多水源灌溉系统输水管网工程优化问题研究

作     者：陈赛玥 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李妍峰

授予年度：2023年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 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] 

主      题：多水源灌溉系统 输水管网 水源选址 布置方法 优化设计 

摘      要：长期以来农业都是我国的立国之本。农业作为耗水大户，每年用水量占全国总用水量的 80%以上，而传统灌溉方式的水利用系数仅为 0.5。随着社会经济的快速发展，各项生产活动对水资源的需求日益增加，农业用水的稳定性受到了极大的影响。加上我国水资源分布不均，各地区都存在不同程度的缺水问题。因此，农业生产中水资源的供需矛盾必须解决，而解决问题最重要的途径就是发展节水灌溉。与传统明渠配水方式不同，节水灌溉输水管网将水资源加压后通过管道输送至需水区域以减少蒸发渗漏损失、提高用水效率，在农业灌溉工程中得到了广泛的应用。因此考虑多水源灌溉系统输水管网工程优化问题具有非常重要的意义。 管道网络优化包括管网布置和管网设计两个子问题，现有研究多将管网优化的两个子问题视为独立的阶段分步优化。本文旨在为水资源匮乏地区的灌溉系统解决修建补充水源的数量、选址及其管网优化方案以降低灌溉系统的建设成本和运行成本，因此考虑灌溉系统水源选址的同时，协同优化管网布置和管网设计两个子问题。首先对水源选址和管网优化的相关背景和现实问题进行分析;其次基于运筹学中选址问题和生成树相关理论背景，在考虑水力约束、供需平衡等约束的条件下，以最小化灌溉系统水资源分配成本和管网安装成本为目标函数建立了混合整数非线性规划模型，并设计相应的算法。求解算法将局部搜索与精确算法结合，以最小生成树算法产生的布置形态及其系统总成本作为初始布置形态和初始系统总成本，根据问题特性设计初始布置形态的邻域并搜索以改变管网布置，采用Gurobi求解器计算关于水资源分配成本的运输模型和求解管网安装成本的 0-1 整数规划模型，寻求总成本更低管网实施方案。数值实验部分对比了本文设计的混合启发式算法和分步优化算法，证明了算法对于优化灌溉系统输水管网工程问题的有效性。