周 欣，雷興元

(黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院，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)墾勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150090)

為了選取占地、建設(shè)難度與投資相對經(jīng)濟、合理、適應(yīng)性高的渠道作為設(shè)計方案，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)計方案的特點，運用層次分析法選取的指標，然后利用基于加速遺傳算法的投影尋蹤模型評價這三種方案的優(yōu)缺點，從而評價出最優(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)計的渠道方式比灌排分開布置的方式更經(jīng)濟、合理、實用性更強，同時也表明該評價方法的準確性與可行性。

灌排渠道工程；方案評價；評價指標；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)濟實用的渠道布置方案。灌溉與排水結(jié)合利用渠道的設(shè)計實用技術(shù)研究指導(dǎo)使黑龍江省未來灌區(qū)設(shè)計和管理規(guī)范化，以最經(jīng)濟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)計方案

本次方案設(shè)計選用林甸灌區(qū)其中一干渠的控制區(qū)域進行設(shè)計研究，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，分干渠長度約為4251m，在一分干樁號1+942處引一支渠，長度約為1915m，下設(shè)5個斗渠，現(xiàn)對一支渠擬制定3種方案進行比較。

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。根據(jù)計算的流量和水位,項目區(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，灌溉與排水流向相同。

灌區(qū)田間工程結(jié)合渠道設(shè)計水利要素見表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，灌溉與排水流向相反。

灌區(qū)田間工程結(jié)合渠道設(shè)計水利要素見表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權(quán)重排列

2.1 田間渠道工程方案綜合評級指標體系的建立

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價指標體系，見圖1，自上而下分別目標層A、準則層B、指標層C。

圖1 田間渠系工程布置方案綜合評價指標體系

2.2 層次分析法簡要步驟

步驟1：對田間工程方案綜合評價指標系統(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層A、準則層B、和指標層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，就是要確定同一層次各要素對于上一層次某要素的相對重要性的排序權(quán)值并檢驗各判斷矩陣的一致性。

步驟4：層次總排序及其一致性檢驗，即確定同一層次各要素對于最高層(A層次)要素的排序權(quán)值并檢驗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行的。

計算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值：

(1)

(2)

計算判斷矩陣的最大特征值λmax：

(3)

式中：B為已知判斷矩陣；ωi為相對權(quán)重列向量。

步驟5：判斷矩陣的一致性檢驗。

(4)

2.3 評價指標的排列與選取結(jié)果

層次分析法具有將定性和定量相結(jié)合的優(yōu)點，它能將復(fù)雜的問題進行分解，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)作為研究對象，在查閱文獻和對該灌區(qū)段進行實際調(diào)查的基礎(chǔ)上，從選取的14個指標作為初級評價指標[3-5]。因各評價指標在評價體系中的貢獻不同，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)的評價因子的權(quán)重。按照評價體系確定的結(jié)構(gòu)，咨詢有關(guān)專家的意見，構(gòu)成判斷矩陣，求得各層次評價因子的權(quán)重值并對其進行排序，見表5。

表5 基于層次分析法確定評價因子的權(quán)重值排序

2.4 基于投影尋蹤評價模型的斷面優(yōu)化

基于加速遺傳算法(RAGA)優(yōu)化的投影尋蹤評價模型的建立。

1)歸一化處理各評價指標：

設(shè){x*(i,j)|i=1,2,…,n,j=1,2,…,m}為所有指標的樣本集，式中x*(i,j)代表第i個樣本的第j個指標值，n、m為樣本的容量和指標的數(shù)量。為統(tǒng)一評價所有指標的變化范圍和指標之間的量綱需要對進行指標的無量綱化處理：

(5)

2)進行投影指標函數(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(i)進行累乘。

(6)

式中：a是單位長度向量。然后根據(jù){z(i)|=1,2,…,n}的平面分布圖對其進行篩選。在篩選投影指標時，投影值z(i)的應(yīng)符合以下特征：局部投影密集度應(yīng)較大，最好成若干個點團狀密集分布，而在整體上最好盡可能散開，投影指標函數(shù)表達如下：

Q(a)=SzDz

(7)

(8)

(9)

式中：Sz為投影值z(i)的標準差；Dz為投影值z(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)的投影點的平均數(shù)量足夠，避免產(chǎn)生過大的滑動平均偏差，也要控制其使他隨著n的增大后大小，在試驗后方可確定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u(R-r(i,j))≥0時，u(R-r(i,j))=1；當u(R-r(i,j))<0時，u(R-r(i,j))=0。

2.5 進行投影指標函數(shù)的優(yōu)化，確定最佳投影方向

當每個指標值的樣本集確定的條件下，投影指標函數(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，父代個體的投影值z*(i)也就隨之確定了，將z*(i)與z*(j)對比分析，如果它們越相似，說明了樣本i與j的同類度越大。最后將z*(i)值進行從大到小進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、調(diào)研以及數(shù)據(jù)的搜集和整理，得到了3種主要方案評價指標的部分生產(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體系數(shù)量值

表7 田間渠系工程布置方案指標體系規(guī)劃值

在表7中，前4個指標值為越大越優(yōu)指標，后5個指標值為越小越優(yōu)指標，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)各指標帶入其中進行處理。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個優(yōu)秀的個體，a=0.05，并進行20次加速處理。將原始指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理。將處理的結(jié)果帶入到PPC模型當中得到程序運行結(jié)果的最大指標函數(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)

方案綜合評價的投影值：

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價結(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，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。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。

[1]袁春梅，劉志秋，王志興.芻議烏云灌區(qū)灌排渠道結(jié)合布置[J].黑龍江水利科技，2009(04)：210-210.

[2]王士蘭.灌排合一渠道在牡丹江基本農(nóng)田保護示范區(qū)的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013(09)：14-15.

[3]馬龍軍.興凱湖灌區(qū)灌排合一渠道的實踐淺析[J].黑龍江水利科技，2011(01)：263-263.

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1007-7596(2017)02-0092-04

2017-02-22

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

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