黑龙江省林甸灌区田间渠道工程方案优选

周 欣，雷兴元

(黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)



黑龙江省林甸灌区田间渠道工程方案优选

周 欣，雷兴元

(黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)

为了选取占地、建设难度与投资相对经济、合理、适应性高的渠道作为设计方案，以林甸灌区灌排渠道工程方案布置为例，介绍3种不同的渠道设计方案的特点，运用层次分析法选取的指标，然后利用基于加速遗传算法的投影寻踪模型评价这三种方案的优缺点，从而评价出最优的方案。通过这些方法，表明该灌区灌排结合方式设计的渠道方式比灌排分开布置的方式更经济、合理、实用性更强，同时也表明该评价方法的准确性与可行性。

灌排渠道工程；方案评价；评价指标；层次分析法；投影寻踪模型

0 引 言

林甸灌区位于黑龙江省林甸县东部，松嫩平原近东部边缘，该灌区地形平坦，地处E125°7′-125°7′，N47°20′-47°6′。黑龙江省水田面积发展较快，水源以地下水灌溉为主，灌溉用水保障程度低，因此，黑龙江省未来将会大力发展以地表水源为主的大、中型灌区，如果按照原有渠系布置原则，大部分新建田间灌溉渠道占地较大，难以实施。为此本文研究以现有排水沟道改造成为灌溉与排水两用渠道的设计关键技术，利用基于加速遗传算法的投影寻踪模型(RAGA-PPC)优选出最经济实用的渠道布置方案。灌溉与排水结合利用渠道的设计实用技术研究指导使黑龙江省未来灌区设计和管理规范化，以最经济的方式最大程度保障灌区灌溉排水的要求。

1 林甸灌区田间工程渠道设计方案

本次方案设计选用林甸灌区其中一干渠的控制区域进行设计研究，该区水田净灌溉面积大约为736.9 万hm2,包括总干渠1条,分干渠1条，地面高程为递减，分干渠长度约为4251m，在一分干桩号1+942处引一支渠，长度约为1915m，下设5个斗渠，现对一支渠拟制定3种方案进行比较。

1.1 方案一

采用单灌单排渠系布置。斗、农渠采用灌溉与排水系统分开设计。根据计算的流量和水位,项目区有条件满足自流灌溉[1]。

灌区田间工程常规设计水利要素表见表1-表2。

表1 灌区田间渠道水利要素

表2 灌区田间沟道水利要素表

1.2 方案二

采用灌排结合，斗、农渠采用灌溉与排水两用渠道设计，灌溉与排水流向相同。

灌区田间工程结合渠道设计水利要素见表3。

1.3 方案三

采用灌排结合，斗、农渠采用灌溉与排水两用渠道设计，灌溉与排水流向相反。

灌区田间工程结合渠道设计水利要素见表4。

表3 灌区田间结合渠道水利要素表(方案二)

表4 灌区田间结合渠道水利要素表(方案三)

2 基于层次分析法的指标权重排列

2.1 田间渠道工程方案综合评级指标体系的建立

本文主要从投资成本、施工条件、管理措施、生态美化4方面进行综合分析，基于影响因素的多样性和复杂性，建立了灌区田间工程渠系布置方案的综合评价指标体系，见图1，自上而下分别目标层A、准则层B、指标层C。

图1 田间渠系工程布置方案综合评价指标体系

2.2 层次分析法简要步骤

步骤1：对田间工程方案综合评价指标系统建立层次结构模型。这里的层次结构模型从上到下的目标层A、准则层B、和指标层C组成，统称为系统要素。

步骤3：层次各要素的单排序及其一致性检验，就是要确定同一层次各要素对于上一层次某要素的相对重要性的排序权值并检验各判断矩阵的一致性。

步骤4：层次总排序及其一致性检验，即确定同一层次各要素对于最高层(A层次)要素的排序权值并检验各判断矩阵的一致性。这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行的。

计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值：

(1)

(2)

计算判断矩阵的最大特征值λmax：

(3)

式中：B为已知判断矩阵；ωi为相对权重列向量。

步骤5：判断矩阵的一致性检验。

(4)

2.3 评价指标的排列与选取结果

层次分析法具有将定性和定量相结合的优点，它能将复杂的问题进行分解，为最佳方案的选择提供科学依据，为决策层作出正确的决策提供理论参考。现选取林甸灌区作为研究对象，在查阅文献和对该灌区段进行实际调查的基础上，从选取的14个指标作为初级评价指标[3-5]。因各评价指标在评价体系中的贡献不同，本研究采用层次分析法(AHP法)来确定灌区沟渠田间系统建设的评价因子的权重。按照评价体系确定的结构，咨询有关专家的意见，构成判断矩阵，求得各层次评价因子的权重值并对其进行排序，见表5。

表5 基于层次分析法确定评价因子的权重值排序

2.4 基于投影寻踪评价模型的断面优化

基于加速遗传算法(RAGA)优化的投影寻踪评价模型的建立。

1)归一化处理各评价指标：

设{x*(i,j)|i=1,2,…,n,j=1,2,…,m}为所有指标的样本集，式中x*(i,j)代表第i个样本的第j个指标值，n、m为样本的容量和指标的数量。为统一评价所有指标的变化范围和指标之间的量纲需要对进行指标的无量纲化处理：

(5)

2)进行投影指标函数Q(a)的构造：

PPC模型的优化过程为把m维数据{x(i,j)|j=1,2,3,…,m}与a={a(1),a(2),a(3),…,a(m)}为投影方向的1维投影值z(i)进行累乘。

(6)

式中：a是单位长度向量。然后根据{z(i)|=1,2,…,n}的平面分布图对其进行筛选。在筛选投影指标时，投影值z(i)的应符合以下特征：局部投影密集度应较大，最好成若干个点团状密集分布，而在整体上最好尽可能散开，投影指标函数表达如下：

Q(a)=SzDz

(7)

(8)

(9)

式中：Sz为投影值z(i)的标准差；Dz为投影值z(i)的局部密度；E(z)为序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径，R的选取既要保证窗口内的投影点的平均数量足够，避免产生过大的滑动平均偏差，也要控制其使他随着n的增大后大小，在试验后方可确定R的数值；一般可取0.1、0.01、0.001等，r(i,j)为样本之间的距离，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；u(R-r(i,j))为单位阶跃函数，当u(R-r(i,j))≥0时，u(R-r(i,j))=1；当u(R-r(i,j))<0时，u(R-r(i,j))=0。

2.5 进行投影指标函数的优化，确定最佳投影方向

当每个指标值的样本集确定的条件下，投影指标函数Q(a)的数值只与投影方向a的变化有关。多向的投影方向来体现了数据结构特征的多样性，通常来讲最能够体现数据特征的投影方向通常就是最佳的投影方向，它可以通过求解约束条件下的最大化问题可来解决。

最大化目标函数：

max∶Q(a)=Sz×Dz

(10)

约束条件：

(11)

2.6 方案的优序排列

将由步骤3中确定的a*带入式4-9中以后，父代个体的投影值z*(i)也就随之确定了，将z*(i)与z*(j)对比分析，如果它们越相似，说明了样本i与j的同类度越大。最后将z*(i)值进行从大到小进行排序得到的就是方案的优劣顺序。

基于RAGA-PPC的田间渠道工程布置方案优化选择及结果。

经过田间渠系工程布置方案的设计、调研以及数据的搜集和整理，得到了3种主要方案评价指标的部分生产数据如表6、7所示。

表6 田间渠系工程布置方案指标体系数量值

表7 田间渠系工程布置方案指标体系规划值

在表7中，前4个指标值为越大越优指标，后5个指标值为越小越优指标，用软件编辑PPC模型并将灌区的田间工程布置方案中的相应各指标带入其中进行处理。在模型中父代初始种群数、交叉概率以及变异概率设定为n=400、pc=0.80、pm=0.80，选定20个优秀的个体，a=0.05，并进行20次加速处理。将原始指标数据进行归一化处理。将处理的结果带入到PPC模型当中得到程序运行结果的最大指标函数值为0.181。

最佳的投影方向：

a*=(0.031 0.412 0.091 0.463 0.453 0.331 0.258 0.095 0.466)

方案综合评价的投影值：

z*=(1.439 1.781 1.517)

z*的数值大小代表的就是这三灌区田间工程布置方案的差距，所以从中可以得出该模型的优化结果，方案一为1.439；方案二为1.781；方案三为1.517。

3 结 论

本文通过层次分析法与RAGA-PPC模型相结合得出林甸灌区田间渠道工程布置方案的评价结果，其中最佳的布置形式为方案二，斗、农渠采用灌溉与排水两用渠道设计，灌溉与排水流向相同。方案二从灌区占用土地、投资及管理等方面分析出灌排结合模式优于传统自流灌溉模式，灌排结合模式将为黑龙江省的节水、增粮、增地等方面作出贡献。在有条件的黑土地区应大力推广灌排合一渠道建设，为粮食增产提供水利保障。

[1]袁春梅，刘志秋，王志兴.刍议乌云灌区灌排渠道结合布置[J].黑龙江水利科技，2009(04)：210-210.

[2]王士兰.灌排合一渠道在牡丹江基本农田保护示范区的应用[J].水利规划与设计，2013(09)：14-15.

[3]马龙军.兴凯湖灌区灌排合一渠道的实践浅析[J].黑龙江水利科技，2011(01)：263-263.

[4]路振广，曹祥华.节水灌溉工程综合评价指标体系与定性指标量化方法[J].灌溉排水，2001(01):55-59,77.

[5]张庆华，毛伟兵，宋学东，等.小型农田水利工程运行现状综合评价指标体系研究[J].灌溉排水学报，2012(03):114-118.

1007-7596(2017)02-0092-04

2017-02-22

周欣(1980-),女,辽宁岫岩人,高级工程师;雷兴元(1989-),男,黑龙江青冈人,助理工程师。

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