扬水灌区灌溉优化调配的研究现状

1.3.1　扬水灌区灌溉优化调配的研究现状

扬水灌区灌溉优化调配包括梯级泵站优化调度、全渠系优化配水、田间优化配水和用电优化调度等内容。目前，扬水灌区灌溉优化调配的研究在国内外还不多见，已见的研究中，都是将扬水灌区灌溉优化调度的几个内容分开研究的。

1.3.1.1　梯级灌溉泵站优化调度

在国内外，高扬程梯级灌溉泵站优化调度的研究时间不长，研究实例还不多见。梯级灌溉泵站优化调度的主要内容是多级站间优化，泵站内的机组优化。

高占义(1990)采用动态规划对单站多机组的优化开机组合进行了研究，采用模拟技术对两级站的优化开机配合进行了研究，其耗能结果与同年该系统的实际能耗对比，年节能率7.55%。白宪台等(1992)进行了高扬程多级抽水灌溉系统站库联合优化调度研究，通过子系统优化(多级泵站优化调度、灌区内中型水库优化调度和干渠直灌部分优化配水)和大系统协调(全灌区整体优化)，求得总体优调方案。在子系统优化中，运用计算机模拟技术，为多级站优化运行得出了不同水源水位和需水流量下各级泵站开机台数的优化组合方案。在大系统协调中，考虑灌区内水库的调蓄作用，将多维动态规划模型与配水模型相结合，巧妙的解决了时空协调优化问题。李继珊等人(1992)提出了自优化模拟技术与动态规划相结合的变时、变阀、变速优化调度数学模型，采用变速优化调度，由于实现了无级变速，故可有效的消除级间弃水，提高水泵机组的运行效率，节电率为17.42%;采取变时优化调度节电14.45%;采取变阀优化调度节电2.2%。然而变时优化调度管理不便，变速优化调度需新增调速机构，工程投资大，只有变阀调节进行优化调度运行管理方便。汪益三等人(1993)研究了一个五级泵站级间水量合理调配问题，以及泵站内部机组优化调度的问题。级间水量合理调配，选用了离散微分动态规划法进行优化计算;对泵站内部机组优化调度分别建立了梯度法调速模型、轴流泵站机组的动态规划调角模型及机组的优化组合运行模型，计算成果可获得一套图表，供参考使用。

1.3.1.2　渠系优化配水

传统的渠系用水计划，以全灌区均衡受益、全面增产的原则来考虑灌溉水量的分配，它既没有直接考虑用水单位的灌溉效益，也不考虑供水部门的经济效益，这种配水方式的实质是按灌区多年来形成的一种固定的计算配水比的方法(按毛灌溉需水量、灌溉面积或劳务投资比例等)来分配水量。这无疑很难保证按作物的需水规律来供水，也不可避免地会造成灌溉水量的严重浪费和输水损失。

在传统配水基础上发展起来的优化配水方法比传统方法更为科学。所谓渠系优化配水，是指在配水渠道及其下级渠道过水能力一定的条件下，为满足农作物某次灌水的要求，对下级渠道进行轮灌编组和排序，使其配水历时不超过配水渠的配水周期，又使配水渠的流量过程线与下级渠道闸门的开关次序相匹配，并使总配水时间趋向最小。国外许多学者已对渠系水量的优化分配做了大量的研究工作。国内的许多学者近年来也做了不少研究工作。

虽然扬黄灌区全渠系优化配水尚未见报道，但对水库灌区和自流灌区渠系优化配水有一定的研究。周振民(1992)在各类作物最优种植面积已经确定的情况下，建立了轮灌时间最短的优化配水模拟模型，在尽量保证干渠以最大过水能力引水的情况下，调整支渠的灌水顺序和引水量，使引水干渠灌水时间最短，则支渠的灌水顺序和引水量为轮灌时间最短的优化配水方案，实例计算表明：优化配水比常规灌一次缩短轮灌时间4天左右。王智等(1992)提出了在一定轮期和上级来水流量限制条件下，下级配水渠最优组合及其配水时间最优化排序的一种0-1目标规划模型，实例计算表明：这种方法可以推算配水渠内最优流量过程线及出水口的最佳组合，有效减少无效弃水和闸门调节的次数，又能使流量过程线更加平稳。吉光泽(1992)建立了渠系优化配水轮灌编组的0-1目标规划模型，计算结果表明：优化配水比以往轮灌周期缩短35小时，灌水定额每公顷减少300立方米以上，节水效果显著。但是，由于土地不平，沟畦规格过大，用水管理不善和水费标准偏低等因素，限制了优化配水效果的充分发挥。汪志农(1993)建立了半干旱地区两个不同目标函数的续灌渠系某次优化配水的线性规划模型：一是某次灌水全灌区净增产效益最大;二是某次灌水整个灌溉管理部门的水费收入最高。采用前一种模型，以水分生产函数为基础，可求出全灌区某次灌水的净增产效益，各渠系各单位充分灌溉、非充分灌溉的面积，灌水定额以及斗口水量和配水比例等;采用第二种模型，可计算出全灌区最优的水费收入、各单位的灌溉面积、斗口水量、正常流量、放水时间及配水比例等。还可随渠首来水流量，自动进行渠系轮灌组的划分，并确定出轮灌组的配水流量与放水时间。

1.3.1.3　田间优化配水

目前，国内外对田间优化配水已有一定的研究。田间优化配水就是当有效供水受限时，对作物的灌水量和灌水时间的优化安排。田间优化配水主要有两种类型：一是田间灌溉水量在作物间的优化分配，主要是将水分生产函数与经济分析结合在一起，建立田间灌溉水量分配模型，用以确定节水灌溉条件下各种作物的灌溉定额及相应的灌溉水量;二是某种作物节水灌溉制度的优化设计，其方法有动态规划法、模糊规划法和存贮模型。袁宏源等(1990)以旱作物的水分生产函数为目标函数，得出了一个具有二维状态及二维决策的多维动态规划模型，采用动态规划逐次渐近法(DPSA)求解供水不足条件下的农作物的最优灌溉制度。张展羽、李寿声等(1994)以Logistic函数拟合的干物质相对累积比为目标函数，提出了非充分灌溉制度的二维动态规划模型。郭宗楼(1994)以土壤水分运动及作物水分生产函数研究为基础，建立了求解作物灌溉制度的非线性优化模型，采用了简约梯度法求解，模型是合理的。郭宗楼(1994)建立了一个具有两个状态变量和一个决策变量的旱作物节水灌溉制度的DP模型，采用了逆序递推法求解。郑仁塘等(1993)基于作物水分生产函数，采用等损失率法对农作物水量及缺水损失进行了研究。张展羽、李寿声等(1993)将作物腾发条件下土壤水分的消长函数概化为线性和非线性两部分，将不同生育阶段的灌溉水量处理为模糊决策变量，在作物腾发与产量相乘模型的基础上建立隶属函数，用模糊动态规划的方法确定作物的非充分灌溉制度。

1.3.1.4　扬水灌区泵站用电优化调度

这方面的研究还未见报道。

1.3.1.5　灌溉系统微机管理

利用微机进行灌区灌溉用水管理是近二十多年来灌区用水管理现代化的重大发展。扬水灌区灌溉系统微机管理研究尚未见报道，但自流引水灌区灌溉系统微机管理已有大量研究。

美国农业部和哈佛大学(1971)开发的适用于水库灌区和井灌区的“灌溉系统模拟研究”的软件，能模拟一个灌溉系统几种不同等级的决策活动，同时还能考虑灌溉用水对不同作物的影响。保加利亚学者迪木塔·达维多夫在文献中阐述了大型灌溉工程的长远计划和短期运行管理的主要管理问题以及作为管理工作基础资料的信息系统的主要要素，叙述了在有限供水条件下的通用管理的数学模型，讨论了模型的主要原则以及灌溉系统管理中使用的一些具体的优化办法，并编制了计算机实时运算的一个程序包。在水供不应求的情况下，通过优化，可以把用水分配给不同作物的灌水单元。英国学者M.J.哈姆林等在文献中介绍了根据缺水情况发展灌溉的计算机模拟模型和缺水条件下的灌溉制度。荷兰学者A.E.M.范维尔斯特恩在文献中介绍了需水预报和供水计划模型、数据库、计算程序和以报告形式向运行人员提供渠系所需的每周输水量，开发出一个称为配水计划及监视的计算程序。斯里兰卡学者O.J.班达拉哥达在文献中介绍了斯里兰卡的一个微机模拟模型的实例，这对复杂灌溉系统的实际水管理和作物生产是一个有用的工具。联合国粮农组织推荐应用CROPWAT和STWYIELD(或RICEYLD)开发软件组成灌溉管理模型。模型的计算步骤是：作物参考腾发量→作物需水量→灌溉需水量→渠系需要供水量→渠系可能供水量→充分灌溉计划或非充分灌溉计划→渠系运行调度指令。该模型把气象、土壤、水量和作物四个要素建立了相互联系、相互制约的多个关系式，目标就是使有限的水资源发挥最大的生产效率。

20世纪70年代末期，尤其是20世纪80年代以来，我国针对灌区存在的突出问题，开展了灌区管理方面的软、硬件开发研究。江仪贞(1989)提出了一种以微机为控制中心，人机结合的新型灌溉管理系统，开发了水库灌区微机控制中心决策过程的软件包，能迅速地提高灌区管理水平。汪志农、熊运章(1994)开发了灌区计划用水微机管理系统，主要功能是建立灌区用水数据文件、编制各级用水计划、进行渠系水量调配和进行计划用水总结，为提高计划用水的管理水平，促进灌区用水管理朝着科学化、现代化的方向发展发挥了重要作用。