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丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计研究

作　者: 欧定华
导　师: 夏建国
学　校: 四川农业大学
专　业: 土壤学
关键词: 丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计作物灌溉制度优化
分类号: S273.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当人类跨入21世纪之时,水资源短缺已成为全球经济、社会发展的主要制约因素。随着雨水资源化诞生,其不可替代的开发利用潜力已被越来越多的人接受。特别是在丘陵区,雨水集蓄利用已成为缓解当地水资源紧缺、促进群众致富奔小康的有效措施。本文针对丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计方法存在的问题,将大系统优化理论、改进实码遗传算法、自优化模拟技术、序列二次规划和计算机编程应用于丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计。以川中丘陵区为典型研究区域,对丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计模型和算法展开研究,并在此基础上研制出一套适合丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计的软件。并以中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站截流小流域监测数据为基础,对论文中的模型、算法、软件进行验证。主要研究结论如下：(1)建立丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程系统优化模拟模型,模型由降雨(径流)序列分析计算模型、逐时段集蓄水量分析计算模型、逐时段灌溉水量优化分配模型以及蓄水工程规模优化设计模型组成。(2)综合应用人机交互技术(HCIT)、改进实码遗传算法(IRGA)、自优化模拟技术(SOST)以及序列二次规划算法(SQP)设计出系统优化模拟模型求解算法。(3)应用MATLAB图形用户编程方法设计可视化界面,编写MATLABM函数文件程序对模型求解,研发出一套适合丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计的通用软件。(4)以中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站截流小流域监测数据为基础,对文中模型、算法、软件进行验证,结果表明：①ARUEOPS软件已实现水文频率自动化计算。②在同一灌溉水量条件下,最优集流面积随集流效率增加而减少；在相同集流效率条件下,其随着灌溉水量增加而增加；逐月最优集蓄水量随灌溉水量增加而增加,且集中在6、7、8月。③改进实码遗传算法在求解这类包含等式和不等式约束的最优化问题时具有较高性能；系统自优化模拟算法在实现模型上层和下层之间的协调优化上取得了较好效果。模型实现了有限灌溉水量在灌区多种作物之间和各作物生育阶段的最优分配,同时也实现了种植面积在灌区多种作物之间的优化分配。在非充分灌溉条件下,多种作物之间优化配水和优化种植面积受产量反应系数影响；作物生育阶段优化配水受水分敏感指数、有效雨量、地下水补给量等因素综合影响。在不同可供灌溉水量条件下,逐月最优灌溉水量均集中在4、5月；4、5月最优灌溉水量随可供灌溉水量增加而增加,且其增加速度较其余月份大。④丘陵区在资金缺乏情况下开展雨水集蓄利用工程建设时,可选择自然土坡作为集流面,蓄水池规模应根据可供灌溉水量大小确定。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
1 绪论  13-23
  1.1 立题意义  13
  1.2 国内外研究动态  13-19
    1.2.1 雨水集蓄利用内涵研究动态及发展历程  13-15
    1.2.2 雨水集蓄利用工程优化设计技术研究动态  15-17
    1.2.3 雨水集蓄利用工程优化设计模型及算法研究动态  17-18
    1.2.4 雨水集蓄利用辅助软件研究动态  18-19
    1.2.5 小结  19
  1.3 研究目的、内容、方法及技术路线  19-23
    1.3.1 研究目的  19
    1.3.2 研究内容  19-20
    1.3.3 研究方法  20-22
    1.3.4 技术路线  22-23
2 丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计现状  23-30
  2.1 丘陵区特点  23-24
    2.1.1 地形特征  23-24
    2.1.2 水资源供需矛盾突出  24
    2.1.3 水资源总量大且利用率低  24
    2.1.4 地形起伏大且水土流失严重  24
    2.1.5 坡耕地灌溉条件差  24
  2.2 丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程的不可替代性  24-25
    2.2.1 雨水资源是丘区坡耕地农业用水的主要来源  24-25
    2.2.2 解决丘区坡耕地季节性干旱的重要手段  25
    2.2.3 为丘区农村产业结构调整创造有利条件  25
    2.2.4 为丘区坡耕地水土保持和生态环境保护创造有利条件  25
    2.2.5 为丘区可持续发展开辟有效途径  25
  2.3 川中丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计现状  25-29
    2.3.1 川中丘陵区概况  25-28
    2.3.2 川中丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用特点  28-29
    2.3.3 川中丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计现状  29
  2.4 丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计问题  29-30
    2.4.1 对雨水集蓄利用工程优化设计认识程度不够  29
    2.4.2 雨水集蓄利用工程设计技术体系综合性不强  29
    2.4.3 雨水集蓄利用工程优化设计方法准确性较低  29-30
3 基于大系统的系统优化模拟模型建立  30-57
  3.1 大系统优化理论与分解协调模型  30
    3.1.1 大系统优化理论  30
    3.1.2 大系统分解协调模型  30
  3.2 基于大系统的丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用系统分析  30-33
    3.2.1 系统组成与工程模式  30-31
    3.2.2 系统优化模拟模型整体框架  31-32
    3.2.3 系统优化模拟模型构建原理  32-33
  3.3 降雨(径流)序列分析模型建立  33-39
    3.3.1 适线法水文频率计算  33-38
    3.3.2 设计年降雨(径流)量年内分配计算  38-39
  3.4 逐时段集蓄水量分析计算模型建立  39-40
  3.5 逐时段灌溉水量优化分配模型建立  40-53
    3.5.1 作物灌溉水量优化分配模型  40-53
    3.5.2 逐时段灌溉水量优化分配计算  53
  3.6 蓄水工程规模优化设计模型建立  53-57
    3.6.1 蓄水工程总容积计算  53-54
    3.6.2 基于最小二乘曲线拟合的蓄水工程总费用函数建立  54-56
    3.6.3 蓄水工程规模优化设计模型确定  56-57
4 系统优化模拟模型求解  57-76
  4.1 基于人机交互技术(HCIT)的系统优化模拟整体模型求解  57-58
    4.1.1 人机交互技术(HCIT)  57
    4.1.2 基于HCIT的整体模型算法  57-58
  4.2 基于MATLAB的降雨(径流)序列分析模型求解  58-62
    4.2.1 MATLAB实现水文频率计算的原理  58-61
    4.2.2 算法流程图  61-62
  4.3 逐时段集蓄水量分析计算模型求解  62-63
  4.4 基于IRGA-SOST的逐时段灌溉水量优化分配模型求解  63-71
    4.4.1 改进实码遗传算法(IRGA)  63-64
    4.4.2 自优化模拟技术(SOST)基本原理  64-65
    4.4.3 IRGA与SOST相结合的模型算法(IRGA-SOST)  65-69
    4.4.4 IRGA-SOST算法收敛性分析  69-71
  4.5 基于SQP的蓄水工程规模优化设计模型求解  71-76
    4.5.1 序列二次规划法(SQP)  71-72
    4.5.2 序列二次规划(SQP)算法与实现  72-75
    4.5.3 模型算法流程图  75-76
5 基于MATLAB的优化设计系统(HARUEOPS)研制  76-92
  5.1 系统分析  76-77
    5.1.1 系统目标  76
    5.1.2 系统需求  76
    5.1.3 系统可行性  76-77
    5.1.4 系统总体设计  77
  5.2 系统设计  77-83
    5.2.1 数据库  77-81
    5.2.2 模型库  81-82
    5.2.3 图形用户界面  82-83
    5.2.4 系统开发及运行环境  83
  5.3 系统图形用户界面编程  83-85
    5.3.1 MATLAB图形用户界面设计方法  83-84
    5.3.2 系统图形用户界面创建  84-85
  5.4 系统优化模拟模型算法编程  85-92
    5.4.1 MATLAB M文件编程简介  85
    5.4.2 MATLAB M文件分类  85-86
    5.4.3 MATLAB M文件编程技巧  86-92
6 模型应用与软件测试  92-109
  6.1 规划区概况  92
  6.2 模型求解与分析  92-109
    6.2.1 降雨(径流)序列分析模型求解与分析  92-95
    6.2.2 逐时段集蓄水量分析计算模型求解与分析  95-97
    6.2.3 逐时段灌溉水量优化分配模型求解与分析  97-105
    6.2.4 蓄水工程规模优化设计模型求解与分析  105-109
7 结论与展望  109-113
  7.1 主要研究结论  110-112
  7.2 不足与展望  112-113
参考文献  113-117
致谢  117-118
攻读学位期间发表的学术论文  118

丘陵区坡面农业灌溉雨水集蓄利用工程优化设计研究

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