 4 129. 35
低下。供水与需水之间的平 衡关 系往 往不 能保 持。因 此合 理 利用有效水资源, 将有限的灌溉水量在 作物不同 生育期进行 优 化配置, 以获取更大的效益, 对指导农业生 产, 实 现流域农业 可 持续发 展 及 干 旱 区 水 资 源 的 可 持 续 利 用 具 有 重 要 的 科 学 意义[1] 。
对湿度等。 采用田间小区对 比试 验。试验共 设 12 个 小区, 每 个小 区
的形状为 50 # 5. 70= 285. 0 m2 。土壤 水分含量测 定的深度 为 每隔 10 cm 测定一次, 一直测 到 1m, 试 验共设 5 个处 理, 每 个 处理重复 2 次。左右 两个 边行小 区为 保护区。 棉花膜 下滴 灌 非充分灌溉试验处理如表 1。
HE Chun yan, HE Xin l in, PU Sheng hai , WANG Xiao bing
( K ey L abor ator y of O asis Eco lo gy Ag r iculture of X injiang Bingt uan, Colleg e of Wat er Conser vancy and A r chit ectura l Eng ineering , Shihezi U niver sity, Shihezi 832000, X injiang , China) Abstract: T he optimal wat er allocatio n of ir rigation canal system may divide int o tw o kinds: ir rig atio n water allocation and optimal scheduling. On the basis of no n full irr ig ation ex periment, w ater pr oduction function of cotto n dr ip irr ig ation under plastic film o f no rthw est dr ought ir rig atio n dist rict is achiev ed. A cco rding to cro p water pro ductio n functio n, an o pt imal w ater distr ibut ion mo del o f ir rig atio n canal system is established. W ith t he highest o vera ll g oal of economic benefits o f ag ricultur e benefits and ir rig atio n manage ment depar tments. T he economic benefit s o f the ir rig atio n distr ict is improv ed. In the meant ime 0 1 linear integ ral pr og ramming model is established fo r o ptimal r eg ulation of dischar ge in a distr ibut ion channel. T his model is suitable fo r the decisio n of optimal distr ibution under the conditions of the intake dischar ge . O ut let flow fo r each canal r ema ins co nstant w ith the ro tational ir rigation met ho d o f fix ed flow and v aried time . Solutions are found to the model thro ug h examples. Key words: irr ig ation canal system; water pr oduction functio n; optimal water allocatio n mo del
令 ln( Ya / Ym ) = Z, ln( ET a / E T m ) = X i, 并假 定因变量的 估
计值 Z 与多元自变量 X i 具有线 性关系, 则可 将此模 型转化 为 多元线性回归模型:
n
% Z = 1 x 1 + 2 x 2 + & nx n =
ix i
( 3)
i= 1
式中: i 为回归系数代 表水 分敏 感指标, 可 用多 元回归 最优 化
表 1 棉花膜下滴灌非充分灌溉试验处理
小区编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
各阶段 缺水 处理
苗期 蕾期 花铃期 吐絮期
正 正 正 正 正 正 正 正 70% 70% 正 正 正 正 正 85% 85% 正 正 正 正 正 85% 正 85% 正 正 正 正 正 正 70% 正 正 正 正 正 70% 正 正
对此乘法模型经过数学演绎的适当变 换, 可 化为多元线 性
回归方 程, 利 用 最 小 二 乘 法 原 理 求 回 归 系 数 的 最 优 解。 在
Jensen 乘法模 型中, 方 程 两边 同时 取 对数 转化 相 乘为 相 加 关
系得:
% ln
Ya Ym
=
n i= 1
i
ln
ET ET
a m
( 2)