灌区水资源优化调度及智能控制策略的研究

日期:2021-01-13 作者: 硕博论文网 编辑:vicky 点击次数:139
论文价格: 150元 论文编号: sb2021010711064034132 论文字数:32125 所属栏目:工程硕士
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
本文是一篇工程硕士论文,本文较系统的介绍了灌区调度的研究现状与发展趋势,结合灌区水资源的作物需水量和水库供水量的特点,分别建立了需水模型、供水模型及调度优化模型,
本文通过优化算法,得到最优的配水方案,既达到灌区整体较高的经济效益,又提高水资源利用率。主要研究成果如下:1)灌溉水资源优化调度框架。本文提出了多模型的灌区灌溉水资源优化调度过程,整个框架包括了作物需水、水源供水及控制调度等模块对整个灌区进行优化调度,考虑如何实现灌溉水资源在作物各个阶段生长的供需水量平衡目标,研究了使整个灌区作物供需水量缺水率最小的最优化方案。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
我国一直是以农业发展为基础的农业大国,农业的发展离不开对地球水资源的开发和利用。这里说的水资源是指海水或污水通过一定的经济技术,变成人类直接可以使用的淡水。许多年来,农田灌溉事业占据着国民经济的主体地位,农业灌溉用水大都来自对地下水的开采,但是随着低下水位逐渐降低,开采难度越来越大,那么研究地表水水资源的利用是缓解地下水过度开采的重要措施。地表水包括陆地表面形成的径流及地表贮存的淡水(如江、河、湖、水库等)。我国大型灌区大都临近水源丰富的大江大河流域,研究大型灌区可用地表水的利用即是研究灌区附近江、河、湖泊及水库等多水源的开发和利用。
1.1.1 我国大型灌区现状
我国自改革开放以来,农业方面发展越来越迅速,作物产量日渐增多,国家越来越重视灌区的发展,尤其是大型灌区的用水、需水、供水问题。灌区内水资源不仅供农业使用,还供工业、生活、生态建设需水使用,所以研究大型灌区的发展是我国经济和社会的需要[1]。大中型灌区的分类如表 1 所示。
表 1 我国大型灌区分类
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1.2 国内外研究进展与趋势
研究学者对水资源的研究较早,主要是以全球水资源调度角度和优化两方面对水资源的利用率及经济效益出发做研究。下文对水资源的优化调度技术与研究成果进行综合讨论。
1.2.1 国外研究现状
19 世纪初期,水资源系统被广泛的研究分析,引起国内外众多学者的极大关注。针对水资源合理优化调度等问题,国外的研究学者在很早之前就有了研究,早在 20 世纪 40 年代,Masse 提出水资源调度理论,为今后水资源的研究奠定了理论基础[6]。随着时间的推移,计算机技术的不断发展,在水资源优化调度领域有了新的方法和技术。1955 初,美国陆军工程师提出了水资源水库优化模型,首次将优化理论应用到水库水资源领域,并将这个模型在实际河流中得到了广泛应用[7]。1961 年,Moore 根据具体灌区作物灌溉结构,研究单位时间内水资源不足时的作物生长需水量的问题,通过时间函数优化分配水源供作物生长需要,从时间领域提高了水资源利用效率[8]。1962 年,Masse 等人将水资源优化理论应用于评价经济开发项目上,提高整体的经济水平[9]。到了七八十年代,随着系统理论的不断完善,各类模型应用而生,出现了的大量的研究成果,主要以机遇约束线性规划模型的发展为基础。1967 年,Flinn 和 Musgrave 结合当地灌区灌溉供需水调节模式,分析年内的水量利用现状,并将年内总水量在各个季节合理配置,以季节性灌溉模式优化灌区水资源[10]。1971 年,Joeers 将计算机技术应用到水资源利用领域,结合加州流域的地理特征,研究灌区的供水效益,从水资源整体利用角度,增大农场的经济效益[11]。1973 年,Dublye 和 Burt 等人运用动态规划理论和技术,研究流域灌区内多水库之间的管理工作,采用多水库联合供水的技术,实时调度流域内各个水库的工作机制,取得了较好的效果[12]。1976 年,Rogers 结合多目标优化理论,根据具体的规划理论,建立了多目标优化模型,为后期研究流域规划做出巨大贡献[13]。1979 年,Bras 和 Cordova 结合具体灌区作物生长需水量,研究了在作物整个生长周期内灌溉水量的分配情况,对当地灌区农业发展有积极的贡献[14]。1982 年Person 根据具体地区灌区配水结构,结合二次规划理论和渠系配水原则,建立了灌区以经济效益最大的优化模型[15]。1983 年,Raju 等人研究水资源较短缺地区的共同特点,结合 DP 理论和方法,将部分地区水库可用水量,经过优化模型后,得到更好的配水方案[16]。1992 年,Watkins 结合不确定性理论和方法,构建节水型水资源规划方案,为后人研究水资源调度决策奠定良好的基础[17]。2002 年,Mckinney将流域的地理信息进行充分的考察和对比,建立了以流域为基本单元的优化配置理论[18]。2005 年,Jonathan 和 Stephen 结合模糊理论,对灌区水资源的利用率的有很大程度的改善,对全球水资源的充分利用做出了贡献[19]。2014 年,Laura Reada 和Kaveh Madani 研究里海地区水资源在流域输配送过程中的最短配水路径及其稳定性,有效减少水资源浪费[20]。
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第 2 章 基本理论和技术

2.1 灌溉制度
灌溉制度是指导灌区规划和管理用水的重要依据,灌溉制度可分为充分灌溉制度、非充分灌溉制度及节水灌溉制度。灌溉技术可分为充分灌溉技术、非充分灌溉技术和节水灌溉技术。
2.1.1 灌溉制度理论研究
灌溉制度的目的,是要利用适量的水资源产出最佳的经济效益。灌溉制度是在气候适宜,土壤良好,供水充足等条件下,向指定作物区域灌水的方案。灌溉制度与作物种植种类、自然条件以及农业技术密切相关,主要包括作物的灌溉定额(总灌溉需水量)、灌水次数(月、旬或周)、灌水定额(单次灌溉的水量)以及灌水时间(决策者结合灌区作物生长阶段)。
灌溉制度又分为充分灌溉制度、非充分灌溉制度和节水灌溉制度。本文主要研究作物在非充分灌溉制度和节水灌溉制度下的灌溉制度,固定的灌水次数和灌水的时间,根据不同的灌水定额灌溉作物,达到灌区作物的增产模式和水资源可持续发展的目的。下面分别介绍一下灌区作物的充分灌溉制度、非充分灌溉制度和节水灌溉制度。
1)充分灌溉制度
充分灌溉指通过灌溉措施,使作物在各个生育阶段处于最优水分状态,使作物产量最高。包括有效降雨量满足作物生长和水库或渠系中有充足的灌溉水,那么这个时期的作物生长就是处于充分灌溉下的制度,土壤可以储备充足的水,供作物生长吸收。但是由于天气原因,当天气晴朗时,大部分水分会蒸发,同时作物在有光照的情况下,快速的生长,蒸腾量也在增加。作物生长的土壤水分迅速减少,如果得不到及时的补充,就会影响作物的生长。
2)非充分灌溉制度
在水资源有限的干旱缺水地区,可用的灌溉水量不能满足全灌区有效灌溉面积上充分供水的要求。此时,不能追求单位面积产量最高,而应根据作物产量与灌溉需水量的关系,以获得灌区最大农业经济效益为原则制定作物的灌溉制度称为非充分灌溉制度。允许作物某阶段不实行灌溉或得不到充分灌溉,产量影响较低;将节约下来的水资源扩大实际的灌溉面积或者重新分配给影响产量大的时期,使灌区农业生产的总经济效益达到最大,也可以优先向特殊作物,或者产量高的作物灌溉,目的是将优先的水分配给决策者偏好的地方。
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2.2 优化调度理论及模型
水资源优化调度(optimal regulation on water resources)采用系统分析方法及最优化技术,研究有关水资源配置系统管理运用的各个方面,并选择满足既定目标和约束条件的最佳调度策略的方法。水资源优化调度是水资源开发利用过程中的具体实施阶段,其核心问题是水量调节。在需水过程和系统硬件已定的情况下,水资源优化调度就是充分利用天然径流的不同步性和各个水库库容特性的差异,最大限度地发挥水资源的综合利用效益。随着信息技术的不断更新,出现了很多优化方法,比如常见的有非线性规划、动态规划以及智能算法等等加速的水资源优化和开发利用。
水资源调度技术包括建模技术、需水预测和方案评价。
1)建模技术。根据研究对象的实用性和求解技术的可行性,系统调度模型可以分为优化和模拟两种常见的技术。但是无论采用哪种技术,水资源调度的数学模型需要结合生态水资源平衡、水资源供给平衡以及水环境的治理平衡。模拟模型易操作,较使用,而优化模型需要先确定目标函数和约束条件,通过一定的求解技术,找到最优解的过程,对模型的参数制定和实用性检验。
2)需水预测技术。对水资源进行用水预测,包括灌区用水预测和水库引水预测,是进行水资源调度的前提,根据多种因素,随着社会和环境的变化,结合历史数据和经验,配合相关技术手段和预测方法,对下个阶段或者更远时间的需水量的计算和预测,并选出科学合理的预测结果。
图 3 模型构建思路流程图
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第 3 章 需水模型........................22
3.1 需水要素分析..................................22
3.1.1 需水量影响因素............................22
3.1.2 其他影响因素........................24
第 4 章 供水模型..............................31
4.1 灌区平衡分析及影响因素................................31
4.2 供水调度规则......................32
4.3 供水模型建立........................34
第 5 章 控制调度模型..............................39
5.1 控制调度规则...........................39
5.2 控制模型建立................................40
5.3 控制模型求解........................42

第 5 章 控制调度模型

5.1 控制调度规则
灌区水资源优化调度主要是提高水资源利用率,既可以达到较高的经济水平,也可以达到节水灌溉的目的,这就要考虑灌区在不同灌溉条件下的调度问题。第四章研究了灌区引水水库有外调水源的补水水库时,通过远程调水,满足灌区灌溉用水。若补水水库也处于水资源紧缺情况下,或者远程调水的成本太高,则只能利用现有水资源进行水库的优化调度。本章研究灌区需水量得不到满足时,灌区引水水库进行节水灌溉的调度过程。
在供需平衡条件下,即灌区水源供水可以满足灌区内各子区作物的阶段需水量,无论是引水水库本身有足够的水量还是通过调水过程满足灌区需水量,均可以实施充分灌溉模式。一般情况下,灌区水资源比较短缺,在第四章介绍了当引水水库可供水量不足时且可以从其他水库调水满足灌溉要求,通过比较作物缺水影响的产量效益和远程调水产生的经济费用,得到最佳的配水方案,则可以通过调水完成作物灌溉任务。若远程调水经济成本太高,或者补水水库没有补水能力时,则不能实施外调水计划,那么将水源地可供使用的水合理的分配给灌区灌溉,实施节水灌溉是本章研究的重点。
节水灌溉是在非充分灌溉基础上发展的,主要研究总水量一定的情况下,通过某个标准,重新分配作物各个阶段的灌溉用水,达到某个指标最优。本章通过研究引水水库水资源不足时,通过优化模型,将水库里可供水量经过优化后以作物整个生育周期内缺水率最小为目标,得到合理的供水方案,将水库的供水水量分配给灌区各个阶段生长,并取得较理想的高产水平。
图 4 作物产量和灌溉水量的关系
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结论
本文较系统的介绍了灌区调度的研究现状与发展趋势,结合灌区水资源的作物需水量和水库供水量的特点,分别建立了需水模型、供水模型及调度优化模型,通过优化算法,得到最优的配水方案,既达到灌区整体较高的经济效益,又提高水资源利用率。主要研究成果如下:
1)灌溉水资源优化调度框架。本文提出了多模型的灌区灌溉水资源优化调度过程,整个框架包括了作物需水、水源供水及控制调度等模块对整个灌区进行优化调度,考虑如何实现灌溉水资源在作物各个阶段生长的供需水量平衡目标,研究了使整个灌区作物供需水量缺水率最小的最优化方案。
2)通过对灌区水资源供需优化调度模型进行分析,本文主要研究了有外调水源和无外调水源供水两种情况下的优化调度方案,合理调度水源并向作物各个生育阶段进行输配水的方案,尽可能使灌区作物生长需水的供需平衡,实现了节水灌溉的目的。通过整体研究需水模型、供水模型及调度模型,结合灌区控制策略,对大型灌区的节水灌溉研究更加有意义,为今后灌区水资源优化调度及智能控制研究提供理论依据。
文章对灌区水资源优化调度的理论方法以及技术进行了初步的研究,得到了以上的研究成果,但是还存在不足之处以及以后的研究方向,本文提出的理论性方法为灌区资源优化调度及智能控制研究提供理论依据,现实生活中的情况很复杂,如何将理论与实践相结合,运用到现实生活中是最终目的。
参考文献(略)

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