第２８卷第２期 石河子大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．２ ２０１０年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ａｐｒ．２０１０ 文章编号：１００７—７３８３（２０１０）０２—０２３７—０５ 田间渠系水量优化配置模型的应用研究 李俊峰 ，董先军。，杨广 ，何新林 ，韩志全。，陈伏龙 ，贾筱娟 （１现代节水灌溉兵团重点实验室／石河子大学水利建筑工程学院，石河子，８３２００３； ２石河子市石河子乡水管所，石河子，８３２０００；３石河子大学师范学院，石河子，８３２００３） 摘要：田间渠系水量优化配置是水资源优化配置的重要手段之一，对于缓解绿洲区水资源供需矛盾具有重要意义。 以玛纳斯河流域石河子乡灌区为绿洲区典型区域，根据该灌区实际情况分别建立了灌区来水大、小两种情况下的田 间渠系优化配水模型，采用Ｍａｔｌａｂ编制程序并进行了实例计算，得出了流量分别为ｌｍ３／ｓ和０．４ ｍ３／ｓ情况下的田间 渠系渠系优化配水方案，优化结果比预期节约时间分别为２６．４５ｈ和３５．１ｈ，结果表明两种模型划分出的轮灌组，划分 结构紧密、分布集中、有利于田问管理，方便运行，节约了灌水时间，在一定程度上缓解了水资源供需的矛盾。 关键词：优化配置；田间渠系；轮灌组；玛纳斯河流域 中图分类号：￥２７４．１ 文献标识码：Ａ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉｔｃｈ Ｗａｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ Ｍｏｄｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ａｒｅａ ＬＩ Ｊ ｕｎｆｅｎｇ ，ＤＯＮＧ Ｘｉａｎｊ ｕｎ。，ＹＡＮＧ Ｇｕａｎｇ ，ＨＥ Ｘｉｎｌｉｎ ， ＨＡＮ Ｚｈｉｑｕａｎ。，ＣＨＥＮ Ｆｕｌｏｎｇ ，ＪＩＡ Ｘｉａｏｊｕａｎ （１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｗａｔｅｒ－Ｓａｖｉｎｇ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｘｉｎｊ ｉａｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｒｐｓ／Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２００３，Ｃｈｉｎａ；２ Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｃｏｕｎｔｒｙ Ｗａｔｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２０００，Ｃｈｉｎａ；３ Ｔｅａｃｈｅｒ’Ｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｅｌｄ ｄｉｔｃｈ ｗａｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａ— ｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｄｅｍａｎｄ ａｎｄ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ ｏａｓｉｅｓ．Ｓｈｉｈｅｚｉ ｃｏｕｎｔｒｙ ｉｒｒｉｇａ— ｔｉｏｎ ａｒｅａｉ Ｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ａｒｅａ ｉｎ ｏａｓｉｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ，ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｄｉｔｃｈ ｗａｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ（ｇｒｅａｔ ａｎｄ ｌｉｔｔｌｅ ｃｏｍｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｑｕａｎｔｉｔｙ）ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅ－ ｔｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｌａｎｇｕａｇｅ ｍａｔｌａｂ．Ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｔｃｈ ｗａｔｅｒ ｓｃｈｅｍｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｔ ｓａｖｅｄ ２６．４５ｈ ａｎｄ ３５．１ｈ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｑｕａｎｔｉｔｙ（１ｍ。／ｓ ａｎｄ ０．４ｍ。／ｓ）．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｔｅａｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｔｏ ｍａｎａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｏｄｅｌｓ ｃａｎ ｓａｖｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｄｅｍａｎｄ ａｎｄ ｓｕｐｐｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ；ｆｉｅｌｄ ｃｈａｎｎｅｌ；ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｔｅａｍ；ｍａｎａｓ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ 灌区渠系大多由多级渠道组成，干、支渠为骨干 量减少无效弃水，并使上级渠道的输水时间趋向最 渠系，斗渠及斗渠以下各级渠道都称为田间渠 小 ＇ 。Ａ Ｒ Ｓｕｒｙａｖａｎｓｈｉ和Ｊ ＭｏｈａｎＲｅｄｄｙｃ。 以配 系 。田间渠系的优化配水研究，实际上是对灌 水渠道的总工程投资最小为目标建立了０—１整数规 区各级渠道流量进行优化调度 。通过划分轮灌 划模型，得出要使工程总投资最小，就得使同时输水 组和调配流量使上下级渠道水流能很好地衔接，尽 的子渠数达到最少。王智等嘲依据灌溉渠系的配水 收稿日期 ：２００９—１２－０１ 基金项目 ：国家科技支撑计划项目（２００７ＢＡＣ１７Ｂ０２） 作者简介 ：李俊峰（１９７７一），男，讲师，从事水资源高效利用与生态环境修复研究：ｅ－ｍａｉｌ：ｌｊｆ２０５＠１６３．ｃｏｒｎ。 通讯作者 ：何新林（１９６６一），男，教授，从事水文、水资源高效利用研究；ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｘｉｎｌｉｎ２００２＠１６３．ｃｏｒｎ。 ２３８ 石河子大学学报（自然科学版） 第２８卷 方式建立了一个渠系流量优化调配的０—１整数规划 的数学模型，并且用两个实例证明了用这一方法进 行渠系流量调配。吴泽ｌｌ。。针对灌溉渠系规划设计 及运行调度中渠道工作制度的选择问题，以总费用 量，即 （ｇ ｚ ）≤Ｑ 。 Ｊ＝ｌ Ｍ （３）支渠放水周期为Ｔ，∑ｍａｘ｛ ｔ ，Ｊ一１，２， ３，…，１１）≤Ｔ。 最小为准则，提出０—１模型，用以确定渠道经济工作 制度。吕宏兴 建立了适用于支渠以下各级配水 （４）０—１约束， 一０，１。 其中，Ｎ为斗渠数量，Ｔ为支渠道总来水时间，Ｍ为 放水的轮次，ｔ 为第Ｊ个斗渠放水时间，ｑ，为第Ｊ个 渠道的０—１整数规划模型，并提出了各轮灌组引水 时间均一化处理方法，使配水渠道进水闸能在同一 时间关闭。马孝义等［１ Ⅵ 以渠系输水损失最小为 目标，提出了以灌水组数最大和最长灌水组配水时 间，最小的二级目标优化配水模型及遗传算法求解 方法，并在对复杂渠系抽象概化的基础上，研制了一 种易于快速搭建、通用性强的渠系配水软件。 本文根据玛纳斯河流域石河子乡灌区的实际情 况，分别建立了灌区来水量大、小两种情况下的田间 渠系优化配水模型并进行求解，为加强水资源的合 理开发，实现区域经济、生态可持续发展提供前提条 件，从而进一步为该灌区水资源的合理配置提供科 学依据。 １ 田间渠系优化配置模型的建立 本文在考虑不同来水量时，主要以时间最短为 目标，使配水过程流量尽可能大，时间尽可能短，蒸 发和渗漏的损失尽可能小，效率尽可能高。通过综 合分析建立不同流量下时间最短为目标的二级渠道 优化配水模型。 １．１ 大流量时田间灌溉渠系配水优化模型 （模型一） 模型假设：在上级流量较大时（可同时给２个或 ２个以上的下级用水单位按满流量供水，或根据实 际问题定义），既可以多个斗渠同时放水时，目标函 数为配水时间最小。 １）决策变量： ，一｛０，１）。 其中ｉ为轮灌分组序数（ｉ一１，２，…，ｍ），Ｊ为下 级渠道序数（ 一１，２，…，ｎ），ｚ 的取值约定如下： ｆ０， 当下级渠道未被编入轮灌组中 ｌ１， 当下级渠道被编人轮灌组中 中第２个下标相同时为同一条渠道， Ｍ ｍｉｎＺ】：∑ｍａｘ｛ ｔ，，Ｊ一１，２，３，…，１１｝ ｉ一１ ２）约束条件： （１）每个斗渠在所有编组中有且只有一次放水， Ｍ 即 ｚ 一１。 （２）每个编组放水时斗渠水量之和不超过来水 斗渠放水流量，Ｑ为支渠来水流量，叩为支渠来水利 用系数。 １．２ 小流量时田间灌溉渠系配水优化模型 （模型二） 模型假设：假设在缺水期支渠来水量较小（不存 在２个斗渠一起放水），为方便配水，需进行编组配 水，每个编组时间总长已知且相等，记为 ，此时希 望配水安排得既紧凑，又可尽早结束配水，所以前 Ｍ轮编组浪费的时间和总轮数最少。 １）决策变量： Ｍ Ｎ ｍｉｎＺ２一∑（Ｔｏ～∑ …ｔ）。 ２）约束条件： （１）每个斗渠在所有编组中有且只有一次放水， Ｍ 即∑ ：１。 ｉ＝１ （２）每个编组内放水时间之和不超过编组上界， Ｎ 即 一∑ｚ ｚ， ０。 （３）Ｏ一１约束，即３７ 一０，１。 其中，Ｎ为斗渠数量，Ｍ为放水的轮次，ｆ，为第Ｊ个 斗渠放水时间。 故型目标可简化为：ｍｉｎＺ。一Ｍ。 故模型可转化为：ｍｉｎＺ。一Ｍ： Ｎ ｆ 一∑ …ｔ ０（ １，２，…，Ｍ）； ｛∑ ，一１（ｌ Ｍ 一１，２，…，Ｎ）； 【ｚ 一０，１（ｉ＝１，２，…，Ｍ，Ｊ一１，２，…，Ｎ）。 ２石河子乡灌区田间渠系水量优化配 置模型研究 ２．１研究区概况 石河子乡灌区属玛纳斯河流域，地处欧亚大陆 腹地，气候干燥，属典型的大陆性干旱气候。灌区 东、西、南三面环抱石河子市，现有耕地０．８４万 ｈｍ ，位于冲洪积扇扇缘地带。灌区有３条干渠引 水，干渠全长２８．８ｋｉｎ，渠系水利用率已达０．９以 上［１“¨］。研究区石河子乡二宫灌区位于石河子乡 第２期 李俊峰，等：田间渠系水量优化配置模型的应用研究 灌渠高速公路以南，总灌溉面积２．８×１０。ｈｍ。，是石 河子乡重要产棉区，夏灌期间为棉花用水的关键期， 玉米、西红柿也需要灌水，由于受干渠来水量的影 二宫灌区二支渠的夏季来水进行优化配置，主要选 取夏季的流量为ｌｍ。／ｓ、１．５ｍ。／ｓ、２．０ｍ。／ｓ，确定最 小总放水时间。春秋两季由于来水量较少相对缺 水，在配置时采用分组轮灌、组间续灌、组内轮灌的 响，此时供需予盾较为突出。石河子乡二宫灌区二支 渠来水最小达到０．４ ／ｓ，最大为２．Ｏｒｎ３／ｓ，大流量在 ６～８月，通常为１～２．Ｏｍ３／ｓ；小流量主要出现在４～６ 灌溉制度，配水模型采用模型二，确定最小轮次，选 取流量０．４ｍ。／ｓ。 月和９～１Ｏ月２个时期，通常为０．４～１．Ｏｍ３／ｓ。二支 渠各放水口参数见表１。 模型的解算采用Ｍａｔｌａｂ编写模型的应用程序 进行求解。 根据实际情况，本文在实例计算中，用模型一对 二宫干渠 ，二斗 — 一斗 、 三斗 ， 、 四斗 五斗 、 — 支 渠 六斗 六斗 七斗 八斗 九斗 图１ 石河子乡二宫灌区引水示意 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｍａｐ ｏｆ ｓｈｉｈｅｚｉ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ 图２二支渠渠系示意 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｄｙｋｅ ｓｙｓｔｅｍ 表１ 二支渠相应各放水口设计流量和控制面积参数Ｉ２００７年） Ｔａｂ．１ Ｄｅｓｉｇｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅａ ｐａｒａｍｅｔｅｒ（２００７） 斗渠序号 Ｑ一１ｍ ／ｓ 流量Ｑ／ｍ。／ｓ渠道水利用系数 Ｑ＝ｏ．４ｍ。／ｓ 放水时间 ／ｈ 流量Ｑ／ｍ。／ｓ渠道水利用系数 放水时间 ／ｈ ２４０ 石河子大学学报（自然科学版） 第２８卷 ２．２大流量时，渠系优化配水模型的应用 由长期配水经验知，配水总时间为１５天，所以 本文预计配水总时间丁一３２０ｈ。 ２．２．１模型基本参数 Ｎ一１１，叩一０．９５，Ｑ一１ｍ。／ｓ。 ２．２．２优化配置结果 Ｍ １）Ｍ＝４，∑ＩＴＩａＸ｛ ｔ ， 一１，２，３，…，】１）一 ｉ＝ｌ ２９３．５５； １２＝ ｌ ３＝‘ｚ１ ４＝ ｌ７：１，ｚ２５＝ ２１一ｚ２６：１， ３８ ３９ ３．Ｉ１ １， 一１，其它为０，即配水渠一支渠内有４个轮 灌组就可以满足该次配水要求。 ２）４个轮灌组为①引水斗渠２、３、４、７；②引水斗 渠５、１、６；③引水斗渠８、９、１１；④引水斗渠１０。同 样也是轮灌组之间实行续灌，组内实行同时灌。 ３）优化后总放水时间２９３．５５ｈ，比预期节约时 间为２６．４５ｈ。 ４）利用同样程序将不同流量和预计配水时间 输入模型，结果综合对比如下： 从以上结果可以看出，模型一的优化结果随着流 量的增加，节约用时会渐渐减少。这是合理的，因为 当流量很大时就没有优化的必要，最优解很容易看 出，而优化配水的意义主要是在来水少时才更有意 义。 表３二支渠不同来水量情况下优化配置结果 Ｔａｂ ３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ ２．３ 小流量时，渠系优化配水模型的应用 斗渠设计流量不变，秋季每个斗渠控制面积相 对减半（此时不是所有的地都需要浇水），相应放水 时问如表２，为方便配水，需进行编组配水，每个编 组时间总长已知且相等，记为丁ｏ。由长期配水经验 可知，每个编组配水时间是５天，所以预计配水总时 间Ｔ 一４８０ｈ。 ２．３．１模型基本参数 Ｎ：１１，刀一０．９５，Ｑ一０．４ｍ。／ｓ。 ２．３．２优化配置结果 （１）Ｍ一４，Ｚ２—３５．１， １４＝ １８＝ １．¨一１，ｚ２５一 ｚ２７一 ２９—１， ３３ ３６ ３．１ｏ １， 一ｚ 一１，其它为零即配水渠一支渠内有４ 个轮灌组就可以满足该次配水要求。 （２）４个轮灌组为①引水斗渠４、８、１１；②引水斗 渠５、７、９；③引水斗渠３、６、１０；④引水斗渠１、２。同 样也是轮灌组之间实行续灌，组内实行轮灌。 （３）四轮完成预计时间为４８０ｈ，优化后４０４．９ｈ， 节约时问７５．１ｈ。 ３ 结论 ３．１ 优化结果对供水周期的影响 模型一给出了来水较大（Ｑ—ｌｍ。／ｓ时）灌区的 轮灌制度，４个轮灌组分别依次：①引水斗渠２、３、４； ②引水斗渠５、１、６；③引水斗渠８、９、１ｌ；④引水斗渠 １０。化后总放水时间２９３．５５ｈ，比预期节约时间为 ２６．４５ｈ。 模型二给出了来水较小（Ｑ一０．４ｍ。／ｓ时）灌区 的轮灌制度，４个轮灌组依次为：①引水斗渠４、８、 １１；②引水斗渠５、７、９；③引水斗渠３、６、１０；④引水斗 渠１、２。四轮完成预计时间为４８０ｈ，优化后４０４．９ｈ， 节约时间７５．１ｈ。就现有的资料来看，ＭＡＴＩ ＡＢ划 分出的轮灌组，划分结构紧密，分布集中，有利于田间 管理，方便运行，也在一定程度上节省了劳力。 ３．２优化结果对供需矛盾的影响 从优化轮灌组划分方面来看，ＭＡＴＬＡＢ得到 了最小轮灌组数目，这是渠系优化配置是最想得到 的一个结果，提高了灌水效率。这四个轮灌的划分 之间跨度不大，遵循了尽可能满足相邻渠道划分在 同一个轮灌组内的原则，从时间和空间上都做到了 优化的结果。本优化模型结果对灌区水量时空分配 作出最优决策，节约了灌水时间，使作物能按照需水 要求以最佳时间段及时适量得到灌溉，明显提高了 灌水效率，在一定程度上缓解了水资源供需的矛盾。 参考文献： ［１］沈佩君，段野屏．引丹灌区优化调度的模型及方法Ｉ－Ｊ３． 第２期 水利学报，１９９１，（３）：１－９． 李俊峰，等：田间渠系水量优化配置模型的应用研究 型［Ｊ］．灌溉排水，１９９２，１１（３）：８－１３． ２４１ ［２］汪志农，熊运章．灌溉渠系配水优化模型的研究［Ｊ］．西 北农业大学学报，１９９３，２１（２）：６６—６９． ［１Ｏ］吴泽，张平山，吴 东．渠道经济工作制度Ｏ一１规划 模型口］．水利经济，１９９５，（２）：３９—４３． ［１１］吕宏兴，熊运章，汪志农．配水渠道轮灌组合优化模型 ［３］张文渊．灌区水量优化分配与轮灌农渠最佳组合管理技 术［Ｊ］．农业与技术，１９９９，１９（１）：７－１０． 与引水时间的均一化处理［Ｊ］．中国农村水利水电， ２０００，（１）：４６—４８． Ｅ４］李周．化解西北地区水资源短缺的研究［Ｍ］．北京：中 国水利水电出版社，２００４． ［１２］马孝义，于国丰，何自立．渠系配水优化编组通用化软 件的研发与应用［Ｊ］．农业工程学报，２００５，２１（１）：１ｌ９— ［５］玄光男，程润伟．遗传算法与工程优化［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，２００４． ［６］汪新红，王绍琴．新疆地表水地下水的优化调度［Ｍ］．乌 鲁木齐：新疆科技出版社，２００２． Ｅ７］崔远来．非充分灌溉优化配水技术研究综述［Ｊ］．灌溉排 水，２０００，１９（１）：６６～７０． Ｉ－８］Ａ Ｒ Ｓｕｒｙａｖａｎｓｈｉ，Ｊ Ｍｏｈａｎ Ｒｅｄｄｙ．Ｏｐｔｉｍａｌ 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