黑龍江省林甸灌區(qū)田間渠道工程方案優(yōu)選

周 欣，雷興元

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

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黑龍江省林甸灌區(qū)田間渠道工程方案優(yōu)選

周 欣，雷興元

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

為了選取占地、建設(shè)難度與投資相對(duì)經(jīng)濟(jì)、合理、適應(yīng)性高的渠道作為設(shè)計(jì)方案，以林甸灌區(qū)灌排渠道工程方案布置為例，介紹3種不同的渠道設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，運(yùn)用層次分析法選取的指標(biāo)，然后利用基于加速遺傳算法的投影尋蹤模型評(píng)價(jià)這三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從而評(píng)價(jià)出最優(yōu)的方案。通過這些方法，表明該灌區(qū)灌排結(jié)合方式設(shè)計(jì)的渠道方式比灌排分開布置的方式更經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用性更強(qiáng)，同時(shí)也表明該評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性與可行性。

灌排渠道工程；方案評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)指標(biāo)；層次分析法；投影尋蹤模型

0 引 言

林甸灌區(qū)位于黑龍江省林甸縣東部，松嫩平原近東部邊緣，該灌區(qū)地形平坦，地處E125°7′-125°7′，N47°20′-47°6′。黑龍江省水田面積發(fā)展較快，水源以地下水灌溉為主，灌溉用水保障程度低，因此，黑龍江省未來將會(huì)大力發(fā)展以地表水源為主的大、中型灌區(qū)，如果按照原有渠系布置原則，大部分新建田間灌溉渠道占地較大，難以實(shí)施。為此本文研究以現(xiàn)有排水溝道改造成為灌溉與排水兩用渠道的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，利用基于加速遺傳算法的投影尋蹤模型(RAGA-PPC)優(yōu)選出最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的渠道布置方案。灌溉與排水結(jié)合利用渠道的設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)研究指導(dǎo)使黑龍江省未來灌區(qū)設(shè)計(jì)和管理規(guī)范化，以最經(jīng)濟(jì)的方式最大程度保障灌區(qū)灌溉排水的要求。

1 林甸灌區(qū)田間工程渠道設(shè)計(jì)方案

本次方案設(shè)計(jì)選用林甸灌區(qū)其中一干渠的控制區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，該區(qū)水田凈灌溉面積大約為736.9 萬hm2,包括總干渠1條,分干渠1條，地面高程為遞減，分干渠長(zhǎng)度約為4251m，在一分干樁號(hào)1+942處引一支渠，長(zhǎng)度約為1915m，下設(shè)5個(gè)斗渠，現(xiàn)對(duì)一支渠擬制定3種方案進(jìn)行比較。

1.1 方案一

采用單灌單排渠系布置。斗、農(nóng)渠采用灌溉與排水系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)算的流量和水位,項(xiàng)目區(qū)有條件滿足自流灌溉[1]。

灌區(qū)田間工程常規(guī)設(shè)計(jì)水利要素表見表1-表2。

表1 灌區(qū)田間渠道水利要素

表2 灌區(qū)田間溝道水利要素表

1.2 方案二

采用灌排結(jié)合，斗、農(nóng)渠采用灌溉與排水兩用渠道設(shè)計(jì)，灌溉與排水流向相同。

灌區(qū)田間工程結(jié)合渠道設(shè)計(jì)水利要素見表3。

1.3 方案三

采用灌排結(jié)合，斗、農(nóng)渠采用灌溉與排水兩用渠道設(shè)計(jì)，灌溉與排水流向相反。

灌區(qū)田間工程結(jié)合渠道設(shè)計(jì)水利要素見表4。

表3 灌區(qū)田間結(jié)合渠道水利要素表(方案二)

表4 灌區(qū)田間結(jié)合渠道水利要素表(方案三)

2 基于層次分析法的指標(biāo)權(quán)重排列

2.1 田間渠道工程方案綜合評(píng)級(jí)指標(biāo)體系的建立

本文主要從投資成本、施工條件、管理措施、生態(tài)美化4方面進(jìn)行綜合分析，基于影響因素的多樣性和復(fù)雜性，建立了灌區(qū)田間工程渠系布置方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖1，自上而下分別目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、指標(biāo)層C。

圖1 田間渠系工程布置方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 層次分析法簡(jiǎn)要步驟

步驟1：對(duì)田間工程方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)建立層次結(jié)構(gòu)模型。這里的層次結(jié)構(gòu)模型從上到下的目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、和指標(biāo)層C組成，統(tǒng)稱為系統(tǒng)要素。

步驟3：層次各要素的單排序及其一致性檢驗(yàn)，就是要確定同一層次各要素對(duì)于上一層次某要素的相對(duì)重要性的排序權(quán)值并檢驗(yàn)各判斷矩陣的一致性。

步驟4：層次總排序及其一致性檢驗(yàn)，即確定同一層次各要素對(duì)于最高層(A層次)要素的排序權(quán)值并檢驗(yàn)各判斷矩陣的一致性。這一過程是從最高層次到最低層次逐層進(jìn)行的。

計(jì)算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值：

(1)

(2)

計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax：

(3)

式中：B為已知判斷矩陣；ωi為相對(duì)權(quán)重列向量。

步驟5：判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

(4)

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的排列與選取結(jié)果

層次分析法具有將定性和定量相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，它能將復(fù)雜的問題進(jìn)行分解，為最佳方案的選擇提供科學(xué)依據(jù)，為決策層作出正確的決策提供理論參考。現(xiàn)選取林甸灌區(qū)作為研究對(duì)象，在查閱文獻(xiàn)和對(duì)該灌區(qū)段進(jìn)行實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上，從選取的14個(gè)指標(biāo)作為初級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-5]。因各評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的貢獻(xiàn)不同，本研究采用層次分析法(AHP法)來確定灌區(qū)溝渠田間系統(tǒng)建設(shè)的評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。按照評(píng)價(jià)體系確定的結(jié)構(gòu)，咨詢有關(guān)專家的意見，構(gòu)成判斷矩陣，求得各層次評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值并對(duì)其進(jìn)行排序，見表5。

表5 基于層次分析法確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值排序

2.4 基于投影尋蹤評(píng)價(jià)模型的斷面優(yōu)化

基于加速遺傳算法(RAGA)優(yōu)化的投影尋蹤評(píng)價(jià)模型的建立。

1)歸一化處理各評(píng)價(jià)指標(biāo)：

設(shè){x*(i,j)|i=1,2,…,n,j=1,2,…,m}為所有指標(biāo)的樣本集，式中x*(i,j)代表第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)值，n、m為樣本的容量和指標(biāo)的數(shù)量。為統(tǒng)一評(píng)價(jià)所有指標(biāo)的變化范圍和指標(biāo)之間的量綱需要對(duì)進(jìn)行指標(biāo)的無量綱化處理：

(5)

2)進(jìn)行投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)的構(gòu)造：

PPC模型的優(yōu)化過程為把m維數(shù)據(jù){x(i,j)|j=1,2,3,…,m}與a={a(1),a(2),a(3),…,a(m)}為投影方向的1維投影值z(mì)(i)進(jìn)行累乘。

(6)

式中：a是單位長(zhǎng)度向量。然后根據(jù){z(i)|=1,2,…,n}的平面分布圖對(duì)其進(jìn)行篩選。在篩選投影指標(biāo)時(shí)，投影值z(mì)(i)的應(yīng)符合以下特征：局部投影密集度應(yīng)較大，最好成若干個(gè)點(diǎn)團(tuán)狀密集分布，而在整體上最好盡可能散開，投影指標(biāo)函數(shù)表達(dá)如下：

Q(a)=SzDz

(7)

(8)

(9)

式中：Sz為投影值z(mì)(i)的標(biāo)準(zhǔn)差；Dz為投影值z(mì)(i)的局部密度；E(z)為序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值；R為局部密度的窗口半徑，R的選取既要保證窗口內(nèi)的投影點(diǎn)的平均數(shù)量足夠，避免產(chǎn)生過大的滑動(dòng)平均偏差，也要控制其使他隨著n的增大后大小，在試驗(yàn)后方可確定R的數(shù)值；一般可取0.1、0.01、0.001等，r(i,j)為樣本之間的距離，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；u(R-r(i,j))為單位階躍函數(shù)，當(dāng)u(R-r(i,j))≥0時(shí)，u(R-r(i,j))=1；當(dāng)u(R-r(i,j))<0時(shí)，u(R-r(i,j))=0。

2.5 進(jìn)行投影指標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，確定最佳投影方向

當(dāng)每個(gè)指標(biāo)值的樣本集確定的條件下，投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)的數(shù)值只與投影方向a的變化有關(guān)。多向的投影方向來體現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的多樣性，通常來講最能夠體現(xiàn)數(shù)據(jù)特征的投影方向通常就是最佳的投影方向，它可以通過求解約束條件下的最大化問題可來解決。

最大化目標(biāo)函數(shù)：

max∶Q(a)=Sz×Dz

(10)

約束條件：

(11)

2.6 方案的優(yōu)序排列

將由步驟3中確定的a*帶入式4-9中以后，父代個(gè)體的投影值z(mì)*(i)也就隨之確定了，將z*(i)與z*(j)對(duì)比分析，如果它們?cè)较嗨疲f明了樣本i與j的同類度越大。最后將z*(i)值進(jìn)行從大到小進(jìn)行排序得到的就是方案的優(yōu)劣順序。

基于RAGA-PPC的田間渠道工程布置方案優(yōu)化選擇及結(jié)果。

經(jīng)過田間渠系工程布置方案的設(shè)計(jì)、調(diào)研以及數(shù)據(jù)的搜集和整理，得到了3種主要方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表6、7所示。

表6 田間渠系工程布置方案指標(biāo)體系數(shù)量值

表7 田間渠系工程布置方案指標(biāo)體系規(guī)劃值

在表7中，前4個(gè)指標(biāo)值為越大越優(yōu)指標(biāo)，后5個(gè)指標(biāo)值為越小越優(yōu)指標(biāo)，用軟件編輯PPC模型并將灌區(qū)的田間工程布置方案中的相應(yīng)各指標(biāo)帶入其中進(jìn)行處理。在模型中父代初始種群數(shù)、交叉概率以及變異概率設(shè)定為n=400、pc=0.80、pm=0.80，選定20個(gè)優(yōu)秀的個(gè)體，a=0.05，并進(jìn)行20次加速處理。將原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。將處理的結(jié)果帶入到PPC模型當(dāng)中得到程序運(yùn)行結(jié)果的最大指標(biāo)函數(shù)值為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)

方案綜合評(píng)價(jià)的投影值：

z*=(1.439 1.781 1.517)

z*的數(shù)值大小代表的就是這三灌區(qū)田間工程布置方案的差距，所以從中可以得出該模型的優(yōu)化結(jié)果，方案一為1.439；方案二為1.781；方案三為1.517。

3 結(jié) 論

本文通過層次分析法與RAGA-PPC模型相結(jié)合得出林甸灌區(qū)田間渠道工程布置方案的評(píng)價(jià)結(jié)果，其中最佳的布置形式為方案二，斗、農(nóng)渠采用灌溉與排水兩用渠道設(shè)計(jì)，灌溉與排水流向相同。方案二從灌區(qū)占用土地、投資及管理等方面分析出灌排結(jié)合模式優(yōu)于傳統(tǒng)自流灌溉模式，灌排結(jié)合模式將為黑龍江省的節(jié)水、增糧、增地等方面作出貢獻(xiàn)。在有條件的黑土地區(qū)應(yīng)大力推廣灌排合一渠道建設(shè)，為糧食增產(chǎn)提供水利保障。

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2017-02-22

周欣(1980-),女,遼寧岫巖人,高級(jí)工程師;雷興元(1989-),男,黑龍江青岡人,助理工程師。

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