基于水動(dòng)力學(xué)模擬的灌區(qū)輸配水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式研究

吳彩麗，白美健，張寶忠，史 源，侯文濤，趙 智

（1.國家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心（北京），北京 100048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048；3.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

0 引 言

灌溉系統(tǒng)在渠首工程以下主要包括輸配水工程和田間工程兩個(gè)部分。輸配水工程承擔(dān)著把灌溉用水從水源“及時(shí)、足量、穩(wěn)定”的輸送至田頭的作用，是實(shí)施農(nóng)業(yè)灌溉極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)；田間工程是將灌溉用水從田頭繼續(xù)輸送到田間作物，確保農(nóng)作物的根系活動(dòng)層土壤的濕潤，滿足農(nóng)作物的吸收和農(nóng)作物生長需要。近年來，新疆建設(shè)兵團(tuán)田間高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展一直走在我國的前列。據(jù)2021年兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，截止2020年底，兵團(tuán)總灌溉面積163.96 萬hm2，節(jié)水灌溉面積136.79 萬hm2，其中滴灌面積131.54 萬hm2，滴灌面積占總灌溉面積的80%，是我國規(guī)?；喂嗝娣e比例最高的地區(qū)。據(jù)上述數(shù)據(jù)及調(diào)研所知，新疆建設(shè)兵團(tuán)的渠道襯砌、田間高效節(jié)水技術(shù)等已經(jīng)大面積推廣，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已相對成熟。目前，兵團(tuán)農(nóng)業(yè)節(jié)水最突出的問題是先進(jìn)的田間滴灌工程對應(yīng)著低水平、粗放型的渠道輸配水系統(tǒng)運(yùn)行管理，兵團(tuán)灌區(qū)普遍存在著輸配水過程和滴灌作物需水過程不匹配、作物關(guān)鍵生育期需水得不到滿足、信息化管理程度不高等問題，使得先進(jìn)的田間滴灌技術(shù)難以發(fā)揮應(yīng)有效益。因此，兵團(tuán)灌區(qū)亟需研究與滴灌作物灌溉制度相匹配的渠道輸配水調(diào)控技術(shù)，在灌溉中需要根據(jù)棉花、紅棗、玉米等典型農(nóng)作物所需的滴灌灌溉制度，結(jié)合實(shí)際情況制定適合作物需水過程的輸配水方案，指導(dǎo)作物科學(xué)合理灌溉。

灌溉渠系調(diào)控是運(yùn)行管理灌溉渠系輸配水系統(tǒng)的能力，通過控制渠道沿程的水工建筑物，按照設(shè)計(jì)要求和調(diào)度計(jì)劃，在保證渠系運(yùn)行安全的前提下，將灌溉水適時(shí)適量地輸送至用水單元。近年來，國內(nèi)外對渠系水資源優(yōu)化配置方面進(jìn)行了大量研究。Mohammad等（2005年）以灌溉需水量和配水量差異最小為控制目標(biāo)，建立渠道優(yōu)化配水模型，并采用模擬退火技術(shù)進(jìn)行求解，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明得到優(yōu)化配水方案合理可行。吳彩麗等（2007年）以供水量最大、缺水量最小等指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，建立了基于流量分配的渠系多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃配水模型，可探求不同權(quán)重目標(biāo)函數(shù)條件下，渠系流量的實(shí)時(shí)分配情況，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行求解，并在某大型灌區(qū)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果合理可行；徐淑琴等（2020年）針對黑龍江楊木灌區(qū)的灌排兩用渠道，以渠道輸水過程中水量損失最小、不同時(shí)刻干渠凈配水流量變化最小、灌排凈效益最大為目標(biāo)函數(shù)，建立輸水優(yōu)化調(diào)度模型，采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA—II優(yōu)化，求解上級渠道最優(yōu)灌溉水位以及下級渠道不同流量輸水方案，優(yōu)化結(jié)果提高了灌溉水利用效率，增加了灌排凈效益；肖夢君等（2022年）采用實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型計(jì)算作物實(shí)時(shí)需水，根據(jù)灌區(qū)渠系運(yùn)行情況建立多目標(biāo)渠系配水模型，并采用模擬退火算法求解。選擇黃河流域的二級渠系進(jìn)行實(shí)例研究，與原灌區(qū)配水計(jì)劃相比，配水時(shí)間減少了1.2 d，總配水量減少了8.3%，渠系損失水量減少了6.84%。

綜上，可以看出，對于灌區(qū)渠系輸配水調(diào)控技術(shù)的研究多圍繞渠系優(yōu)化配水模型構(gòu)建和模型求解算法，按照毛灌溉用水量、灌溉面積或灌溉預(yù)報(bào)模型確定各區(qū)域的灌溉用水量，以配水時(shí)間減少、配水流量集中、輸水損失小、灌溉效益提高等為目標(biāo)函數(shù)，采用最優(yōu)化方法，計(jì)算某段時(shí)間內(nèi)渠系配水流量的最優(yōu)時(shí)空分配（配水時(shí)間和配水流量），以便在灌溉開始前制定合理的配水計(jì)劃?？茖W(xué)合理的渠系配水計(jì)劃能夠減少水量損失，提高灌溉效率，但是，由于目前的研究大多對渠道水動(dòng)力學(xué)過程考慮不足，此類模型很難預(yù)測配水計(jì)劃在實(shí)施過程中可能發(fā)生的渠道漫溢、供水能力不足、供需分離等問題，且閘門開閉的具體時(shí)間多依賴于調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)有渠道輸配水調(diào)控方面的研究多針對地面灌溉，較少針對滴灌的研究，而地面灌溉與滴灌有很大的不同，滴灌具有高可控性和精準(zhǔn)性，在灌溉制度上具有高頻性、灌溉周期短的特點(diǎn)，更需要嚴(yán)格按照作物的生長期按時(shí)按量進(jìn)行灌溉。

因此，本研究從水動(dòng)力學(xué)模擬入手，針對兵團(tuán)灌區(qū)某一次灌溉過程中輸配水和作物需水不匹配問題，根據(jù)當(dāng)前時(shí)段的供水和需水情況，借助水動(dòng)力學(xué)模型精確模擬渠道輸配水過程，建立優(yōu)化調(diào)度模型，并采用最優(yōu)化方法求解，尋求滿足本次灌溉需水和渠系調(diào)度運(yùn)行約束的最優(yōu)調(diào)度方案，以便在渠道運(yùn)行安全的前提下，把灌溉用水快速、足量的輸送至田間。在此基礎(chǔ)上，本研究提出了灌區(qū)輸配水優(yōu)化調(diào)控模式，實(shí)際灌溉中可根據(jù)灌溉需水情況采取相應(yīng)的調(diào)控模式，指導(dǎo)灌區(qū)每一次灌溉過程。

1 研究區(qū)概況

本研究選擇兵團(tuán)某中型灌區(qū)進(jìn)行研究。該灌區(qū)位于天山北麓，準(zhǔn)葛爾盆地，古爾班通古特大沙漠南緣，地理位置東經(jīng)85°52'～86°12'，北緯44°31'～44°46'。項(xiàng)目區(qū)地處溫帶，遠(yuǎn)離海洋，具有大陸性干旱氣候特征，冬季長而寒冷，夏季短而炎熱，晝夜溫差大，光照充足，熱量豐富，降雨稀少，蒸發(fā)量大，自南向北年溫差逐漸增大，降水量逐漸減少，蒸發(fā)量逐漸增加。多年平均氣溫8.1 ℃，1月份月平均氣溫-16.5 ℃，7月份平均氣溫25.6 ℃，日照2 732 h，無霜期155 d，最大凍土深1.64 m。年平均降水量117.2 mm，降水主要集中在4-8月，占全年降水量的70%左右，年平均蒸發(fā)量1 943.8 mm。

灌溉水源為水庫，總灌溉面積13 740 hm2，灌區(qū)骨干渠系由總干渠、一分干、二分干、一至五支渠組成，干渠總長度31.6 km，支渠總長度7.3 km，灌區(qū)骨干渠系布置見圖1，干支渠相關(guān)參數(shù)見表1。灌區(qū)主要作物為小麥、紅棗、棉花，田間灌溉方式均為滴灌，滴灌灌溉制度為：小麥、紅棗、棉花每年的滴灌灌溉定額分別為4 050、4 620、4 200 m3∕hm2，其中，小麥每次的灌水時(shí)間及灌水定額分別為4月（上旬450 m3∕hm2、中旬450 m3∕hm2、下旬525 m3∕hm2）、5月（上旬525 m3∕hm2、中旬450 m3∕hm2、下旬450 m3∕hm2）和6月（上旬450 m3∕hm2、中旬375 m3∕hm2、下旬375 m3∕hm2）；紅棗每次的灌水時(shí)間及灌水定額分別為4月（下旬900 m3∕hm2）、5月（中旬750 m3∕hm2）、6月（上旬600 m3∕hm2、下旬300 m3∕hm2）、7月（上旬450 m3∕hm2）、8月（上旬225 m3∕hm2、中旬600 m3∕hm2）、9月（上旬645 m3∕hm2）；棉花每次的灌水時(shí)間及灌水定額分別為4月（上旬255 m3∕hm2、中旬255 m3∕hm2）、6月（上旬300 m3∕hm2、中旬390 m3∕hm2、下旬390 m3∕hm2）、7月（上旬390 m3∕hm2、中旬420 m3∕hm2、下旬420 m3∕hm2）、8月（上旬390 m3∕hm2、中旬330 m3∕hm2、下旬390 m3∕hm2）和9月（上旬315 m3∕hm2）。

圖1 典型灌區(qū)骨干輸配水渠道系統(tǒng)圖Fig.1 Typical irrigation backbone water distribution channel system diagram

表1 干支渠道相關(guān)參數(shù)表Tab.1 Table of relevant parameters of trunk and branch channels

2 模型及求解

2.1 模型構(gòu)建

為尋求渠系運(yùn)行的最優(yōu)調(diào)度方案，本文根據(jù)滴灌作物的灌溉制度計(jì)算當(dāng)前時(shí)段的需水情況，以干支渠灌溉耗時(shí)最短為第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（灌溉耗時(shí)最短，縮短灌溉周期，保證水流快速通過渠道進(jìn)去田間滴灌系統(tǒng)）；以干支渠在配水時(shí)段內(nèi)棄水最少為第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)，建立渠系輸配水優(yōu)化調(diào)控模型。基于一維圣維南方程描述渠道輸配水系統(tǒng)的水流運(yùn)動(dòng)過程，輸入干渠入口的配水流量，模擬整個(gè)干支渠的水位和流量變化過程，經(jīng)反復(fù)試算，得出本次渠系調(diào)度運(yùn)行的最優(yōu)調(diào)度方案。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

式中：i為渠道編號；j為配水時(shí)段編號；Δti為配水時(shí)段內(nèi)通過渠道i的時(shí)間，d；Wi為通過的水量，m3；qi為配水流量，m3∕s；T為總配水時(shí)間，d；W棄ij為第i條渠道第j個(gè)時(shí)段的棄水，m3，渠道棄水量為渠道輸水量與灌溉需水量的差值。因兵團(tuán)灌區(qū)的骨干渠系基本上都進(jìn)行了襯砌，本研究模型中不考慮渠道輸水滲漏損失，也即本模型適用于襯砌渠道。

2.1.2 約束條件

（1）水量約束：采用不同作物滴灌的灌溉制度計(jì)算不同灌溉時(shí)段需要的灌水量，一個(gè)灌溉周期內(nèi)作物需水量不大于渠道系統(tǒng)輸配水量。

（2）流量約束：渠道輸水過程中，各渠道水流流速需在不沖不淤流速之間，v不淤＜qi∕Ai＜v不沖；Ai為第i條渠道過流斷面面積，m2。

本研究采用一維圣維南方程描述渠道輸配水系統(tǒng)的水流運(yùn)動(dòng)過程：

①控制方程?；跀嗝媪魉倨骄僭O(shè)，圣維南方程組(Saint-Venant Equations)能夠合理的描述渠道水流運(yùn)動(dòng)過程，在實(shí)際工程中的應(yīng)用也非常廣泛，本文取水位ζ和流量Q為因變量的向量形式的一維圣維南方程組描述明渠水流運(yùn)動(dòng)過程，控制方程如下：

式中：U為因變量向量；F為對流通量項(xiàng)；t為時(shí)間坐標(biāo)；x為空間坐標(biāo)；Sζ為水力坡度項(xiàng)；Sf為摩阻項(xiàng)；Sin為入滲項(xiàng)；SP為分水項(xiàng)。

式（4）的向量形式表達(dá)式如下：

式中：A為渠段的過流斷面面積，m2；ζ為水位，m；h為地表水深，m；B為渠段的自由水面寬度，m；Q為通過渠道的流量，m3∕s；Ω為分水口的自由水面面積，m2；u為過水?dāng)嗝媪魉?，m3∕s；g為重力加速度，9.8 m∕s2；R為水力半徑，m；I為地表水入滲系數(shù)；n為曼寧糙率系數(shù)；Qi為從渠段i的分水汊點(diǎn)流出∕入的流量，m3∕s；φi為符號函數(shù)，若Qi為流入態(tài)，φi=1，否則φi=-1。

②初始與邊界條件。渠道的初始條件為水位ζ=HI+zb。其中，HI為最小水深假設(shè)，是為了避免在計(jì)算過程中出現(xiàn)除數(shù)為零導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)的情況。上游邊界條件為灌區(qū)水源的引水流量；引水停止后，相關(guān)節(jié)點(diǎn)流量設(shè)置為零。下游邊界在非排水期設(shè)置為封閉狀態(tài)，即Q=0，排水期設(shè)置為自由出流條件，即根據(jù)渠道內(nèi)水深插值獲得渠尾水位，強(qiáng)排處設(shè)置為相應(yīng)的強(qiáng)排流量。

2.2 求解方法

本研究采用遺傳算法求解優(yōu)化調(diào)控模型，采用有限體積法求解圣維南方程，調(diào)控優(yōu)化方法的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)控優(yōu)化方法的邏輯框圖Fig.2 Logic block diagram of the regulation optimization method

2.2.1 遺傳算法

本研究采用遺傳算法求解優(yōu)化調(diào)控模型，以渠道配水的時(shí)間t和流量q為決策變量，用長度為10位的二進(jìn)制編碼串來分別表示2個(gè)決策變量t，q。計(jì)算過程如下：

（1）根據(jù)實(shí)際情況假定t，q的取值范圍。以渠道i為例，配水時(shí)間為ti，過水流量為qi，過水流量的取值范圍需要利用渠道的不沖不淤流速和渠道斷面進(jìn)行計(jì)算，配水時(shí)間的取值范圍為一個(gè)灌溉周期內(nèi)控制面積上作物的需水量除以過水流量。

（2）確定編碼方法與解碼方法。10位二進(jìn)制編碼串可以表示從0到1 023之間的1 024個(gè)不同的數(shù)，故將ti，qi的定義域離散化為1 023個(gè)均等的區(qū)域，包括兩個(gè)端點(diǎn)在內(nèi)共有1 024個(gè)不同的離散點(diǎn)。ti，qi的二進(jìn)制編碼分別記為ti(2)，qi(2)。解碼時(shí)需先將20位長的二進(jìn)制編碼串切斷為2個(gè)10位長的二進(jìn)制編碼串，然后分別讓它們轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)代碼，ti(2)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)記為ti(10)，qi(2)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)記為qi(10)。

（3）確定個(gè)體評價(jià)方法。渠系輸配水優(yōu)化調(diào)控模型的目標(biāo)函數(shù)是求函數(shù)的最小值問題，為滿足適應(yīng)度函數(shù)取非負(fù)值的要求，將目標(biāo)函數(shù)值y變換為個(gè)體適應(yīng)度Y的公式如下：

式中：Cmax為適當(dāng)?shù)叵鄬Ρ容^大的數(shù)。

（4）設(shè)計(jì)遺傳算子以及確定運(yùn)行參數(shù)。選擇運(yùn)算使用比例選擇算子，交叉運(yùn)算使用單點(diǎn)交叉算子，變異運(yùn)算使用基本位變異算子，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體實(shí)例確定需采用的群體大小、終止代數(shù)、交叉概率、變異概率。

2.2.2 數(shù)值解法

本文采用結(jié)合矢通量分裂格式和雙時(shí)間步法的有限體積法，該方法具有無條件穩(wěn)定特性，且易于隱式求解，采用該方法求解雙曲型的圣維南方程組，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高效率的統(tǒng)一?？臻g離散過程中，方程的積分形式如下：

式中：i為單元格編號。

以連續(xù)性方程中的水位變量為例，任意單元格邊界（i+上對其進(jìn)行二階重構(gòu)，為了防止數(shù)值振蕩，采用min mod限制器計(jì)算Δζi和Δζi+1。

基于高斯散度定理，對流項(xiàng)的空間離散形式如下，

利用前面構(gòu)建的各個(gè)對流分量的黎曼形式，確定對流項(xiàng)的計(jì)算方法，其中需要注意的是，采用AUSM格式計(jì)算流速分量中的弗勞德數(shù)：

式中：λi+1∕2,L和λi-1∕2,L為單元格邊界（i+1∕2）處的弗勞德數(shù)的分裂函數(shù)，限于篇幅，具體形式見文獻(xiàn)[18]。

最終得到的離散格式如下：

式中：αi，βi，γi，ηi為方程經(jīng)過空間重構(gòu)和AUSM格式離散后得到的系數(shù)。

此外，源匯項(xiàng)中，Sζ采用中心差分方法計(jì)算，Sf=-fiUi，Sin=-IiUi，Sp直接利用單元格的中心值計(jì)算。

本團(tuán)隊(duì)針對上述方法研發(fā)了數(shù)值模擬與優(yōu)化調(diào)控相關(guān)軟件。

3 分析與討論

3.1 建立模型

基于第1節(jié)典型研究區(qū)的設(shè)計(jì)資料圖，采用本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水動(dòng)力學(xué)模擬與優(yōu)化調(diào)控軟件，首先構(gòu)建兵團(tuán)某中型灌區(qū)骨干渠系的拓?fù)淠Ｐ?。骨干渠系拓?fù)淠Ｐ鸵妶D3，該拓?fù)淠Ｐ椭饕譃樘飰K層、管渠土層和區(qū)域邊界層；其次，對骨干渠系進(jìn)行網(wǎng)格剖分。本實(shí)例剖分為10 000個(gè)網(wǎng)格，其中，骨干渠系及典型剖分節(jié)點(diǎn)示意圖見圖4，骨干渠系的引水閘、分水閘位置即為典型節(jié)點(diǎn)，干渠、一分干、二分干、一至五支渠的典型節(jié)點(diǎn)編號分別為61、7973、133、9005，3015、6184、345、4477。骨干渠系總體的網(wǎng)格剖分見圖5；然后，對剖分好的骨干渠系拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化調(diào)控計(jì)算。

圖3 典型灌區(qū)渠系建模圖Fig.3 Modeling diagram of canal system in typical irrigation area

圖4 骨干渠系及典型剖分節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of trunk canal system and typical dividing nodes

圖5 骨干渠系總體網(wǎng)格剖分圖Fig.5 Partition grid diagram

3.2 優(yōu)化調(diào)控結(jié)果與分析

通過3.1節(jié)利用軟件構(gòu)建模型，進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化調(diào)控計(jì)算，本節(jié)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析與探討。以6月上旬的灌溉為例，灌區(qū)所有作物小麥、紅棗、棉花都需要進(jìn)行滴灌灌溉。小麥、紅棗、棉花6月上旬的灌水定額分別為450、600和300 m3∕hm2。灌區(qū)干支渠是續(xù)灌，支渠以下為輪灌。當(dāng)所有輪灌組灌溉結(jié)束后（一般為渠道最末端的輪灌組），支渠分水口閘門關(guān)閉。模型輸入?yún)?shù)：干渠口入流量(m3∕s)、各干支渠斷面尺寸(m)、長度(km)、渠道節(jié)點(diǎn)高程、不沖不淤流速、節(jié)點(diǎn)閘門開度、種植作物面積及灌水定額等。輸出參數(shù)：干支渠各典型節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的流量(m3∕s)、水位(m)，以及優(yōu)化控制方案。以干渠口閘門開啟，渠首開始取水為本次灌溉的計(jì)時(shí)起點(diǎn)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，骨干渠系各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的模擬流量、水位變化曲線見圖6和圖7。

圖6 各關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)模擬流量變化過程圖Fig.6 Simulated flow variation process diagram of each key grid nod

圖7 各關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)模擬水位變化過程圖Fig.7 Simulated water level change process diagram of each key grid node

圖6是骨干渠系各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流量隨時(shí)間的變化過程線，圖7是骨干渠系各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水位隨時(shí)間的變化過程線。從圖6和圖7可以看出，總干渠、一分干、二分干、五支渠陸續(xù)開始輸水，三支渠、四支渠緊隨其后開始輸水，一支渠和二支渠由于距離渠首較遠(yuǎn)，在四天多的時(shí)候才開始輸水。骨干渠系各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)關(guān)閉閘門的時(shí)間也長短不一，輸水時(shí)間的長短跟各干支渠控制灌溉面積及渠道本身的過水流量等因素有關(guān)，田間控制面積大的渠道所需通過的灌水量大，而如果渠道本身過水流量大的話，能夠使水流迅速通過，節(jié)省輸配水時(shí)間，否則，該渠道就需要較長的輸配水時(shí)間。

此外，當(dāng)閘門突然關(guān)閉時(shí)，受上游壅水的影響，此時(shí)渠道水位和流量均出現(xiàn)不同程度的增大，從圖6和圖7中可以看出，閘門關(guān)閉時(shí)渠道過水流量和水位曲線均有輕微上揚(yáng)，這也說明了本研究提出的水動(dòng)力學(xué)模型模擬結(jié)果是精確的，能夠反映出渠道水面細(xì)微的變化。

經(jīng)反復(fù)試算，得出本次渠系調(diào)度運(yùn)行的最優(yōu)調(diào)度方案見表2。

表2中，關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)即渠道引水閘或分水閘所在位置，一分干控制一支渠、二支渠和斗口直接灌溉的面積，二分干控制三支渠和四支渠。各骨干渠道控制面積上種植的作物及面積不同，各作物的灌水定額也不同，從表2中優(yōu)化得出的控制方案可以看出，針對6月上旬的灌溉，以總干渠引水閘為例，從0分鐘開始開啟，到17 168分鐘關(guān)閉；一分干閘門從第21分鐘開啟，到17 168分鐘，和總干渠閘門一同關(guān)閉；其余各分干及支渠的閘門開閉時(shí)間均根據(jù)優(yōu)化所得，各不相同。各分干及支渠距離總干渠分水口相對較近的閘門開啟時(shí)間早，距離遠(yuǎn)的由于渠道輸水需要一定的時(shí)間，故閘門開啟時(shí)間較晚。

根據(jù)優(yōu)化調(diào)控模型計(jì)算結(jié)果，以d為單位，生成優(yōu)化調(diào)控方案見圖8，條形圖代表各典型節(jié)點(diǎn)閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間。

圖8 6月上旬灌溉的各渠道配水過程Fig.8 Water distribution process of irrigation channels in early June

從圖8可以更明顯地看出，骨干渠系各個(gè)渠道閘門的開啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間，一分干、二分干、五支渠、三支渠、四支渠，由于距離渠首閘門較近，在渠首閘門開啟的一天之內(nèi)相繼開啟，一支渠和二支渠由于距離渠首閘門較遠(yuǎn)，均在4.67 d的時(shí)候，才進(jìn)行開啟。根據(jù)控制面積大小及渠道過水?dāng)嗝娴南拗茥l件，優(yōu)化得出二分干、四支渠閘門在7 d左右關(guān)閉，五支渠閘門在9.29 d的時(shí)候關(guān)閉，總干渠、一分干、三支渠閘門在接近12 d的時(shí)候關(guān)閉。在渠首閘門關(guān)閉的時(shí)候，一支渠、二支渠的灌溉需求還未得到滿足，不過由于一支渠、二支渠距離渠首閘門較遠(yuǎn)，渠首閘門關(guān)閉的時(shí)候，通向一支渠、二支渠的渠道中還有存量的水，這部分水會繼續(xù)推進(jìn)到一支渠、二支渠中，故一支渠、二支渠關(guān)閉時(shí)間比渠首閘門關(guān)閉的時(shí)間晚。

將本研究優(yōu)化調(diào)控方案和灌區(qū)傳統(tǒng)的配水方案的配水時(shí)間與配水時(shí)段內(nèi)的棄水量進(jìn)行對比分析。該灌區(qū)傳統(tǒng)的配水方案，即是按照人工觀測經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行閘門的開啟，待渠道控制灌溉面積的灌水量滿足作物的灌溉需求后關(guān)閉閘門，沒有進(jìn)行優(yōu)化配置。本研究調(diào)研獲取了該灌區(qū)多年的灌溉閘門開閉時(shí)間方案，由此方案和計(jì)算出的優(yōu)化調(diào)控方案進(jìn)行對比分析：

（1）優(yōu)化調(diào)控方案與灌區(qū)傳統(tǒng)配水時(shí)間對比分析。將關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化調(diào)控方案和傳統(tǒng)配水方案的配水時(shí)間，繪制柱形圖如圖9所示。

圖9 關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)配水時(shí)間對比圖Fig.9 Comparison of water distribution time of key grid nodes

從圖9中可以看出，在流量相同的前提下，與灌區(qū)傳統(tǒng)配水方案相比，優(yōu)化調(diào)控方案的配水時(shí)間均有明顯縮短，總干渠的配水時(shí)間從15 d縮短到了12 d，縮短了3 d的時(shí)間；一分干的配水時(shí)間從13 d縮短到了11.91 d，縮短了1 d多的時(shí)間；二分干從10 d縮短到了7 d，縮短了3 d；其他一至五支渠配水時(shí)間也都有不同程度的縮短。

這是由于優(yōu)化調(diào)控方案縮短了灌溉周期，增大了過水流量，能夠保證水流快速通過渠道進(jìn)入田間滴灌系統(tǒng)，保障作物關(guān)鍵生長期用水需求。

（2）優(yōu)化調(diào)控方案與灌區(qū)傳統(tǒng)配水棄水對比分析。在配水時(shí)段內(nèi)，將關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化調(diào)控方案和傳統(tǒng)配水方案的棄水量，繪制柱形圖如圖10所示。

圖10 關(guān)鍵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)棄水量對比圖Fig.10 Comparison of discardedwater of key grid nodes

從圖10可以看出，在配水時(shí)段內(nèi)，干支渠優(yōu)化配水方案的棄水量普遍少于傳統(tǒng)配水方案的棄水量。對總干渠而言，傳統(tǒng)配水方案的棄水量為216.30 萬m3，優(yōu)化配水方案的棄水量為123.6 萬m3，減少了92.7 萬m3；一分干傳統(tǒng)配水方案的棄水量為85.2 萬m3，優(yōu)化配水方案的棄水量為63.9 萬m3，減少了21.3 萬m3；二分干傳統(tǒng)配水方案的棄水量為33.0 萬m3，優(yōu)化配水方案的棄水量為23.76 萬m3，減少了9.24 萬m3；其他一至五支渠的棄水量也都有不同程度的減少。

這是由于傳統(tǒng)的灌溉方案是憑經(jīng)驗(yàn)觀察田間灌水夠了，才關(guān)閉閘門，而水流是一個(gè)過程，田間灌水夠了的時(shí)候，渠道里還有很多存量的水，便會產(chǎn)生很多棄水，所以輸配水系統(tǒng)是需要根據(jù)優(yōu)化調(diào)控方案的計(jì)算結(jié)果提前關(guān)閘門的。因此，本研究提出的優(yōu)化調(diào)控方法能夠在配水時(shí)段，滿足灌溉需求的前提下，減少無效棄水。

3.3 調(diào)控模式

上述模擬計(jì)算是針對6月上旬的用水需求，如果用水需求發(fā)生變化，比如4月上旬，只有小麥和棉花需要灌溉，紅棗則不需要灌溉，即需要重新模擬計(jì)算，得到對應(yīng)于用水需求的配水計(jì)劃。以棉花、紅棗、小麥滴灌灌溉制度為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況，確定需要灌溉的水量。本研究將根據(jù)該灌區(qū)各個(gè)時(shí)期的灌溉需水量，利用軟件模擬與優(yōu)化，提前生成調(diào)控方案，在實(shí)際灌溉的時(shí)候可以根據(jù)用水需求，選取需要的灌溉方案。

針對上述灌區(qū)，本研究模擬計(jì)算出各種不同需水量對應(yīng)的優(yōu)化調(diào)控方案，形成該灌區(qū)輸配水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式見表3。

表3中閘門開啟時(shí)間和閘門關(guān)閉時(shí)間分別是指從本次灌溉總干渠引水閘開啟開始計(jì)時(shí)，各渠道分水閘從第幾分鐘開始開啟的，從第幾分鐘需要關(guān)閉?？瞻椎牡胤绞潜敬喂喔炔恍枰_閉的閘門。以4月上旬的灌溉為例，需要灌溉棉花和玉米，紅棗在4月上旬不需要灌溉?？偢汕l門從第0分鐘開始開啟，也即從總干渠閘門打開的時(shí)刻開始計(jì)算本次灌溉的時(shí)間，到第6 197分鐘關(guān)閉，總干渠閘門本次灌溉一共開啟6 197分鐘；一分干分水閘從第21分鐘開啟，到第4 714分鐘關(guān)閉，一分干分水閘本次灌溉一共開啟4 693分鐘。二支渠和五支渠因?yàn)榉N植的作物是紅棗，不需要本次灌溉，閘門也不需要開啟。

本研究提出的兵團(tuán)某灌區(qū)輸配水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式可為該灌區(qū)全年不同時(shí)期的灌溉調(diào)控提供依據(jù)，在實(shí)際灌溉中，可以此模式為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況稍作調(diào)整即可。

以此類推，對于其他灌區(qū)，都可以采用同樣的方法，利用軟件建模、網(wǎng)格剖分、數(shù)值模擬，生成各種不同用水需求的調(diào)控方案，形成針對不同灌區(qū)的輸配水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模式，為灌區(qū)全年不同時(shí)期的灌溉調(diào)控提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

針對兵團(tuán)先進(jìn)的田間高效節(jié)水新技術(shù)對應(yīng)著低水平、粗放型的運(yùn)行管理，輸配水已不能滿足作物在滴灌模式下的灌溉需求問題，本研究借助一維圣維南方程，在準(zhǔn)確合理地模擬渠道系統(tǒng)水流運(yùn)動(dòng)過程的基礎(chǔ)上，建立以灌水時(shí)間短、棄水少為控制目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)控模型，并研發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算軟件。在兵團(tuán)某中型灌區(qū)進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用，構(gòu)建了渠系拓?fù)淠Ｐ停⒘饲递斉渌畠?yōu)化調(diào)控模型，結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確模擬渠系中某一次灌水的水流運(yùn)動(dòng)過程，生成輸配水優(yōu)化調(diào)控方案。經(jīng)過與傳統(tǒng)配水方案對比可知，優(yōu)化調(diào)控方案縮短了灌溉周期，能夠保證水流快速通過渠道進(jìn)入田間滴灌系統(tǒng)，保障作物關(guān)鍵生長期用水需求，且在配水時(shí)段，滿足灌溉需求的前提下，減少無效棄水。在此基礎(chǔ)上，提出了適用于該灌區(qū)的輸配水調(diào)控模式。

5 結(jié) 語

前人針對灌區(qū)渠系調(diào)度的研究多是靜態(tài)的配水，本研究基于水動(dòng)力學(xué)模型，將渠系輸配水過程進(jìn)行了精準(zhǔn)模擬，且前人研究多針對地面灌溉，本研究針對具有高可控性和精準(zhǔn)性的滴灌，與地面灌溉不同，滴灌灌溉制度具有高頻性、灌溉周期短的特點(diǎn)，更需要嚴(yán)格按照作物的生長期按時(shí)按量進(jìn)行灌溉。本研究針對滴灌系統(tǒng)將渠系輸配水過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，以灌水時(shí)間短和棄水少為控制目標(biāo)，建立了渠系輸配水優(yōu)化調(diào)控模型，計(jì)算出的優(yōu)化調(diào)控方案，更符合實(shí)際水流情況，提高了閘門開閉時(shí)間的準(zhǔn)確性，更符合滴灌系統(tǒng)高控制性的特點(diǎn)，且提出的灌區(qū)輸配水調(diào)控模式為全生育期灌溉輸配水調(diào)控提供了依據(jù)。