大型灌区续建配套与节水改造规划设计相关技术与方法研究

论文摘要

我国现有大型灌区434处,是我国农业灌溉的骨干及我国重要的商品粮、棉、油基地,在农业和农村经济发展中及改善生态环境等方面有着十分重要的地位和作用。为了改善灌区工程与管理状况,遏制灌溉效益衰减趋势,提高灌溉水利用效率和农业综合生产能力,1998年,国家启动了《全国大型灌区续建配套与节水改造规划》项目。今后大型灌区续建配套与节水改造规划设计的任务仍然艰巨,对其相关技术和方法进行研究显的尤为重要,为此,本文开展了以下工作:（1）本文提出了一般渠段、轮灌渠道及续灌渠系的纵横断面优化设计方法。大型灌区续建配套与节水改造中,由于灌溉渠道系统的投资在整个灌区改造总投资中占相当大的比重,特别是渠道的开挖及衬砌费用投资很大,因此其设计的科学与否将直接影响到水资源利用效率的高低以及农田水利工程在农业生产中效益的发挥。在目前的灌区续建配套与节水改造中,渠道纵横断面参数,特别是纵坡的选择十分重要,这对灌区改造完成后的管理运行具有重要的经济价值。本文基于遗传算法,以工程量最小为目标函数,考虑不冲不淤及首末水位约束,提出一般渠段横断面及轮灌渠道纵横断面的优化设计模型和求解方法;对骨干输配水渠系的纵横断面优化设计,针对灌区改造中常用的断面形式,首次考虑了渠段的最小水位、干支渠分水口水位衔接校核,以工程量最小为目标函数,提出了二级骨干输配水系统动态规划模型及求解方法。（2）本文首次建立了基于BP神经网络的灌区建筑物工程量估算模型,开发了辅助设计模块,方法简便、实用。按照国家《大型灌区续建配套与节水改造20092020年规划》,至2020年尚存近1200亿投资要实施,为了科学安排灌区投入资金,在规划阶段对灌区建筑物工程进行投资估算就显得十分重要。对水利工程的造价估算,我国通常采用工程概算估价法,该方法是根据已建类似工程的工程量,结合拟建工程的实际情况,首先估算其工程量,再按不同的单价估算其价值量,编制概算,从而得到它的投资估算。灌区建筑物工程概算估价法关键是工程量估算。论文通过分析灌区各类建筑物工程影响工程量的主要因素,在分类建立主要灌区工程数据库（工程主要技术参数、主要工程量、主要材料用量等）的基础上,首次建立了基于BP神经网络的工程量估算模型,开发了辅助设计模块,方法简便、实用。（3）本文首次建立了灌溉泵站群优化布局调整的动态规划模型,针对此模型首次提出了耦合约束具有明确边界的动态规划降维方法。在大型灌区续建配套与节水改造规划中,经常会发现有些灌区骨干灌溉干渠（河）两岸的灌溉泵站提水能力接近或大于渠道引水能力,造成灌溉高峰季节,引水渠（河）道水位急剧下降,致使无法正常灌溉,且使引水渠（河）道生态恶化的现象。本文针对该类灌区内灌溉泵站群的特点,以耗能最小为目标函数,以满足灌溉引水要求及生态需求为约束条件,首次建立了灌溉泵站群优化布局调整的动态规划模型,为此类灌区灌溉泵站群的优化布局及灌溉渠道规划调整提供科学依据。论文针对灌溉泵站群优化布局调整动态规划模型的特点,首次提出了耦合约束具有明确边界的动态规划降维方法,丰富了动态规划优化理论。（4）为了提高大型灌区续建配套与节水改造规划设计的工作效率,论文首次采用“VB+MapX”开发完成了基于GIS的灌区规划计算机辅助设计系统。系统采用面向对象的编程方法,以Microsoft Visual Basic 6.0作为开发平台,采取人机对话的方式,实现了多种软件（Visual Basic 6.0、MapX控件、Microsoft Access等）的跨平台集成。系统可协助灌区规划人员对灌区进行全过程规划设计,包括设计代表年的选择、作物需水量计算、作物灌溉制度计算、灌水率计算、灌溉渠系GIS实时规划、渠系设计流量推算、渠道纵横断面设计、渠系纵横断面优化、排水沟道GIS实时规划、排水流量计算、排水沟道断面设计、渠系建筑物GIS实时规划、灌区建筑物工程造价估算、经济分析等。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国大型灌区的基本情况
• 1.1.2 大型灌区续建配套与节水改造的必要性
• 1.1.3 全国大型灌区续建配套与节水改造工作进展
• 1.1.4 江苏省大型灌区续建配套与节水改造过程
• 1.2 论文研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 灌溉渠道系统优化
• 1.3.2 灌区建筑物工程造价估算
• 1.3.3 灌区灌溉泵站群布局优化调整
• 1.3.4 GIS 及计算机辅助设计系统在水利工程规划中的应用
• 1.4 论文研究的思路、方法及主要研究内容
• 1.5 本章小节
• 2 灌区渠道（段、系）优化设计方法研究
• 2.1 问题的提出
• 2.2 渠段纵横断面的遗传设计方法
• 2.2.1 渠段横断面一般设计方法
• 2.2.2 渠段纵横断面优化设计方法
• 2.3 轮灌渠道纵横断面的遗传设计方法
• 2.3.1 优化设计思路
• 2.3.2 方法和应用
• 2.4 续灌渠系优化设计动态规划模型的建立和求解
• 2.4.1 问题的提出
• 2.4.2 续灌渠系优化设计动态规划模型的建立
• 2.5 本章小节
• 3 灌区建筑物工程造价估算方法研究
• 3.1 问题的提出
• 3.2 灌区建筑物工程的BP 神经网络投资估算方法与应用
• 3.2.1 估算方法的比选评述
• 3.2.2 人工神经网络概述
• 3.2.3 BP 神经网络模型与求解
• 3.2.4 灌区建筑物工程量估算
• 3.3 本章小节
• 4 灌区灌溉泵站群优化布局调整模型的建立和应用研究
• 4.1 问题的提出
• 4.2 灌区灌溉泵站群优化布局模型与求解方法
• 4.2.1 灌区灌溉泵站群与其运行特点
• 4.2.2 灌溉泵站群优化布局调整的动态规划模型
• 4.2.3 泵站群优化布局调整的应用研究
• 4.3 本章小节
• 5 基于GIS 的灌区规划辅助设计系统的研制
• 5.1 问题的提出
• 5.2 基于GIS 的灌区规划计算机辅助设计系统开发研制
• 5.2.1 灌区规划辅助设计的主要内容和开发平台的选择
• 5.2.2 系统总体设计
• 5.2.3 系统开发
• 5.3 本章小节
• 6 结论与展望
• 6.1 主要研究内容和创新
• 6.2 展望
• 攻读博士学位期间参加的科研课题和发表的学术论文
• 参考文献
• 致谢