基于GIS的灌溉输配水管网优化研究

论文摘要

管道输、配水灌溉系统与其它节水灌溉技术相比在提高灌溉水利用率、节省农田、便于机耕和扩大灌溉面积等方面都显示了巨大的效益和潜力。管道化灌溉将是本世纪节水灌溉发展的一个重要趋势,但与此相应的是管道系统建设规划设计内容复杂,需要的材料和设备多,一次性投资较高。因此进行灌溉管网优化设计,即寻求满足水量、水压、流速等约束条件,使管网投资、年运行费或单位面积上的投资最小,系统可靠性高的设计方案,对节约投资、降低能耗、促进新技术的发展都有重要的现实意义。本文以灌溉输、配水管网的优化为研究对象,借鉴前人研究成果,采用现代数学优化方法,对各类管网的优化设计模型进行研究,取得了以下几个方面的进展:1)建立了树状管网优化布置的数学模型,该模型的目标函数仅有各个管段的长度和流量,既考虑了流量的变化,又摒除了管材的价格、规格型号等因素的影响,使优化计算更直接、简便。在建立模型和求解的过程中,把图论理论和列队竞争算法应用到其中,通过实例验证表明所建立的树状优化布置模型可行,编码方式合理,需要输入的数据少,计算简单,能得到管网优化布置的最优解。2)以往的管网优化模型都是以管材费用或者经过折算的管材费用最小为目标建立优化模型的,它忽略了其它费用项对对优化结果的影响,只能达到使管材费用最小的目标,并不能达到管网系统整体投资费用的最小的目的。在树状重力输、配水管网中,提出了以两种重力水头利用率,即管段水头利用率和路径水头利用率最大为目标建立优化设计模型,既达到管材费用较小,又充分利用地形落差所产生的重力水头,减少消能减压设施的费用,真正达到使系统总投资最小的目标。用列队竞争算法对该模型进行求解,通过实例验证表明用该方法适用于树状重力输、配水管网的优化设计,且当项目所在地的地形落差较大时,优化效果更显著。该方法收敛速度快,而以路径重力水头利用率为目标函数的模型因没有约束条件的限制,计算速度更快。3)现有的管网规划模型大都是确定性规划模型,但在系统的使用年限内,各用水单位的需水量、灌水方法、管道输水能力都是变化的,即有一些设计参数在设计年限内是变化的。本文将管段设计流量、管道粗糙系数、节点工作水头作为随机变量,建立了基于约束规划的树状管网不确定优化模型。通过算例分析表明,不确定优化模型与确定性优化模型所得的优化结果中,如管段设计流量、管径组合方案以及管材费用等都有显著的不同,且该模型与实际情况更接近。在实际的规划设计当中,需要对工程进行实地的考察分析来确定不确定规划的有关参数,如随机变量的方差、置信水平等。4)环状管网由于节点压力分布均匀,水量调度灵活,管道利用率高而得到了广泛的应用,但目前对环状管网优化设计的研究则比较少。环状管网优化优化计算的核心是管网的水力平衡计算,其目的是在确定管径的情况下求出满足连续方程和能量方程的节点压力水头和管段设计流量。本文用列队竞争算法产生管段组合方案并进行优化计算,用基于图论理论的水力平衡计算模型计算出满足连续方程和能量方程的各节点压力水头、所需扬程和管段设计流量等,该模型把复杂的水力计算转化为向量、矩阵运算,且无需进行初始流量分配。5)目前制约灌溉管网优化设计发展的其中一个原因是管网的规划设计没有与考虑将它和实际地形相结合,而它本身又受地形的影响与制约,所以在一定程度上管网的优化研究还停留的在理论研究上。本文将地理信息系统以及数据库技术应用到管网的优化当中,用地理信息系统的空间分析和网络分析功能和数据库的大量数据存储、计算处理能力,实现了地图、优化计算模型和管网数据的存储、读取的无缝连接,将优化计算结果可视化显示出来,用起来更方便直观。6)所建立的模型都是以实际应用为最终目标的。本文在所建立的模型的基础上,用Visual Basic编程语言、MapX组件和Access数据库开发了灌溉输、配水管网优化软件。并通过工程实例对所建立的模型和程序进行了验证和测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 灌溉管网优化设计的研究背景及意义
• 1.2 国内外灌溉管网优化设计研究现状
• 1.2.1 树状管网优化模型
• 1.2.2 环状管网的管段流量分配模型
• 1.2.3 系统优化目标
• 1.3 管网优化算法
• 1.3.1 传统优化算法
• 1.3.2 智能优化算法
• 1.3.3 管网优化设计软件的研究进展
• 1.4 GIS 的发展及其在管网设计中的应用
• 1.4.1 GIS 的特点
• 1.4.2 数字水利及GIS 在输、配水管网中的应用
• 1.4.3 系统开发方式的选择
• 1.5 灌溉输、配水管网优化中存在问题
• 1.6 研究内容和方法
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 研究方法
• 第二章 基于列队竞争算法的变权值树状管网优化布置模型
• 2.1 列队竞争算法
• 2.1.1 列队竞争算法的提出
• 2.1.2 列队竞争算法的应用
• 2.2 图论的有关理论
• 2.2.1 图
• 2.2.2 树
• 2.2.3 图的存储
• 2.3 其它有关算法
• 2.3.1 递归算法
• 2.3.2 深度优先搜索算法
• 2.4 树状管网的优化布置
• 2.4.1 树状管网优化布置模型的建立
• 2.4.2 算法的设计及其实现
• 2.5 工程实例验证及分析
• 2.5.1 实例描述
• 2.5.2 结果的分析比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 以重力水头利用率为目标的树状管网优化设计研究
• 3.1 管网系统水头损失的计算
• 3.1.1 达西—韦斯巴赫公式
• 3.1.2 勃拉休斯公式
• 3.1.3 哈-威公式
• 3.1.4 局部水头损失
• 3.2 灌溉输、配水管网系统优化设计概述
• 3.3 优化设计目标函数
• 3.3.1 以费用最小为目标
• 3.3.2 多目标优化
• 3.3.3 其它优化目标
• 3.4 以重力水头利用率为优化目标的重力输、配水管网优化模型
• 3.4.1 模型的建立
• 3.4.2 模型的求解
• 3.5 算例验证及其比较
• 3.5.1 算例概况
• 3.5.2 优化结果分析比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于机会约束规划的灌溉管网不确定优化模型
• 4.1 不确定规划理论
• 4.1.1 随机模拟
• 4.1.2 乐观值与悲观值
• 4.1.3 随机数的产生
• 4.2 机会约束规划问题
• 4.2.1 机会约束
• 4.2.2 Maximax 机会约束规划
• 4.2.3 Minimax 机会约束规划
• 4.3 模型的建立
• 4.3.1 灌溉输、配水管网中的随机变量
• 4.3.2 重力输、配水管网的不确定优化模型
• 4.3.3 泵站加压输、配水系统优化模型
• 4.4 机会约束规划模型的列队竞争算法求解
• 4.4.1 随机数的产生
• 4.4.2 列队竞争算法求解
• 4.5 工程实例验证及分析
• 4.5.1 工程概况
• 4.5.2 算例参数的确定
• 4.5.3 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于图论的环状管网优化设计
• 5.1 环状管网概述
• 5.2 图论原理及水力计算模型
• 5.2.1 环状管网有关的图论原理
• 5.2.2 环状管网的水力计算模型
• 5.3 基于列队竞争算法的环状管网优化设计模型
• 5.3.1 水源水压已定的环状管网优化设计模型
• 5.3.2 水源水压未定的环状管网优化设计模型
• 5.3.3 列队竞争算法进行求解
• 5.4 工程实例验证
• 5.4.1 工程概况
• 5.4.2 优化结果分析比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于GIS 的灌溉管网优化设计软件的实现及其应用
• 6.1 MAPX 概述
• 6.1.1 MapX 开发概述
• 6.1.2 基于MapX 的开发模式
• 6.2 制作地图数据
• 6.2.1 MapX 的数据结构
• 6.2.2 数据准备
• 6.3 系统设计
• 6.3.1 软件结构设计
• 6.3.2 数据结构设计
• 6.4 系统的主要功能
• 6.4.1 数据的输入和管理
• 6.4.2 地图的显示
• 6.4.3 图形的查询与管理
• 6.4.4 优化计算
• 6.5 其它功能
• 6.6 本章小结
• 第七章 工程实例验证分析
• 7.1 基本资料
• 7.2 准备工作
• 7.3 优化布置
• 7.4 优化设计
• 7.4.1 有关资料
• 7.4.2 确定性规划
• 7.4.3 不确定规划设计
• 7.5 本章小结
• 第八章 研究成果与讨论
• 8.1 研究成果
• 8.2 主要创新点
• 8.3 存在问题
• 8.4 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介