现代化数字灌区建设主体功能及主要应用结构体系探讨

基于对物理灌区的现代化和模拟灌区的数字化认知,分析总结了现代化数字灌区建设应着力完成的“灌区识别”“立体感知”“精准控制”“信息交互”“管理调度”等“五大主体功能”结构体系;基于智慧水利建设和灌区高效运管需求,高效地模拟渠系水流,系统梳理了以“节点流量过程”为输入和输出的灌区概化图,研究提出了现代化数字灌区建设主要业务应用结构体系,即构建以“数据库”为载体,“数学模型”为支撑,基于“灌区一张图”基础之上的“组织管理、工程管理、安全管理、泵站管理、农业节水与供用水管理、经济管理、信息化管理、公共服务”等“九大业务应用”为交互的的整体架构,以期有效提升灌溉供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性。

数字孪生灌区建设核心要义与关键技术探讨

梳理了数字孪生技术缘起背景和发展进程,分析指出数字灌区是建设数字孪生灌区的重要基础,现代化数字灌区是推进数字孪生灌区建设的重要发展阶段。基于对数学模型的功能认知,在数字孪生灌区框架下,首次提出将数学模型划分为3个层次,即普适性平台模型、针对性应用模型和友好性交互模型。同时,基于数字孪生灌区定义,分析指出数字孪生模型具有实时动态性及闭环反馈性本质特征,物理灌区与孪生灌区存在同步仿真、虚实交互与迭代优化的过程,二者在灌区全生命周期相互影响,相互促进,孪生灌区不仅随着物理灌区的改变而实时改变,而且基于孪生灌区所做的分析和决策也会实时反馈给物理灌区,并影响物理灌区的行为。因此,具体工作实践中,应基于物理灌区现代化改造需要,发现问题,遵循确有需要、节水高效和可以持续的原则,精准选择灌区数字孪生对象,优化创新数学模型,着力突破关键技术,有序开发重点应用,强化网络安全和数据安全,以期能够更有序、更精准、更高效地推进数字孪生灌区建设。

大中型灌区量测控设施整体规划与总体布局探讨

大中型灌区供水服务应全面考虑水资源的流动性、循环性、系统性等自然属性,从系统治理的视角,统筹考虑灌区上下游、左右岸、地表地下等水流全过程的配置效率。针对目前大中型灌区量测水设施在建设布局中的常见问题,提出了灌区量测控设施整体规划要点,研究了灌区量测控设施总体布局考量因素,提炼了渠道量测控设施现场布置模式,以期实现灌区灌溉用水的高效配置和节约集约利用,可为大中型灌区量测控设施建设整体规划和总体布局提供参考。

长江流域农田生态排水沟渠氮削减效应研究

为研究长江流域农田生态排水沟渠对总氮(TN)的削减效果,本研究收集长江流域生态排水沟渠的639项野外现场试验数据,通过Mann-Whitney U检验和K-W检验方法探究了不同植被类型、沟渠类型、强化措施类型、温度范围和进水浓度范围等因子对生态排水沟渠TN削减效率的影响。结果表明:在农田生态排水沟渠中,不同植被类型中的多种人工植被对TN削减效果最好,平均削减效率为47.72%;沟渠类型为边坡半衬砌(沟壁材质为部分混凝土,沟底材质为全土)对TN去除效果最佳,其平均削减率为58.18%;强化措施类型中,添加基质类和设置拦截类强化措施的生态排水沟渠对TN削减效果最好,其平均削减效率为54.24%;气温处于>25~35℃时生态排水沟渠TN削减效果更有效,而在低温环境下可以通过种植耐寒植物(绿狐尾藻、黑麦草等)提高削减率;沟渠进口TN浓度多数集中在>2~4 mg·L^(-1)之间,沟渠出口TN浓度主要分布在0~2 mg·L^(-1)之间,TN进口浓度为>2~4 mg·L^(-1)时沟渠TN削减效果最佳;不同浓度条件下,沟渠选择种植多种人工植被,对沟壁进行半衬砌,设有强化措施都能有效提高TN的净化效果;TN削减效率与水力停留时间、沟渠长度、水深呈现正相关;在多种因素最优的情形下,TN表面去除负荷随着TN进口浓度增大而增大。研究表明,长江流域农田生态排水沟渠选择多种人工挑选的植被、沟渠类型选择边坡半衬砌、同时添加基质类和设置拦截类强化措施更能有效地削减TN,并且控制气温在>25~35℃和进口浓度为>2~4 mg·L^(-1)来削减TN,另外延长沟渠长度和控制水体的水深、水力停留时间可更好地削减TN。

大中型灌区干渠输配水渗漏损失经验公式探讨

中国广泛使用考斯加可夫经验公式来估算渠道输水渗漏损失 ,在渠道实际运行中 ,存在一些缺陷。为此 ,根据Davis -Wilson公式 ,并考虑使用的习惯性和方便性 ,建立了渠段输配水损失与渠道断面尺寸、水力条件、土壤类型、地下水埋深等因素相关的经验公式 ,同时将渠道衬砌等其他所有因素一并考虑在渗漏折减系数中 。

波涌灌控制阀及自控器的研制

当今国内外地面灌溉仍是最普遍采用的灌水方式，因此改善地面灌水技术是提高田间灌水质量、节约灌溉水量的重要举措．作为80年代逐渐发展起来的先进地面灌水技术，波涌灌溉方法具有田间水利用效率高、灌水均匀度好的特点，但其在我国的实际应用有赖于适合国情的波涌灌溉设备的开发问世．结合国家“九五”科技攻关项目研制的波涌灌设备具有一阔多用、操作简便的特点．田间考核结果表明，这套设备已达到原设计要求和较佳性能指标，具有较强的实用性和推广应用前景．

灌区量水技术与设备发展现状及趋势

简要介绍了灌区量水技术和设备的发展历程以及常用的量水方法,对近年来在灌区量水中采用的主要设备进行了分类概述,指出灌区水情测量记录设备的数字化、测控一体化和信息共享化是灌区量水技术和设备发展的必然趋势,并对当前的灌区量水工作提出了建议。

最优分类的模糊划分聚类改进方法

模糊划分与模糊聚类实质上是一个问题的两个方面.本文阐述了最优模糊聚类方法的理论与模型,指出了目前广泛使用的寻优迭代过程的缺陷,并提出了改进措施;实例研究表明,改进效果良好.

我国灌区用水管理信息化软件系统研发现状

介绍了我国灌区信息化建设发展进程,总结了目前我国水利信息化应用软件开发和数据库建设取得的成绩,指出了目前我国在该领域存在的问题,提出了当前在灌区用水管理信息化建设方面的应包括的主要内容。

上下复合型砂石-滤网集成式过滤器研发

目前大部分过滤系统成本高、重量大、安装过程复杂。针对这一问题,创新性地研发了上下复合型砂石-滤网集成式过滤器,该过滤器将传统的砂石过滤器和网式过滤器集成为一体,注塑而成,具有体积小、成本低,便于安装的优点。且可以通过控制阀门的开关实现对灌溉过滤器的自动反冲洗。

波涌灌溉设备与灌溉自动化

结合国家“九五”科技攻关项目开发研制的波涌灌溉设备,达到国际同类产品先进水平,填补了国内空白。双阀结构和控制器的“时间耦合”设计,为我国农田输配水系统实现灌溉自动化提供了支撑。

P-Ⅲ型理论频率曲线参数估计——模糊极值法

对一个实测的具体样本而言，我们总是期望由某种方法估计的参数所确定的Ｐ－Ⅲ型曲线能最优地拟合样本点据，并能对全体样本收到最好的平差功效。何谓“最优”、何谓“最好”却缺乏比较明确的数量概念，传统方法无一能对此问题作出有效的回答。正是基于水文现象的模糊性，提出了一种新的参数估计方法。

灌区输配水全渠道控制系统关键设备特性分析

一、全渠道控制系统概述 澳大利亚研制开发完成的全渠道自动控制系统，是通过计算机实现对整个灌区或部分灌溉区域的输配水模拟，最终实现对渠系网络的全局控制和水量调度。全渠道控制的关键设备为测控一体闸，是集闸门门体、参数测量和控制即数据通信为一体的自动控制闸门，

现代灌区管理快速评价及软件开发研究

针对目前缺少比较明确、完善且以服务为导向的灌区快速评价指标体系和方法的现状,提出了现代灌区管理快速评价指标体系,即以灌区供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性来衡量现代灌区管理水平的高低,同时开发完成了相应的基于数据库的软件产品,以期更好地实现灌区评价理念从"以物为本"到"以人为本"的转变。

灌溉现代化核心内涵及水管理关键技术

灌溉现代化是农业现代化的重要组成部分。围绕灌溉现代化这个核心,提出了灌溉现代化的定义、核心理念、基本特征、评价标准和表现形式;围绕灌溉现代化水管理技术,提出了灌溉现代化水管理技术主要包括灌溉水源配置现代化关键技术、灌区输配水调度现代化关键技术、田间灌水现代化关键技术、灌溉管理现代化关键技术等4个方面,构建了灌溉现代化水管理基本框架和"供水可靠化、调度灵活化、用水精准化、管理信息化"协同发展的灌溉现代化水管理技术模式,为推进灌溉现代化水管理工作提供实用的技术支撑。

灌区水位测量记录设备及安装技术

水位测量施测简单直观,易于为广大用水户所接受而且便于自动观测,因而在灌区水量计量乃至在整个灌区信息化建设中都占有十分重要的地位。目前我国灌区中水位监测采用的传感器依据输出量的不同主要分为模拟传感器和数字传感器,结合灌区的实际需求,由国家节水灌溉北京工程技术研究中心研制开发生产的WR-2000系列专利产品,可较好地与此连接,满足灌区水位测量、记录等需要。

灌区用水管理调度技术

灌区用水管理的四项新技术和设备:“灌区用水管理信息系统”可自定义搭建灌区渠系结构和用户行 政区划,建立用户与渠系的对应关系,进而制定灌区动态配水计划;“灌溉渠系水流模拟仿真系统”用 于可视化搭建渠系输配水结构,以渠道非恒定流理论为计算基础,模拟渠道水流推进和水位及流量变 化过程;“太阳能自动控制系统”用于渠道闸门远程控制,无需外接电源,适宜在缺电地区使用推广; “渠系水位流量自动监测记录设备”采用微功耗和大容量存储技术,适宜在较长时期野外无电环境下 工作,及时而准确地记录水位流量变化过程,为精确量水、公平配水提供技术支撑。

低成本磁感应浮子水位计研发

水位计可用于河流、渠道、水库及湖泊等水位的测量。传统的浮子水位计利用浮子反映水位的变化,通过测绳和转轮的机械传动记录水位,传统的浮子水位计存在悬索和转轮打滑脱落等问题,系统误差大,并且需要布设在测井内。低成本磁感应浮子水位计依靠电磁感应元件测量水位,克服了传统浮子水位计机械传动的不足。

双向钻土型地埋式自升降喷灌设备研发

施工挖方量大和管道成本高是现有地埋式喷灌技术推广过程中亟须解决的两大问题。针对这两个问题,创新性地研发了双向钻土型地埋式自升降喷灌设备,该设备可以依靠自带的下钻头直接入地到位安装,安装设备时无需额外开挖,设备的稳定性、垂直度等均能很好保证;同时本设备依靠负压将伸缩管回缩到地下耕作层以下,一套供水管道即可实现自动上下,节约了一套与供水管网平行的辅助管道系统。已有示范工程的应用结果表明,该设备能够满足喷灌工程建设和使用要求,能够有效提高安装效率、喷灌效率和耕作效率,降低劳动强度,节约劳动成本。

大中型灌区支渠系统区域渗漏损失的随机模型

利用随机理论描述渗漏损失的各种影响因子,并考虑实际渠道配水过程中各种因子的不确定性,给出了损失水量的分布"云图"。以损失水量随机分布为基础,从整体上建立了以轮灌组为参数的区域配水流量与损失流量之间的函数关系。该模型可用于对灌区输配水性能的整体评价。