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管灌区管网用水调控模型研究

贾艳辉;程千;阎伟;李金山

【摘要】[目的]探索管灌区管网用水优化配置方法,有助于减少开关阀门次数、保

障管网运行安全.[方法]将管网水动力学模型嵌入到以管网配水时间最小和各节点流

量变化最小为目标的管网优化配水模型,通过模型间公共参数的数据交换,构建管网

用水配置耦合模型,并采用迭代法对其进行寻优,最终形成管网用水调控模型.[结果]

利用该耦合模型可以精准模拟管网各节点的压力流量变化过程,与管灌区目前常用

的管网优化配置方法相比,使用耦合模型对管网水资源进行优化配置,在实现管网配

水全过程实时监控的同时,使得到的结果更加真实和精细.[结论]该方法的应用实例

证明了该模型和算法的有效性;嵌入分布式水动力学模型后,耦合模型无法用传统的

规划方法进行求解,迭代求解的迭代格式建立及求解过程比较耗时;该方法为包含分

布信息的水资源优化配置问题提供了新的思路.

【期刊名称】《中国农业信息》

【年(卷),期】2019(031)004

【总页数】8页(P43-50)

【关键词】管网;耦合;优化;决策

【作者】贾艳辉;程千;阎伟;李金山

【作者单位】中国农业科学院农田灌溉研究所,河南新乡453002;中国农业科学院

农田灌溉研究所,河南新乡453002;河北省水利水电勘测设计研究院,天津300250;

中国农业科学院农田灌溉研究所,河南新乡453002

【正文语种】中文

0引言

管灌区管网运行优化配置是在尽量满足作物生长需水的条件下，通过对各级管道流

量和压力进行调控，达到减小配水时间、合理配置资源的目的，属于管理节水的范

畴。研究管灌区管网运行优化配置方法，建立灌区优化配水模型，合理利用灌溉资

源，推动灌区现代化建设发展具有重要意义。

在以往研究中，国内外学者分别采用线性规划［1-4］、非线性规划［5-6］、动

态规划［7-9］、水动力学模拟［10-12］等方法对管网配水进行探讨，得到了诸

多可以借鉴的方法和结果。管网优化最早用的是线性规划，该方法操作简单且理论

成熟，但其目标函数或多或少地包含非线性因素，随着计算方法和计算手段不断改

进，该方法已不再是管网优化的首选。对于非线性规划，虽然有所改进，但不适用

于目标函数复杂的模型计算。动态规划法主观性较强，对于部分因素的选择缺乏统

一的标准，有一定的技巧性。针对以上方法存在的问题，该研究探讨了管灌区管网

配水优化模型，并结合水动力学模型和优化模型的优点构建耦合模型，把水动力学

模型嵌入到优化模型，实现更精确求解管网用水优化调度模型的目的。

1耦合模型构建

把管网水动力学模型和管灌区管网配水优化模型进行耦合，优化管灌区管网调度模

型，通过协调耦合模型中水动力模拟模型与灌溉管网优化调度模型之间公共变量和

计算结果等信息，达到管灌区灌溉水资源的科学配水，实现灌溉水资源高效利用的

同时，大幅提高管灌区配水的科学化程度。

1.1耦合模型结构

基于管网水动力学模型和管灌区管网优化调度模型的耦合模型结构如图1所示，

耦合模型中的管网水动力学模型部分作为管网优化调度模型的约束条件，该耦合模

型运行过程中数据传递主要依靠轮灌方式、节点流量等公共参数进行。

图1耦合模型结构Fig.1Thecoupledmodelstructuremap

1.2管网优化模型

1.2.1目标函数

管网优化模型以轮灌周期最短和灌水周期内管网各节点流量波动最小为目标，其目

的是节省灌区管网运行时间，从而节省运行成本；管网内各节点流量波动最小，可

以实现管灌区灌水期间管网水头损失最小，使管网运行一直处于最优状态，达到节

能和省时的统一。

（1）系统轮灌时间最短，公式为：

式（1）中，T为管灌区灌溉1次所用的时间；M为轮灌组数；Ti为第i个轮灌组

灌溉1次所用的时间。

（2）系统各节点流量变化最小，公式为：

式（2）中，σQ为各节点流量变化量；Qi为节点流量；为各节点流量平均值。

1.2.2决策变量

（1）轮灌分组数M，采用组间轮灌方式，每个轮灌组内的各出水口同时开放，所

以轮灌组数直接影响了系统灌溉时间T。

（2）出水口状态变量xij∈{0，1}（i=1，2，...，M；j=1，2，...，N），M为管

灌区轮灌组数，N为管灌区所用出水口的总数。

1.2.3约束条件

节点压力约束，出水口j各时间段i的压力Pij要大于出水口供水最小压力Pmin，

并且要小于出水口管段的安全耐压Pmax，即有：

出水口单次供水约束，出