基于遗传算法的灌排结合渠系优化设计研究

作     者：郑衍波 

作者单位：东北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张忠学;韩松

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 082802[工学-农业水土工程] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0835[工学-软件工程] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：遗传算法 灌排结合渠系 优化设计 效益分析 

摘      要：我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一,人均土地资源占有量约为世界人均水平的40%。随着我国社会、经济的发展,我国人口也在随之不断的增长,人水矛盾和人地矛盾问题日益突出。灌区是我国重要的粮食生产基地,在我国农业生产与发展中发挥着非常重要的作用。我国灌区灌溉工程大多建设在二十世纪六十年代,限于当时的经济与技术水平,大部分灌溉工程建设的质量与要求较低,存在着布局不合理、配套不完善等问题,我国灌区传统的灌排工程一般为灌排分开的布置形式,灌排沟渠等工程设施占地率较高,灌区的土地利用率和灌溉水利用率较低。为了减少灌排工程占地率、增大灌区耕地面积、提高水资源利用效率,一种新型的灌排结合渠道布置形式应运而生。灌排结合渠道将灌水渠道和排水沟道相结合,灌溉和排水共用一套系统,可以减少工程量和占地面积,该模式在我国北方地区初步建设起来,但实际生产应用并不广泛,缺少完善的灌排结合渠系设计方法,因此,对于灌排结合渠系进行优化设计研究,寻求高效、便捷的灌排结合渠系优化设计方法具有重要的意义,以期为我国灌区灌排结合渠系建设提供一定的理论依据。本文通过对灌排结合渠系优化设计相关文献进行整理和分析,从灌区经济的角度出发,对灌排渠系建设的费用和效益进行分析,构建效益与费用函数,建立以年净效益最大为目标函数的优化设计模型,提出相应的优化求解算法,应用于工程实例中加以验证,并与人工经验法设计方案进行比较,取得的主要研究成果如下:（1）本文对灌排结合渠系建设的费用和效益组成进行分析,主要包括渠道工程投资、渠系建筑物投资、年运行费用、新增耕地效益和增产效益等,构建了相应的费用和效益函数,以年净效益最大为目标函数、以断面尺寸为决策变量建立了灌排结合渠系优化模型,分析了模型求解的约束条件,主要有:流量校核、流速、断面宽深比、工程占地率等约束条件。（2）采用遗传算法对优化模型进行求解,确定了优化模型求解的相应参数,利用Matlab对优化模型程序进行编制,采用浮点数编码方式,避免了二进制编码的冗余问题,提高了优化函数运算的全局搜索能力,同时对遗传算法的适应度函数、初始种群、遗传算子等参数进行设置,通过工程实例进行验证。运算结果表明,遗传算法在解决渠系优化问题时,运算效率较高,收敛速度快,可以快速得到灌排结合渠系的优化设计方案,证明了遗传算法的迅速收敛性,适用于灌排结合渠系的优化设计。（3）将优化模型应用于工程实例中进行验证,采用遗传算法求解得到了灌排结合渠系优化设计方案,并与人工经验法设计方案进行比较分析。结果表明:采用遗传算法优化设计的灌排结合渠系布置方案可以获得净效益285641元,较人工经验法设计方案增加了2.7%。同时,遗传算法优化设计渠道可以减小过水断面面积和土方量,从而减少工程投资费用,研究区年投资费用为114001元,较人工经验法设计方案减少了5.1%。遗传算法优化方案获得新增耕地面积有所增加,获得新增耕地效益44155元,较人工经验法增加了3.4%。通过本文建立的优化模型进行灌排结合渠系优化设计,采用遗传算法进行求解,可以高效、精确的得到优化设计方案,运算效益高、收敛速度快,证明遗传算法在解决灌排结合渠系优化设计问题上具有较好效果。同时与人工经验法相比,采用本文的优化设计方法可以减小渠道过水断面面积和土方量,节省工程建设费用,增大新增耕地面积,使灌区获得更好的经济效益,为日后灌区的灌排结合渠系优化设计提供了一定参考依据,对推动灌区现代化建设具有重要的意义。