基于遗传算法的灌区水资源优化配置模型构建

基于遗传算法 的灌区 水资源优化配置模型构建

董陈超 1 , 陈雯雯 1 , 高琦 2 , 郑源 2 徐龙 1

1. 河海大学商学院，江苏 常州 213022; 2. 河海大学信息学部物联网工程学院 江苏 常州 213022

摘要：目前，我国农业用水短缺现象严重，农业灌溉面临严峻危机，合理地对灌溉水资源进行调度配置，有助于调节水资源供需矛盾，保障经济持续健康稳定地发展。针对灌区农业灌溉用水利用效率低下、灌溉时间集中、水资源短缺等问题，构建基于遗传算法的水资源优化配置模型，通过选择、交叉、变异，对灌溉方案不断进行优化。并在宁夏农场渠20个取水口进行验证和应用，结果表明：模型将总灌溉时间从147615分钟降低至120993分钟，提高灌溉效率18.04%，优化效果显著。

关键词：灌溉水资源；优化调度；遗传算法

中图分类号: TV213.9 文献标识码:Ａ

作者简介: 董陈超，男，汉，1999年生，江苏省扬州人，本科生。研究方向：数据挖掘。

1. 引言

中国的农业用水面临着严峻挑战，水资源短缺与粗放低效利用的问题并存。而现代农业设施建设对农业灌溉问题的改善具有显著作用。2020年中共中央明确指出要推进与加强现代农业设施的建设。而水资源优化配置模型作为实现水资源合理配置的必要模型，众多学者对此展开研究与探讨。

为了处理水资源系统面临的各种不确定性，可以将多阶段规划、随机规划和区间规划等相结合，并加入动态特征以获得基于区间多阶段随机规划的水资源优化配置模型。彭世彰^[1]等在2013年提出在空间决策支持系统的支持下优化灌区灌溉用水配置的新思路；在此之后，付强^[2]等提出将随机多阶段区间模型用于多水源情形下灌区的水资源优化配置问题，对不同生育阶段的作物进行优化配置；郭珊珊^[3]等运用向量评估遗传算法，在保障实际运行能够满足渠道流量与水量双要求的情况下实现高效配水；唐瑜^[4]等利用效益分摊系数法得出的水资源优化配置模型为南水北调的水价体系完善提供了科学依据；而李晨洋^[5]等学者利用红兴隆灌区构建区间两阶段模糊随机规划模型，从而实现地表水与地下水的优化配置；Chen^[6]等学者则使用突变理论的多标准评估方法，开发城市水资源可持续利用评估模型，为水资源管理的决策提供了基础。

综上所述，目前国内的优化配水配置模型已有一定发展，但相关文献主要集中于理论化模型研究方面，缺乏优化配水模型实际应用于大型农场的相关研究。因此，本文在多算法集成模型的基础上，选取宁夏农场渠作为实践地点，建立有效的灌溉配水模型，提高农业灌溉的经济价值与生态价值，为全国农业灌溉提出一定参考与建议。

2. 遗传算法原理

遗传算法模拟达尔文得生物进化论，模拟了生物被环境选择而不断进化变异基因的过程，从而在整个进化过程中选出基因优异适应环境的个体基因，其在NP难问题上效果非常显著。

遗传算法的主要步骤如下：基因编码，把问题所需要的条件和目标进行基因编码，较常见的就是二进制编码，具体化问题参数；适应度函数，针对每个个体的基因（状态）用评价函数进行分析，分析其对环境的适应度，给每个个体的“优劣”进行评判；选择函数，用已经被赋予适应度，进行“自然选择”，把不适应环境的个体去除，而适应的个体基因留下预备繁殖和变异；染色体交叉算法，把本轮较为适应环境的个体的基因进行基因交换，模拟染色体复制时发现的染色体交叉现象；变异算法，直接把个体的基因进行变异，可以随机指定基因变异。

本文采用遗传算法确定直开口开闭顺序，模型具体实现步骤如下：

１.首先将随机生成若干个初始DNA（用数组表示），每个DNA元素为所有直开口的个数。由于引水流量有限，所有直开口无法同时开启，必须分批错峰开启，存储DNA的数组元素a[n]记录第（n+1）号直开口的开启轮次。

２.初始化后进行交叉和变异。即交换DNA数组里的开启轮次和更改次序。

３.此后需要选择最佳配水策略，也就是灌溉时间最短的那一个数组。此时需要适应度函数来计算最优的DNA，得最优配水策略。遗传算法优化配水模型的核心是适应度函数，用于计算每个直开口的开闭时间，即计算一代中的若干个数组，并给每个数组打分后选出分数最高的若干个遗传到下一代。适应度函数要确保渠道中所有开启的直开口（均按最大过水能力开启）的过水能力之和不能超过渠首的最大引水能力，否则为不可行方案淘汰。每个数组的得分将通过如下方式计算（计算出的灌溉时间越短得分越高）：

按步骤1和2确定的数组依次开启取水口，对于取水口ｎ，每过Ｔ时长计算Ｔ时刻内的灌溉量 ，得到剩余灌溉面积。并计算直开口ｎ所属分段的水位高度ｈ，若ｈ小于其所需的最小水位，则该Ｔ时刻内 ＝０，更新灌溉总时长ｔ。一个灌溉周期结束进入下一个周期，直到直开口的灌溉面积全部灌溉完毕，并记录该段时间内渠道上节制闸的引水流量。同样方法计算ｎ轮灌溉的时长，加和作为总灌溉时间，并记录每轮灌溉时各节制闸、分水闸的流量。

４.选择出一代种群的几个最优DNA遗传到下一代，下一代将按照步骤２和３继续进化若干代，每次进化保留一些最优DNA遗传到下一代，多次进化后选择最好的那一个DNA作为配水方案。

3. 实例验证

根据第二节所述的模型，本文选取宁夏农场渠所管辖的农一一号、农一二号、农二一号、农二二号、农三一号、农三二号、农三三号、农四三号、农五一号、农五二号、农五三号、农六一号、农六二号、农七一号、农七二号、农七三号、农七四号、农八一号、农八二号、农八五号共二十个取水口进行水资源优化配置模型的实例验证，各取水口最大过水能力以及计划灌溉水量如表1所示：

表1 取水口最大过水能力与计划灌溉水量表

参考文献：

1. 彭世彰,王莹,陈芸,高晓丽,张和喜.灌区灌溉用水时空优化配置方法[J].排灌机械工程学报,2013,31(03):259-264.

2. 付强,李佳鸿,刘东,李天霄.考虑风险价值的不确定性水资源优化配置[J].农业工程学报,2016,32(07):136-144.

3. 郭珊珊,郭萍,李茉.基于多目标遗传算法的渠系配水优化模型[J].中国农业大学学报,2017,22(07):71-77.

4. 唐瑜,宋献方,马英,张应华,杨丽虎,韩冬梅,卜红梅.基于优化配置的南水北调受水区水资源价值研究[J].南水北调与水利科技,2018,16(01):189-194.

5. 李晨洋,张志鑫.基于区间两阶段模糊随机模型的灌区多水源优化配置[J].农业工程学报,2016,32(12):107-114.

6. Yu Chen, Shushen Zhang, Yun Zhang, et al. Comprehensive assessment and hierarchical management of the sustainable utilization of urban water resources based on catastrophe theory. 2016, 60:430-437.