一种渠道配水的方法与流程

本发明涉及灌溉领域，特别涉及一种渠道配水的方法。

背景技术：

灌区水量配置主要是通过灌区的渠道工程和控制工程实现的，其中以满足农田灌溉用水需求的水量优化配置为灌区水量优化配置的主要内容。编制配水计划，就是在全灌区的灌溉面积、取水时间、取水水量和流量已确定的条件下拟定每次灌水向配水点分配的水量、配水方式、配水流量或是配水顺序及时间。

目前大多数灌区凭借经验编制灌溉渠道配水计划，造成了较大的渠系输水渗漏损失和频繁的闸门调节，随着农业水资源供需矛盾的日益突出，对灌区配水计划提出了更高的要求，因此目前急需要精细化灌区配水计划，优化渠道的配水时间和配水流量。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明提供了一种渠道配水的方法。所述技术方案如下：

本发明提供了一种渠道配水的方法，所述方法应用于配水系统，所述配水系统包括K段上级渠道和N条下级渠道，K和N为大于1的整数，且所述K段上级渠道中的每段上级渠道与所述N条下级渠道中的部分下级渠道通过闸门相连，所述方法包括：

建立如(1)式所示的编码矩阵P，所述编码矩阵P是包括2N行和M列的矩阵，M为大于1的整数，第j行包括第j条下级渠道的M个不同的流量比值，分别为α_j1、α_j2……α_jM，所述第j条下级渠道的流量比值用于表示所述第j条下级渠道的实际流量与设计流量的比值，α_j1、α_j2……α_jM均大于或等于0.6且小于或等于1，j＝1、2……N；第N+j行包括第j条下级渠道的M个不同的配水起始时间，分别为t_j1、t_j2……t_jM，t_j1、t_j2……t_jM均大于或等于0且小于或等于T，T为大于0的整数；

根据所述编码矩阵P中的第x列包括的第j条下级渠道的配水起始时间t_jx、配水比值α_jx和预设的第j条下级渠道的实际配水量W_j，按如下公式(2)计算出第j条下级渠道的配水结束时间t_jxy，x＝1、2……M，q_j为预设的第j条下级渠道的设计配水流量；

W_j＝α_jxq_j·(t_jxy-t_jx)……(2)

根据第j条下级渠道的配水起始时间t_jx和配水结束时间t_jxy，确定第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值，i＝1、2……T；

根据与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水起始时间和配水结束时间确定第k段上级渠道在i时段的实际配水时间t_auik，k＝1、2……K，具体确定方法见下文所述；

根据每段上级渠道在i时段的实际配水时间t_auik、每条下级渠道的流量比值、每条下级渠道在第i时段的实际配水时间t_aij和开关变量，按如下公式(3)至(6)计算第x列的适应度fit；

在公式(4)中，A_uk为第k段上级渠道的预设渠床透水系数；m_uk为第k段上级渠道的预设指数；Q_auik为第k段上级渠道在第i时段的实际配水流量，J为第k段上级渠道所控制的第一条下级渠道序号；L_uk为第k段上级渠道的长度；A_j为第j条下级渠道的预设渠床透水系数；m_j为第j条下级渠道的预设指数；q_aij为第j条下级渠道在第i时段的实际配水流量，q_aij＝α_jx·q_j；L_j为第j条下级渠道的长度，t_aij为第j条下级渠道在第i时段的实际配水时间，是根据第j条下级渠道的配水起始时间t_jx和配水结束时间t_jxy在第i时段所占的实际时间确定，具体确定方法见下文所述；

在公式(5)中，α为预设系数，Q_s为第1段上级渠道预设的设计流量，第j条下级渠道在第i时段的实际配水流量q_aij＝α_jxq_j，q_j为第j条下级渠道预设的设计流量；

在公式(6)中，β为为预设系数，Q_sk为第k段上级渠道预设的设计流量；

从所述编码矩阵P选择适应度最大的一列c，并在配水起始时间t_jc至配水结束时间t_jcy内根据流量比值α_jc控制第j条下级渠道对应的闸门打开。

可选的，所述建立如(1)式所示的编码矩阵P，包括：

对于第j条下级渠道，j＝1、2……N；

随机设置大于或等于0.6且小于或等于1的M个不同流量比值，分别为α_j1、α_j2……α_jM，并将α_j1、α_j2……α_jM作为编码矩阵P的第j行；

随机设置大于或等于0且小于或等于T的M个不同配水起始时间，分别为t_j1、t_j2……t_jM，并将t_j1、t_j2……t_jM作为编码矩阵P的第N+j行。

可选的，所述根据第j条下级渠道的配水起始时间t_jx和配水结束时间t_jxy，确定第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值，包括：

对于第i时段，i＝1、2……T，如果满足如下第一至第三个条件中的任一个条件，则设置第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值为1；如果不满足如下第一至第三个条件中的任一个条件，则设置第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值为0；

第一：t_jx小于i且t_jxy大于i；第二：t_jx大于i-1且t_jxy小于i；第三：t_jx小于i-1以及t_jxy大于i-1且小于i。

可选的，所述根据与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水起始时间和配水结束时间确定第k段上级渠道在i时段的实际配水时间t_auik，包括：

与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水起始时间中选择最早的配水起始时间；

与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水结束时间中选择最晚的配水结束时间；

将所述选择的配水起始时间至所述选择的配水结束时间在i时段占有的实际时间段确定为第k段上级渠道的实际配水时间t_auik。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过设置编码矩阵，编码矩阵包括M列，每列包括每条下级渠道的流量比值和配水起始时间，然后计算出编码矩阵包括的每列数据对应的适应度，适应度越高，表示各渠道损耗的水量就越小，选择适应度最大的一列，根据选择的一列，控制各下级渠道对应的闸门在何时开启以及开启程度；再根据每一段上级渠道与下级渠道的对应关系，计算出每一段上级渠道在第i时段的实际配水流量，从而控制上级渠道的上一段向下一段的下泄流量，从而提供了精细化灌区配水计划，优化渠道的配水时间和配水流量。计算出每一级下级渠道的配水起始时间、配水结束时间和在第i时段的实际配水流量后，再根据每一段上级渠道与下级渠道的对应关系，计算出每一段上级渠道在第i时段的实际配水流量Q_auik，从而控制上级渠道的上一段向下一段的下泄流量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种渠道配水的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种时段结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种时段结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种时段结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种时段结构示意图；

图6是本发明实施例提供的采用经验方法编制的斗渠配水过程；

图7是本发明实施例提供的采用精细化斗渠配水过程；

图8是本发明实施例提供的采用经验方法编制的支渠配水过程；

图9是本发明实施例提供的采用精细化支渠配水过程；

图10是本发明实施例提供的修正后的支渠配水过程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

目前灌区内包括一条上级渠道和N条下级渠道，N为大于1的整数。该条上级渠道包括K段，分别为第一段上级渠道、第二段上级渠道至第K段上级渠道；第一段上级渠道、第二段上级渠道至第K段上级渠道的横截面的面积逐渐减小，K为大于1的整数。该K段上级渠道中的每段上级渠道与该N条下级渠道中的部分下级渠道通过闸门相连，任意相邻两段上级渠道也是通过闸门相连。

针对于上述灌区，参见图1，本发明实施例提供了一种渠道配水的方法，包括：

步骤101：建立如下(1)式所示的编码矩阵P。

编码矩阵P是包括2N行和M列的矩阵，M为大于1的整数，第j行包括第j条下级渠道的M个不同的流量比值，分别为α_j1、α_j2……α_jM，第j条下级渠道的流量比值用于表示第j条下级渠道的实际流量与设计流量的比值，α_j1、α_j2……α_jM均大于或等于0.6且小于或等于1，j＝1、2……N；第N+j行包括第j条下级渠道的M个不同的配水起始时间，分别为t_j1、t_j2……t_jM，t_j1、t_j2……t_jM均大于或等于0且小于或等于T，T为大于0的整数，表示灌区的预设实际配水时间；

其中，编码矩阵P中的每条下级渠道对应的两行数据可以按如下方式设置，例如对于第j条下级渠道，j＝1、2……N，第j条下级渠道对应第j行的M个数据和第N+j行的M个数据；详细设置过程如下：

随机设置大于或等于0.6且小于或等于1的M个不同流量比值，分别为α_j1、α_j2……α_jM，并将α_j1、α_j2……α_jM作为编码矩阵P的第j行；

随机设置大于或等于0且小于或等于T的M个不同配水起始时间，分别为t_j1、t_j2……t_jM，并将t_j1、t_j2……t_jM作为编码矩阵P的第N+j行。

步骤102：根据编码矩阵P中的第x列包括的第j条下级渠道的配水起始时间t_jx、配水比值α_jx和预设的第j条下级渠道的实际配水量W_j，按如下公式(2)计算出第j条下级渠道的配水结束时间t_jxy。

W_j＝α_jxq_j·(t_jxy-t_jx)……(2)

在上述公式(2)中，x＝1、2……M，q_j为预设的第j条下级渠道的设计配水流量。其中，j＝1、2……N，因此通过本步骤可以计算出N条下级渠道中的每条下级渠道的配水结束时间。

步骤103：根据第j条下级渠道的配水起始时间t_jx和配水结束时间t_jxy，确定第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值，i＝1、2……T，j＝1、2……N。

本步骤的详细过程可以为：对于第i时段，i＝1、2……T。

(1)：当t_jxy＞i且t_jx＜i时，则设置第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值为1。

t_jxy＞i且t_jx＜i是指第j条下级渠道的配水结束时间t_jxy大于第i时段的编号i且配水起始时间t_jx小于第i时段的编号i。该情况包括如下两种形式：

第一种、参见图2，如果i-t_jx≥1，第j条下级渠道第i时段的实际配水时间t_aij等于一个时段，即t_aij＝1，设置x_ij＝1。

第二种、参见图3，如果i-t_jx＜1，第j条下级渠道第i时段的实际配水时间t_aij＝(i-t_1ij)个时段，即t_aij＝(i-t_1ij)，设置x_ij＝1。

(2)：参见图4，当第j条下级渠道的配水起始时间t_jx＞i-1且配水结束时间t_jxy＜i时，则第j条下级渠道第i时段的实际配水时间t_aij为(t_aij＝t_jxy-t_jx)个时段，即t_aij＝t_jxy-t_jx，设置第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值为1。

(3)：参见图5，当第j条下级渠道的配水结束时间i-1＜t_jxy＜i和配水起始时间t_jx＜i-1时：第j条下级渠道第i时段的实际配水时间t_aij为(t_jxy-(i-1))个时段，即t_aij＝t_jxy-(i-1)，设置第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值为1。

当如果(1)、(2)、(3)都不满足时：第j条下级渠道第i时段的实际配水时间t_aij＝0，设置第j条下级渠道在第i时段内的开关变量x_ij的值为0。

在本步骤中，由于j＝1、2……N，因此在本步骤中计算出每条下级渠道在每个时段内的开关变量x_ij，当第k段上级渠道所对应的若干条下级渠道在第i时段内的所有x_ij均为0，那么t_auik＝0；否则0<t_auik≤1。

步骤104：根据第j条下级渠道的配水起始时间t_jx和配水结束时间t_jxy，确定第j条下级渠道在第i时段所占的实际配水时间t_aij，i＝1、2……T。

本步骤可以为：将第j条下级渠道的配水起始时间t_jx至选择的配水结束时间t_jxy在第i时段所占的实际时间段确定为第j条下级渠道在第i时段所占的实际配水时间t_aij。

例如，假设T为6，即存在6个时段，每个时间段4小时，如果第j条下级渠道的配水起始时间t_jx至选择的配水结束时间t_jxy为第3小时至第10小时，那么在第1时段第j条下级渠道所占的实际时间段为一个小时，为整个第1时段的四分之一，所以第j条下级渠道在第1时段所占的实际配水时间t_a1j为0.25；在第2时段第j条下级渠道所占的实际时间段为四个小时，为整个第2时段，所以第j条下级渠道在第2时段所占的实际配水时间t_a2j为1；在第3时段第j条下级渠道所占的实际时间段为两个小时，为二分之一个第3时段，所以第j条下级渠道在第3时段所占的实际配水时间t_a3j为0.5。而在第4、5、6时段内的实际配水时间均为0。

步骤105：根据与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水起始时间和配水结束时间确定第k段上级渠道在第i时段所占的实际配水时间t_auik，k＝1、2……K。

本步骤可以为：与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水起始时间中选择最早的配水起始时间t_xmin；与第k段上级渠道相连的各条下级渠道的配水结束时间中选择最晚的配水结束时间t_xymax；将选择的配水起始时间t_xmin至选择的配水结束时间t_xymax在第i时段所占的实际时间段确定为第k段上级渠道在第i时段所占的实际配水时间t_auik，其确定方法与第j条下级渠道第i时段的实际配水时间t_aij的确定方法相同。

例如，假设T仍为6，即存在6个时段，每个时间段4小时，如果最早的配水起始时间t_xmin至最晚的配水结束时间t_xymax为第3小时至第15小时。那么在第1时段第k段级渠道所占的实际时间段为一个小时，为整个第1时段的四分之一，所以第k段上级渠道在第1时段所占的实际配水时间t_au1k为0.25；在第2时段第k段上级渠道所占的实际时间段为四个小时，为整个第2时段，所以第k段上级渠道在第2时段所占的实际配水时间t_au2k为1；在第3时段第k段级渠道所占的实际时间段为四个小时，为整个第3时段，所以第k段上级渠道在第3时段所占的实际配水时间t_au3k为1；在第4时段第k段级渠道所占的实际时间段为三个小时，为四分之三个第4时段，所以第k段上级渠道在第4时段所占的实际配水时间t_au4k为0.75。而在第5、6时段内的实际配水时间均为0。

步骤106：根据每段上级渠道在第i时段的实际配水时间t_auik、每条下级渠道的实际流量与设计流量的流量比值、每条下级渠道在第i时段的实际配水时间t_aij和开关变量，按如下公式(3)至(6)计算第x列的适应度fit；

在公式(4)中，A_uk为第k段上级渠道的预设渠床透水系数；m_uk为第k段上级渠道的预设指数；Q_auik为第k段上级渠道在第i时段的实际配水流量，J为与第k段上级渠道相连的第一条下级渠道序号；L_uk为第k段上级渠道的长度，k＝1、2……K；A_j为第j条下级渠道的预设渠床透水系数；m_j为第j条下级渠道的预设指数；q_aij为第j条下级渠道在第i时段的实际配水流量，q_aij＝α_jx·q_j，q_j为第j条下级渠道预设的设计流量；L_j为第j条下级渠道的长度；t_aij为第j条下级渠道在第i时段的实际配水时间计算方法见上文；t_auik为第k段上级渠道在第i时段内的实际配水时间，是指第k段上级渠道为满足其所对应的若干条下级渠道在第i时段的配水需求，所必须的连续配水时间，其确定方法见上文；

在公式(5)中，α为预设系数，Q_s为第1段上级渠道预设的设计流量，q_aij＝α_jxq_j，q_j为第j条下级渠道预设的设计流量；

在公式(6)中，β为为预设系数，Q_sk为第k段上级渠道预设的设计流量；

在本步骤中x＝1、2……M，可以计算出编码矩阵P中的每一列的适应度fit，适应度fit越大表明灌区的渠系输水渗漏损失越小，反之就越大。

步骤107：以fit为适应度，采用遗传算法对上述步骤进行优化，直至获得设定的迭代次数，输出最优的矩阵P。

步骤108：从编码矩阵P选择适应度最大的一列c，并在配水起始时间t_jc至配水结束时间t_jcy内根据流量比值α_jc控制第j条下级渠道对应的闸门打开。

流量比值α_jc越大，表示控制第j条下级渠道对应的阈门打开的程度越大，第j条下级渠道得到水的实际流量就上越大；反之，流量比值α_jc越小，表示控制第j条下级渠道对应的阈门打开的程度越小，第j条下级渠道得到水的实际流量就上越小。

接下来举一个实例来对本文进行说明，本文选用西北某灌区下级渠道共33条冬灌的配水过程资料，见表1、图6和图8，整个灌溉轮期为21天。

表1西北某灌区南下级渠道基本参数

将南下级渠道的基本资料输入本文建立的配水模型，其中，渠床透水系数A取3.4，透水指数m取0.5，灌水轮期为21天；群体规模取1000，优秀个体取100，迭代次数为100，变异概率取0.001，配水时段取10h，则配水时段T为50；采用遗传算法求解得到的上级渠道和下级渠道配水过程见图7和图9。采用经验方法编制的下级渠道和上级渠道配水时间集中、总体流量小，个别下级渠道实际配水流量大于其设计流量或小于最小允许流量；精细化配水方案的下级渠道实际配水流量均在其允许的流量范围内，且与设计流量基本一致，配水过程搭配合理，配水时间也减少了1d；由图9可知，可以看出，精细化上级渠道实际配水流量均匀，有效减少了上级渠道闸门的调节次数，便于实际配水。经计算，优化配水方案的输水渗漏损失较分组灌溉配水方案的输水渗漏损失减少了15％，表明精细化配水方案的配水质量高。

精细化配水方案中的各下级渠道配水开始时段和结束时段不尽相同，实际应用时要求灌区具有较高的配水自动化程度，因此，现阶段在我国大规模推广应用该方法不切实际。考虑到上述情况，本文以精细化配水方案为依据，综合各下级渠道开始配水时段和配水历时，将下级渠道分为3组进行轮灌，即1、8、9、11、13、18、22、25、27号下级渠道为第一组，2、6、7、12、16、17、23、24、26、33、29、、32、21、31号下级渠道为第二组；28、19、30、5、3、14、20、15、10、4号下级渠道为第三组，其中4号和25号下级渠道的灌水历时和控制面积较小，实际配水时可灵活操作，修正后的上级渠道配水过程见图10。经计算修正后的精细化配水方案输水渗漏损失较原配水方案减少9％，表明修正后的精细化配水方案优于原配水方案。

在本发明实施例中，通过设置编码矩阵，编码矩阵包括M列，每列包括每条下级渠道的流量比值和配水起始时间，然后计算出编码矩阵包括的每列数据对应的适应度，适应度越高，表示各渠道损耗的水量就越小，选择适应度最大的一列，根据选择的一列，控制各下级渠道对应的闸门在何时开启以及开启程度，从而提供了精细化灌区配水计划，优化渠道的配水时间和配水流量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。