基于基因表达式编程算法的数据驱动型平板闸门流量计算方法

灌区是国家水网建设的重要内容,精准量测和控制过闸流量过程是灌区用水管理的关键。为实时获取高精度的平板闸门过流量,以物理试验为基础,首先采用仿真模型分析了不同工况下闸前闸后流线与流速分布、水深-流量变化关系,其次,以仿真模型的模拟结果作为训练集,采用基因表达式编程算法(Gene Expression Programming,GEP)构建了融合闸前/后水深与开度的闸门过流量算法,并以更多的仿真模型模拟结果作为测试集,对比分析了该算法的性能。结果表明:①fluent数值模拟能在不同闸门开度和流量组合下重现复杂流线和流速分布过程,且模拟的流量过程与实测结果拟合良好,但效率低下,无法满足实际闸控的实时性需求;②GEP算法能够保持仿真模型的精度,且能达到实时计算;③与存在多个率定参数的经典闸孔出流分段公式相比,无任何率定参数的GEP算法的精度更高;④以仿真模型的模拟结果为基准,GEP算法比BP神经网络的精度更高、泛化性更好。因此,GEP算法更适宜平板闸门过流量的计算,可为灌区用水管理提供技术支撑。

灌区用水调度的知识图谱模型构建——以淠史杭灌区瓦西干渠灌域为例

【目的】人工智能技术以全新的自适应学习视角为灌区智慧化建设带来了异于传统的研究范式,迄今已有众多智能算法与技术应用于灌区用水调度决策研究中,但已有成果缺乏便利性和易操作性,无法真正落地。【方法】为此,本文通过对比分析人工智能技术中的随机森林和BP神经网络模型,发现融合SHAP(Shapley additive explanation,SHAP)方法的随机森林模型具有更优的灌区用水调度预测效果。在此基础上,基于历史实测数据将灌区用水调度变量划分为不同梯度,表征出9.82×10^(11)组用水调度场景样本,并采用预先训练的随机森林模型获得了各样本对应的调度流量预测值,由此形成了灌区用水调度场景与调度流量值之间映射关系的基础数据库,即在现有调度历史数据的基础上利用机器学习模型丰富和加密了调度场景,得到了能实现基本覆盖现实调度场景的调度场景库。基于该场景数据库,利用Neo4j图形库构建出淠史杭灌区用水调度流量预测值知识图谱模型。【结果】利用该图谱模型,灌区用水调度管理人员仅需确认目标调度场景中各调度变量在知识图谱模型中的近似梯度值,即可检索获得调度流量预测值。【结论】经应用验证表明,由该知识图谱模型获得的调度流量预测值误差在淠史杭灌区用水管理人员的经验认知范围内,且可实现调度流量值的实时检索。

畦灌技术参数对灌溉施肥性能影响研究进展

畦灌是华北地区应用最广泛的灌水方法,优化畦灌技术参数是提高灌溉施肥性能、减少农业面源污染的重要措施。畦灌技术参数多元,加之土壤入渗、溶质运移参数的空间变异性,使得畦灌灌溉施肥性能研究存在较大难度。整理了常用的灌溉施肥性能评价指标,归纳了土壤质地、施肥方式、施肥时机以及改口成数等畦灌技术参数对灌溉施肥性能影响的研究进展以及相关参数的适宜阈值,阐述了适宜不同场景的畦灌施肥地表溶质运移模型应用情况,汇总了具有较高灌溉施肥性能的畦灌技术参数组合。结合前人的研究基础对未来的研究方向进行了展望,以期为进一步提高作物产量、降低肥料使用对环境的影响等方面提供有价值的参考依据。

突发暴雨下灌排两用渠道控制灌域排水过程模拟分析——以三江平原青龙山灌区灌排两用典型灌域为例

灌排两用渠道具有节地节水等显著优势,但安全运行调度更为复杂,尤其是突发暴雨等应急状况发生时,如何通过优化调控防范风险,提高雨洪利用率备受关注。选取灌排两用典型灌域,基于灌区用水多过程统一表征方法,构建农田-渠道水动力过程模拟模型,分析暴雨发生时不同农田田面水深和闸门调控方案下农田/渠道水深变化规律和节水量。结果表明:农田和渠道水深变化趋势与降雨过程基本一致,变化幅度受降雨强度影响明显;田面初始水深对农田和渠道排水时间影响明显,田面初始水深每增加1 cm,田块排水时间增加约8.5 h;渠首引水闸关闭时间主要对渠道排水前期运行水深影响显著;本典型区域联合优化闸门调控方案和田面初始水深,最大可使高水位持续运行时间缩短24 h,节约水量46.8 m^(3)/hm^(2)。研究结果初步表明了灌排两用灌域农田-渠道排水规律,可为突发暴雨下灌排两用渠道应急调度方案的制定提供一定参考。

灌区量测水方法与技术研究进展

精准的灌区量测水方法与技术是减少灌区无效弃水,保障灌区用水安全的重要手段。针对灌区明渠量测水方法与技术,系统阐述了水工建筑物量水、特设量水设备量水、流速—面积法量水和水位—流量法量水4种方法的研究进展,归纳分析了4种量测水方法的适用条件及量测精度,阐述了不同场景下明渠量测水方法应用情况。结果表明:配备水位传感器等设备的量水建筑物为数据获取与传输提供了便利;优化建筑物结构特征可提升建筑物适用范围和测量精度,推动了特设量水设备技术发展。流速—面积法因量测精度高常用于校准其他量测水方法,但其操作复杂、耗时长导致测流效率较低,随着超声波等技术日趋成熟,可用以复杂流态流量的测量工作;流速分布规律作为流速—面积法量水的基础,利用流速分布规律可建立点流速与断面平均流速的关系,进而通过点流速获取断面流量。水位—流量法受断面参数影响显著,仅对特定工况可用,因此难以推广。利用机器学习方法处理大量水位与流量关系的历史数据对水位预测流量提供了数据处理手段。最后,探讨了非接触式量测水技术以及模型算法对流量预测的发展前景,结合目前研究基础和实际需求对未来的研究方向进行了讨论,以期为进一步提高量测水精度、降低量测水布设设备成本等方面提供有价值的参考依据。

基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型(Ⅰ)——模型建立

利用基于地表非稳定流运动方程的地面灌溉模型对畦灌性能进行分析评价是改进传统地面灌溉方式、提高畦灌性能的重要举措,而准确地确定畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数是改善畦灌性能模拟精度的重要前提。本文基于基本遗传算法SGA和地面灌溉一维模型SRFR建立的畦灌土壤入渗参数与田面糙率系数优化反演模型,可在给定的参数值域范围内开展多参数全局性寻优,利用计算机动态解析技术对SRFR模型执行程序进行解析处理,建立SGA与SRFR模型间的内部运行衔接方式,实现畦灌土壤入渗参数与田间面糙率系数优化反演过程的自动化运作,进而有效提高了参数寻优估值的工作效率。

基于混合数值解法的一维全水动力学畦灌模型

数值模拟畦(沟)灌水流运动过程可为地面灌溉系统设计与评价提供必要的工具和手段。该文采用时-空混合数值解法构建起一维全水动力学畦灌模型,并基于典型畦灌试验结果,对比分析采用混合数值解法和Roe有限体积法数值求解一维畦灌全水动力学模型在数值计算稳定性与收敛性、计算精度与效率间的差异,验证基于混合数值解法的模型模拟效果。结果表明,混合数值解法要比Roe有限体积法表现出更佳的数值计算稳定性和收敛性,形成的水平衡误差和平均相对误差相对较低,相同度量环境下的计算效率提高2倍以上。基于混合数值解法的一维畦灌全水动力学数值模拟方法可明显增强数值计算的稳定性和收敛性,有效提高了计算精度和效率,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了可靠的数值模拟手段。

基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型Ⅱ——模型应用

利用作者开发的基于SGA和SRFR模型构建的畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数优化反演模型,在不同田间灌溉实例条件下进行参数优化估值,分析评价依据地表水流推进(消退)数据估算得到的土壤入渗参数和田面糙率系数进行畦灌地表水流运动过程模拟的效果。结果表明,利用基于地表水流推进数据估算的参数可很好地模拟非稳定状态下的水流推进过程,但其模拟地表水流消退过程的效果却普遍较差,而采用基于地表水流消退数据估算的参数虽可较好地模拟稳定状态下的水流消退过程,但用其模拟水流推进过程的精度却有所下降,只有采用基于地表水流推进与消退组合数据估算的参数,才能获得较佳的综合模拟效果。与人工试算法和离散变量法估算的参数相比,基于SGA优化估值参数模拟的畦灌地表水流运动过程效果更好,SGA是改善参数估值精度的有效手段。

基于畦面糙率各向异性的畦灌地表水流运动模型及其验证

选取合理的畦面糙率模型,对于利用畦灌水流数值模型准确地评价和优化畦灌系统性能具有重要的理论与现实意义。该文利用二维全水动力学畦灌模型,采用张量逆运算等数学处理方法,在源项糙率矢量中构建畦面糙率各向异性模型,构建起基于畦面糙率各向异性的二维畦灌地表水流运动模型。基于典型畦灌试验结果对比分析糙率各向异性与各向同性畦灌模型的模拟效果。结果表明,与各向同性相比,所有实例各向异性糙率值下的水流推进过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小3.08～6.83百分点,水流消退过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小2.5～6.81百分点。采用各向异性糙率描述畦灌地表水流运动过程,可明显改善畦灌模拟效果,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了实用可靠的数值模拟工具。

基于混合数值解法的二维畦灌地表水流运动模拟Ⅰ:模型建立

数值模拟畦灌水流运动过程可为地面灌溉系统设计与评价提供必要的工具和手段。本文在利用隐式三点后差分隐时间格式对二维畦灌地表水流运动模型各矢量项进行时间离散基础上,采用有限差分法、有限体积法和有限单元法分别对由隐时间格式与线性化过程生成的物理通量线性近似式系数的空间导数、物理通量的空间导数和地形向量开展空间离散,对经时-空离散后形成的控制方程代数方程组进行数值解算,构建起基于混合数值解法的二维畦灌地表水流运动模型。

一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅰ.模型建立

提高畦灌施肥地表水流与溶质运移数值模型的稳定性、收敛性及计算精度,有利于改善地面畦灌施肥系统的设计与评价工作。在利用隐-显混合时间格式对一维畦灌地表水流与溶质运移耦合模型中包含的各矢量项进行时间离散基础上,借助有限差分法、有限体积法和有限单元法分别对由隐时间格式生成的物理矢量线性近似式空间导数、物理矢量空间导数、溶质扩散矢量和地形矢量项进行空间离散,对最终形成的控制方程代数方程组进行数值求解,构建起基于混合数值解法的一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型。

规模化灌溉管网非恒定流模拟研究

针对环状和树状2种常用的管网形式,构建了恒定流数学表达式及数值模拟模型,并借助基本遗传算法提高了模拟结果的收敛性。在此基础上,借助Saint-Venant方程,以恒定流为非恒定流的初始与边界条件,构建了管网非恒定流数值模拟模型。针对实际典型境况,从数值稳定性、数值收敛性和质量守恒性3个角度,系统分析了构建的灌溉管网恒定与非恒定流数值模拟模型的模拟效果。结果表明,该模型可为规模化灌溉管网的管理评价和优化设计提供可靠的数值分析工具。

二维撒施畦灌地表水流溶质运移模型:Ⅱ验证

基于撒施施肥方式下畦灌试验数据,从传统平均相对误差和马尔科夫随机过程两个角度,对二维撒施畦灌地表水流溶质运移模型进行了验证.基于传统平均相对误差的结果表明,模型模拟的水流推进与消退的平均相对误差分别为4.98%和9.37%,水量平衡误差为0.28%,模拟各测点的溶质质量浓度变化过程平均相对误差为8.64%～14.22%,溶质平衡误差0.58%,构建的模型不仅具有较好的模拟二维撒施畦灌地表水流运动和溶质质量浓度变化过程的能力,还具备较佳的水量与溶质质量守恒性.基于马尔科夫随机过程的计算结果表明,地形项的随机性对模拟效果的影响为88.68%～96.21%,而畦面土壤物理属性等模型未能考虑因素的随机性对各测点溶质质量浓度变化的影响为3.79%～11.32%,因此仅考虑畦面微地形分布随机性的模型,具备优良的二维撒施畦灌地表水流和溶质运移过程的模拟性能.构建的模型为评价撒施施肥方式下的畦灌施肥系统性能,提供了合理完备的实用性数值模拟工具.

撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证

模拟撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程,构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流速场和溶质浓度场,建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型,并利用典型畦灌施肥试验结果,检验该模型的模拟效果。结果表明,建立的模型不仅具有在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力,还具备较佳的水量和溶质质量守恒性,从而为评价撒施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比,提供了实用的数值模拟工具。

基于混合数值解法的二维畦灌地表水流运动模拟Ⅱ:模型验证

基于典型畦灌试验观测数据和地表水流运动模拟结果,对比分析采用混合数值解法和Roe有限体积法数值求解二维全水动力学畦灌模型在数值计算稳定性与收敛性、计算精度与效率间的差异,验证基于混合数值解法的模型模拟效果。结果表明,混合数值解法要比Roe有限体积法表现出更佳的数值计算稳定性和收敛性,形成的水平衡误差和平均相对误差相对较低,相同度量环境条件下的数值计算效率提高3倍以上。基于混合数值解法的二维全水动力学畦灌数值模型明显增强了数值计算的稳定性和收敛性,有效提高了计算精度和效率,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了可靠的数值模拟手段。

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。

基于标量有限体积法的灌溉末级渠系非恒定水流模型

通过区分明渠非恒定流中对流波与重力波属于不同的物理过程,把渠道非恒定流控制方程进行了变形处理,基于标量有限体积法构建了具备高精度和分辨率的灌溉末级渠系非恒定流数值模型。基于文献数据及野外实测数据,对模型的模拟性能进行了验证。结果表明,构建的模型模拟的斗渠和农渠水位值与实测值之间的平均相对误差为2.8%～4.1%,水量平衡误差不大于0.07%,具备良好的模拟性能,为开展末级渠系布置模式及管理研究提供了可靠的数值工具。

畦灌条件下液施与撒施硫酸铵施肥性能评价

为了分析比较不同施肥方式下的畦灌施肥性能,该文取水溶后可直接形成不同形态氮素的硫酸铵为施用肥料,开展入畦流量为3和6L/(ms)下的化肥液施与撒施畦灌试验,基于田间实测数据计算了施氮分布均匀性、施氮储存率和施氮满足率指标值,分析了液施与撒施硫酸铵下畦灌施肥性能之间的差异。结果表明,畦灌液施与撒施在施氮分布均匀性、施氮存储率和施氮满足率等指标值上存在显著性差异,且前者比后者分别平均高出14.5、14.3和8.4个百分点,因此液施是较优畦灌施肥方式;对局部畦段,液施大流量与小流量下施氮分布均匀性差异显著,前者平均高出后者4.2个百分点,因此液施宜选择6L/(ms);撒施大流量与小流量下施氮分布均匀性、施氮存储率和施氮满足率间差异显著,对整体畦长而言,小流量施氮分布均匀性比大流量高出5.5个百分点,小流量施氮储存率和施氮满足率分别高出大流量5.3和3.2个百分点,因此撒施宜选择3L/(ms)。该结论为评价和优化畦灌施肥系统提供了科学依据。

灌溉施肥地表水流与溶质运移模拟研究进展

采用数值模型能够方便快速地探讨不同灌溉施肥条件下的水肥利用效率,为改善灌溉施肥系统性能、减轻不当灌溉施肥方式对生态环境造成的负面影响提供科学依据。从灌溉施肥地表水流运动模拟、灌溉施肥地表水流溶质运移模拟、灌溉施肥地表水流与溶质运移耦合模拟等方面出发,系统总结了不同时空尺度下灌溉施肥地表水流与溶质运移模拟模型的类型及其相应的数值解法特点,介绍了田间尺度下灌溉施肥地表水流与溶质运移耦合模型的机理及数值解法的特点,在此基础上,提出主要研究方向及其内容。

一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅱ.模型验证

基于典型畦灌施肥试验观测结果及其模拟结果,对比分析利用混合数值解法和Roe有限体积法分别求解一维畦灌施肥地表水流与溶质运移过程控制方程在数值稳定性与收敛性、计算精度与效率上的差异,验证混合数值解法的计算性能与模拟效果。结果表明,混合数值解法比Roe有限体积法表现出更佳的数值稳定性和收敛性,产生的水平衡误差和平均相对误差较低,同样度量环境下的计算效率提高2.5倍以上。基于混合数值解法的一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模拟方法可明显增强数值计算的稳定性和收敛性,有效提高计算精度和效率,为开展畦灌施肥系统设计与评价提供了有效的数值模拟工具。