基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法技术

本发明专利技术提供一种基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，包括：S1、收集必要的灌区数据；S2、构建水田水量平衡模型，并依据长岗灌区水稻生育期划分及水田深度表，计算目标灌溉时间；S3、构建多目标优化函数，满足不同渠道的灌水及时性要求，达到配水过程的高效性；S4、设定模型边界，模型边界约束条件包括流量约束、时间约束、水量平衡约束、整数0

【技术实现步骤摘要】
基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法


[0001]本专利技术提供一种基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，属于农业灌溉


技术介绍

[0002]灌区的水源、输配水和供水调节系统，构成了区域水资源配置的基本条件。灌区作为农业生产管理的基本单位，合理的优化配置灌区水资源，对提高灌区水资源利用效率及保障粮食安全、实现灌区水资源可持续利用具有重要意义。灌区农业灌溉是一个整体的过程，需要取水、输水、配水、排水系统的相互配合。然而在输配水过程中大多数灌区存在极大的水资源浪费问题，输水效率低，渗漏损失大，灌溉水利用率和灌溉保证率低，有效灌溉面积逐渐衰减，实灌面积不断萎缩。灌区内整体供水态势不容乐观，灌区灌溉水利用效率、灌溉可利用水量、用水管理水平需要进一步提高。为保障农业生产持续、稳定和均衡发展，根据灌区的特点，优化水资源配置方案，挖掘水资源利用潜力，实现灌区多水源的高效配置和协调发展，显得越来越重要。加强大型灌区节水工作是水资源可持续发展的需要，并将对未来国家经济持续发展和社会安全稳定起到重要作用。
[0003]目前在灌区渠系配水方案的研究中，国内外已经有一些研究成果。如采用遗传算法或粒子群算法等算法针对两级渠道优化配水问题求解。但在以往的研究中，大多数多目标进化算法在求解目标维数较低的问题时较为有效，渠系配水优化模型大多为概化模型，理论上可行，实际运用困难，以及并未体现干、支、斗渠直到田间的三级渠系水资源优化配置。
[0004]比如，CN116108942A提供一种基于人工蜂群算法的灌区水资源优化配置方法，使用人工蜂群算法对灌区水资源优化配置，以灌区经济最大效益为目标，建立多个约束条件下的优化配水模型并对模型求解。该方法存在以下缺点：1.使用的人工蜂群算法收敛速度慢、精度较低、对参数太敏感，需要根据不同的问题进行调整。2.模型中目标函数仅有经济效益最大，较为单一，不能全面多角度考虑灌区水资源配置。
[0005]基于多目标遗传算法的渠系配水优化模型(《中国农业大学学报》2017年07期郭珊珊)，使用向量评估遗传算法对灌区干渠、支渠两级渠道以上级渠道水流最平稳和输水损失最小为目标函数求解。该方法存在以下缺点：1.向量评估遗传算法搜索到的解只趋向于某个单目标函数最优个体；2.解决干渠、支渠两级渠系配水优化，不能到斗渠或者田间。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了面对灌区渠系配水高维目标优化问题时，使用第三代非支配排序遗传算法，利用良好分布的参考点来保持种群的多样性，加快算法收敛及优化效率。同时，体现干、支、斗渠直到田间的三级渠系水资源优化配置模型，节水节能，提高灌溉效率，提供优化配水方案，并将模型实际应用到长岗灌区，为长岗灌区输配水提供决策支持。
[0007]本专利技术提供的具体技术方案：
[0008]基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，包括以下步骤：
[0009]S1、收集必要的灌区数据；
[0010]S2、构建水田水量平衡模型，并依据长岗灌区水稻生育期划分及水田深度表，计算目标灌溉时间；
[0011]S3、构建多目标优化函数，满足不同渠道的灌水及时性要求，达到配水过程的高效性；
[0012]S4、设定模型边界，模型边界约束条件包括流量约束、时间约束、水量平衡约束、整数0
‑
1约束；
[0013]S5、依据上述构建模型，使用第三代非支配排序遗传算法对模型求解，优化后的配水方案为长岗灌区实际配水提供参考。
[0014]S1中收集必要的灌区数据包括；
[0015](1)1条干渠18条支渠和159条斗渠设计流量，m3/s；
[0016](2)1条干渠18条支渠和159条斗渠渠道的长度，km；
[0017](3)收集第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的有效降雨量，mm；
[0018](4)收集第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的水田渗漏量，mm；
[0019](5)收集水稻各生育期的作物系数Kc，土壤水分胁迫因子Ks，作物蒸发蒸腾量ET0。
[0020]S2中计算目标灌溉时间；
[0021]H
jt'
＝P
jt
+IR
jt
+H
jt
‑
ETa
jt
‑
SP
jt
‑
D
jt
[0022]式中，H
jt'
表示第j条下级渠道控制区域在计算时段末的水田水深，mm；本模型中的计算时间单元为4h，下同；
[0023]IR
jt
表示对第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的灌水量，mm；
[0024]P
jt
表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的有效降雨量，mm；
[0025]ETa表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的实际蒸发蒸腾量，mm；
[0026]SP
jt
表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的水田渗漏量，mm；
[0027]D
jt
表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的排水量，mm。
[0028]S3具体包括；
[0029](1).依据上述水田水量平衡模型计算斗渠目标灌溉时间，构建以目标灌溉时间和实际灌溉时间差值最小的目标函数，以需定供，提高灌溉效率；
[0030][0031]式中，j是斗渠编号，J是斗渠的总数，It
j*
和It
j
分别是第j条斗渠的目标灌溉时间和实际灌溉时间；
[0032](2).构建以上级渠道水流波动最小为目标的函数，保证上级渠道水流的平稳性；
[0033][0034][0035]式中，Q
tu
为t时间段内上级渠道输水流量，m3/s；为在整个T时间段内上级渠道输水流量平均值，m3/s；T是时间段的数量；
[0036][0037][0038]式中，q'
tj
为第j条配水渠道进口的水流量；q
tj
为第j条配水渠道的配水净流量；
[0039]f
tj
(x)是一个状态变量，表示为：
[0040][0041]表示在第k个时间段内，第j条下级渠道是否得到灌水；
[0042](3).构建以整个输配水过程中输水损失最小为目标函数，控制渗水损失提高渠系水利用系数；
[0043][0044]式中，S为输配水渠道渗水总量，m3；A为渠床土壤透水系数，一般为0.7
‑
3.4，根据土壤特性来确定，设置为1.9；m为渠床土壤透水系数指数，为0.3
‑
0.5，根据土壤特性来确定，可设置为0.4；L
u
为上级渠道输水长度，km，查找数据确定；l
j
为下级渠道输水长度，km，查找数据确定；Q
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、收集必要的灌区数据；S2、构建水田水量平衡模型，并依据长岗灌区水稻生育期划分及水田深度表，计算目标灌溉时间；S3、构建多目标优化函数，满足不同渠道的灌水及时性要求，达到配水过程的高效性；S4、设定模型边界，模型边界约束条件包括流量约束、时间约束、水量平衡约束、整数0
‑
1约束；S5、依据上述构建模型，使用第三代非支配排序遗传算法对模型求解，优化后的配水方案为长岗灌区实际配水提供参考。2.根据权利要求1所述的基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，其特征在于，S1中收集必要的灌区数据包括；(1)1条干渠18条支渠和159条斗渠设计流量，m3/s；(2)1条干渠18条支渠和159条斗渠渠道的长度，km；(3)收集第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的有效降雨量，mm；(4)收集第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的水田渗漏量，mm；(5)收集水稻各生育期的作物系数Kc，土壤水分胁迫因子Ks，作物蒸发蒸腾量ET0。3.根据权利要求1所述的基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，其特征在于，S2中计算目标灌溉时间；H
jt'
＝P
jt
+IR
jt
+H
jt
‑
ETa
jt
‑
SP
jt
‑
D
jt
式中，H
jt'
表示第j条下级渠道控制区域在计算时段末的水田水深，mm；本模型中的计算时间单元为4h，下同；IR
jt
表示对第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的灌水量，mm；P
jt
表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的有效降雨量，mm；ETa表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的实际蒸发蒸腾量，mm；SP
jt
表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的水田渗漏量，mm；D
jt
表示第j条下级渠道控制田在第t个时间单位内的排水量，mm。4.根据权利要求3所述的基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法，其特征在于，S3具体包括；(1).依据上述水田水量平衡模型计算斗渠目标灌溉时间，构建以目标灌溉时间和实际灌溉时间差值最小的目标函数，以需定供，提高灌溉效率；式中，j是斗渠编号，J是斗渠的总数，It
j*
和It
j
分别是第j条斗渠的目标灌溉时间和实际灌溉时间；(2).构建以上级渠道水流波动最小为目标的函数，保证上级渠道水流的平稳性；
式中，Q
tu
为t时间段内上级渠道输水流量，m3/s；Q
u
为在整个T时间段内上级渠道输水流量平均值，m3/s；T是时间段的数量；/s；T是时间段的数量；式中，q'
ij
为第j条配水渠道进口的水流量；q
tj
为第j条配水渠道的配水净流量；f
tj
(x)是一个状态变量，表示为：表示在第k个时间段内，第j条下级渠道是否得到灌水；(3).构建以整个输配水过程中输水损失最小为目标函数，控制渗水损失提高渠系水利用系数；式中，S为输配水渠道渗水总量，m3；A为渠床土壤透水系数，一般为0.7
‑
3.4，根据土壤特性来确定，设置为1.9；m为渠床土壤透水系数指数，为0.3
‑
0.5，根据土壤特性来确定，可设置为0.4；L
u
为上级渠道输水长度，km，查找数据确定；l
j
为下级渠道输水长度，km，查找数据确定；Q
tu
为t个时段上级渠道的配水净流量，m3/s，公式计算得出；q
tj
为第t个时间段下级渠道配水净流量，m3/s；β为采取防渗措施后渗...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茉，张金平，周延，李海燕，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：