CN112005866A - 一种渠系智能节水系统及其节水方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种渠系智能节水系统及其节水方法，所述系统包括中央控制器、数据处理模块、水渠流量计、水量控制阀；所述水量控制阀与中央控制器连接，安装在干渠、支渠、斗渠和毛渠之间的供水口，用于控制各水渠之间的供水量大小；所述中央控制器依次与数据处理模块、水渠流量计连接；所述水渠流量计安装在各水渠的供水口。所述方法通过建立水动力节水算法模型，并通过所述系统对渠系配水量及配水时间进行调节，实现节水。

Description

一种渠系智能节水系统及其节水方法

技术领域

本发明涉及渠系工程技术领域，具体地说，涉及一种渠系智能节水系统及其节水方法。

背景技术

渠系工程是为了利用水库、河流、湖泊用水而人工修建的两条以上的水渠。常用的渠系工程根据用途不同主要分为发电渠系和灌溉渠系。发电渠系一般与水库或者河流连通，引流水库水或河水形成较大的水流落差，进行水力发电；灌溉渠系一般与水库、河流或湖泊连通，引流水库水或河水或湖水至待灌溉的田地区域，进行田地灌溉。

在灌溉渠系中，由于其水流是用于灌溉田地或者养殖水产；在灌溉渠系中，又分为从灌溉水源取水的干渠、从干渠引水的支渠、从支渠引水的斗渠、从斗渠引水向田间配水的毛渠(农渠)。

而农业高效节水是干旱地区经济社会可持续发展的重点，灌溉区水管理过程中田间节水灌溉技术如膜下滴灌技术、低压管道灌技术、喷灌技术等节水技术较为成熟，而渠系输水这一环节的管理相对薄弱，配水过程中输水渗漏损失和无效弃水量较多。

发明内容

本发明针对现有技术在配水过程中输水渗漏损失和无效弃水量较多的问题，提出了一种渠系智能节水系统及其节水方法，通过将渠系分为二级连接渠，并通过水动力节水算法模型对二级连接渠进行节水控制计算，然后根据计算结果控制水量控制阀进行轮流灌溉。

本发明具体实现内容如下：

本发明提出了一种渠系智能节水系统，包括中央控制器、数据处理模块、水渠流量计、水量控制阀；

所述水量控制阀与中央控制器连接，安装在干渠、支渠、斗渠和毛渠之间的供水口，用于控制各水渠之间的供水量大小；

所述中央控制器依次与数据处理模块、水渠流量计连接；

所述水渠流量计安装在各水渠的供水口。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述水渠流量计包括流速测量单元、水位测量单元；

所述流速测量单元为安装在各水渠中的固定形状的槽状结构，将水渠流过的水量转换为定量的流速数据传输给数据处理模块；

所述水位测量单元为超声波传感器，安装在流速测量单元上端，且发射超声波的一端朝向各水渠的水面，所述超声波传感器接收水面反射回的超声波信号，并将数据传输给数据处理模块。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据处理模块包括数模转换单元，所述数模转换单元分别与流速测量单元、水位测量单元、中央控制器连接；

所述中央控制器内设置水动力节水算法模型；

所述中央控制器接收数模转化单元传输的数据，输入水动力节水算法模型进行计算后，根据计算结果控制水量控制阀对各水渠供水量进行调节。

本发明还提出了一种渠系智能节水方法，基于所述系统进行节水，首先将干渠、支渠、斗渠、毛渠按照连接关系分为二级连接渠；

然后在中央控制器中建立水动力节水算法模型，中央控制器接收流速测量单元及水位测量单元传输的测量数据，换算出对应水渠的水流量，然后通过水动力节水算法模型对二级连接渠进行节水控制计算；

最后根据节水控制计算的结果通过中央控制器控制水量控制阀，从而各水渠供水量进行调节；

所述二级连接渠的构成形式为：包括一条供水主渠和多条分水的分渠；按照连接关系划分出的所述二级连接渠分别为：一条干渠与对应连接的多条支渠为一种二级连接渠、一条支渠与对应连接的多条斗渠为一种二级连接渠、一条斗渠与对应连接的多条毛渠为一种二级连接渠。

为了更好地实现本发明，进一步地，对于所述二级连接渠，在水动力节水算法模型中将二级连接渠的支渠分为M组，对于M组分渠进行轮流灌溉；M≤N；

分组的具体方式为：

首先设定二级连接渠的一条主渠上连接有N条分渠，所述主渠的配水量为Q_S，分渠的配水流量为q_j；

然后计算出二级连接渠中分渠的配水流量的均值

并计算出配水量Q_S除以均值

的值G；

最后用分渠数N除以值G得出二级连接渠的具体分组数M；上述操作以公式表达为：

为了更好地实现本发明，进一步地，在分组时，还要使用下取整函数floor和上取整函数ceil对分组M进行修正，具体用公式表达为：

为了更好地实现本发明，进一步地，在将N条分渠分为M组后，对于任意分渠组i中的任意一条分渠进行实际引水时间和实际引水流量的计算，具体方法为：

首先将一条分渠灌溉时的配水量分为分渠需水量、分渠输水损失量两个部分；

然后计算分渠组i在没有输水损失下，完成配水任务的引水时间t_i，以及分渠组i因为输送渗漏产生水量损失而增加的引水时间

具体计算步骤为：

设定分渠组i内有H条分渠，每一条分渠的配水量为W_j，主渠的输水长度为L，则：

在不考虑分渠输水损失的情况下，分渠组i的引水时间t_i为：

在考虑分渠输水损失的情况下，根据输水渗漏损失经验公式，求得引水时间

其中，A为渠床透水系数，m为渠床透水指数，β为渠道采取防渗措施后渗漏水量的折减系数；

最后计算出实际引水时间t^*和实际引水流量

为了更好地实现本发明，进一步地，在计算出实际引水时间t^*和实际引水流量

后，建立主渠和分渠的渗漏损失Z最小情况下的目标函数，具体计算为：

首先设定分渠的输水长度为L_j，设定变量x_ij为分渠j划分的轮流灌溉分组的情况，当变量x_ij＝1时，表示分渠j被分到了分渠组i中，否则变量x_ij＝0；

然后建立目标函数Z：

为了更好地实现本发明，进一步地，在水动力节水算法模型中设定约束条件：

(1)轮期约束条件：所有轮流灌溉的分渠组i的引水时间之和不大于轮灌周期T：

(2)水量约束条件：渠道引水流量与引水时间的乘积等于渠道的配水量：

(3)水量平衡约束条件：轮流灌溉的分渠组i内所有分渠的流量之和不大于总渠的实际配水流量：

(4)分渠过水能力约束条件：任意一个分渠的实际引水流量

应设计在引水流量q_j的0.6～1.2倍之间：

(5)出水口状态约束条件：一个分渠在分组时只能被划分到一个分渠组i内：

(6)0-1约束条件：x_ij＝0，1。

为了更好地实现本发明，进一步地，在设定了约束条件后，采用罚函数法处理不满足要求的约束条件，并计算更新个体适应度值，具体计算方法为：

对于轮期约束条件，有：

对于分渠配水流量约束条件，有：

Z*＝Z+α₂×min(0,A)-α₃×min(0,B)； (14)

其中：

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

(1)优化了配水环节，减少了输水渗漏损失和无效弃水量；

(2)算法以两级水渠进行分析控制，通用性强，适用于干渠支渠斗渠毛渠中任意两级水渠的配水调节。

附图说明

图1为本发明系统构成框图；

图2为本发明水渠流量计结构示意图；

图3为本发明二级连接渠划分示意图。

其中：1、水渠流量计，11、水位测量单元，12、流速测量单元，2、渠岸。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本发明提出了一种渠系智能节水系统，如图1所示，包括中央控制器、数据处理模块、水渠流量计1、水量控制阀；

所述水量控制阀与中央控制器连接，安装在干渠、支渠、斗渠和毛渠之间的供水口，用于控制各水渠之间的供水量大小；

所述中央控制器依次与数据处理模块、水渠流量计1连接；

所述水渠流量计1安装在各水渠的供水口；

所述水渠流量计1包括流速测量单元12、水位测量单元11；

所述流速测量单元12为安装在各水渠中的固定形状的槽状结构，将水渠流过的水量转换为定量的流速数据传输给数据处理模块；

所述水位测量单元11为超声波传感器，安装在流速测量单元12上端，且发射超声波的一端朝向各水渠的水面，所述超声波传感器接收水面反射回的超声波信号，并将数据传输给数据处理模块。

所述数据处理模块包括数模转换单元，所述数模转换单元分别与流速测量单元12、水位测量单元11、中央控制器连接；

所述中央控制器内设置水动力节水算法模型；

所述中央控制器接收数模转化单元传输的数据，输入水动力节水算法模型进行计算后，根据计算结果控制水量控制阀对各水渠供水量进行调节。

工作原理：通过水渠流量计1的水位测量单元11和流速测量单元12对各水渠的水流量进行监测，并将检测的信号数据传输给数据处理模块，由数据处理模块经过AD转换后传输给中央控制器，在中央控制器中设置水动力节水算法模型，通过水动力节水算法模型对接收的数据进行处理，并计算出每条水渠的配水量及配水时间，并控制水量控制阀对实际配水量进行适应性的调节。

实施例2：

本发明还提出了一种渠系智能节水方法，基于所述系统进行节水，首先将干渠、支渠、斗渠、毛渠按照连接关系分为二级连接渠；

然后在中央控制器中建立水动力节水算法模型，中央控制器接收流速测量单元12及水位测量单元11传输的测量数据，换算出对应水渠的水流量，然后通过水动力节水算法模型对二级连接渠进行节水控制计算；

最后根据节水控制计算的结果通过中央控制器控制水量控制阀，从而各水渠供水量进行调节；

所述二级连接渠的构成形式为：包括一条供水主渠和多条分水的分渠；按照连接关系划分出的所述二级连接渠分别为：一条干渠与对应连接的多条支渠为一种二级连接渠、一条支渠与对应连接的多条斗渠为一种二级连接渠、一条斗渠与对应连接的多条毛渠为一种二级连接渠。

为了更好地实现本发明，进一步地，对于所述二级连接渠，在水动力节水算法模型中将二级连接渠的支渠分为M组，对于M组分渠进行轮流灌溉；M≤N；

分组的具体方式为：

首先设定二级连接渠的一条主渠上连接有N条分渠，所述主渠的配水量为Q_S，分渠的配水流量为q_j；

然后计算出二级连接渠中分渠的配水流量的均值

并计算出配水量Q_S除以均值

的值G；

最后用分渠数N除以值G得出二级连接渠的具体分组数M；上述操作以公式表达为：

为了更好地实现本发明，进一步地，在分组时，还要使用下取整函数floor和上取整函数ceil对分组M进行修正，具体用公式表达为：

为了更好地实现本发明，进一步地，在将N条分渠分为M组后，对于任意分渠组i中的任意一条分渠进行实际引水时间和实际引水流量的计算，具体方法为：

首先将一条分渠灌溉时的配水量分为分渠需水量、分渠输水损失量两个部分；

然后计算分渠组i在没有输水损失下，完成配水任务的引水时间t_i，以及分渠组i因为输送渗漏产生水量损失而增加的引水时间

具体计算步骤为：

设定分渠组i内有H条分渠，每一条分渠的配水量为W_j，主渠的输水长度为L，则：

在不考虑分渠输水损失的情况下，分渠组i的引水时间t_i为：

在考虑分渠输水损失的情况下，根据输水渗漏损失经验公式，求得引水时间

其中，A为渠床透水系数，m为渠床透水指数，β为渠道采取防渗措施后渗漏水量的折减系数；

最后计算出实际引水时间t^*和实际引水流量

为了更好地实现本发明，进一步地，在计算出实际引水时间t^*和实际引水流量

后，建立主渠和分渠的渗漏损失Z最小情况下的目标函数，具体计算为：

首先设定分渠的输水长度为L_j，设定变量x_ij为分渠j划分的轮流灌溉分组的情况，当变量x_ij＝1时，表示分渠j被分到了分渠组i中，否则变量x_ij＝0；

然后建立目标函数Z：

为了更好地实现本发明，进一步地，在水动力节水算法模型中设定约束条件：

(1)轮期约束条件：所有轮流灌溉的分渠组i的引水时间之和不大于轮灌周期T：

(2)水量约束条件：渠道引水流量与引水时间的乘积等于渠道的配水量：

(3)水量平衡约束条件：轮流灌溉的分渠组i内所有分渠的流量之和不大于总渠的实际配水流量：

(4)分渠过水能力约束条件：任意一个分渠的实际引水流量

应设计在引水流量qj的0.6～1.2倍之间：

(5)出水口状态约束条件：一个分渠在分组时只能被划分到一个分渠组i内：

(6)0-1约束条件：xij＝0，1。

为了更好地实现本发明，进一步地，在设定了约束条件后，采用罚函数法处理不满足要求的约束条件，并计算更新个体适应度值，具体计算方法为：

对于轮期约束条件，有：

对于分渠配水流量约束条件，有：

Z*＝Z+α₂×min(0,A)-α₃×min(0,B)； (14)

其中：

工作原理：设定二级连接渠，以输水渗漏损失最小输水时间最短为优化目标，确定各下级渠道的配水开始时间、配水流量,优化确定轮灌组内下级渠道的数目，并均一化处理轮灌组间的输水时间，实现配水过程中上级渠道水流平稳、闸门调节次数少，并较好地解决配水过程中的水量渗漏损失问题，且在配水过程中无效弃水和输水流量稳定控制方面，以各轮灌组引水持续时间差最小及配水期内上级渠道配水流量的方差最小为优化目标，对减少闸门调节次数和无效弃水进行优化；

如图3所示，图3为二级连接渠的结构示意图，图中A表示为主渠，B表示为分渠。本发明从轮灌编组的角度出发，考虑下级渠道引水流量大小及配水时间变化，按“轮灌组间实行轮灌、轮灌组内续灌”的思路将下级渠道划分到轮灌组中，下级渠道上各出水口按“定流量、变历时”从上级渠道引水。考虑模型的通用性，以上、下两级渠道输水渗漏损失最小为目标，建立模型。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种渠系智能节水系统，其特征在于，包括中央控制器、数据处理模块、水渠流量计、水量控制阀；

所述水量控制阀与中央控制器连接，安装在干渠、支渠、斗渠和毛渠之间的供水口，用于控制各水渠之间的供水量大小；

所述中央控制器依次与数据处理模块、水渠流量计连接；

所述水渠流量计安装在各水渠的供水口。

2.如权利要求1所述的一种渠系智能节水系统，其特征在于，所述水渠流量计包括流速测量单元、水位测量单元；

所述流速测量单元为安装在各水渠中的固定形状的槽状结构，将水渠流过的水量转换为定量的流速数据传输给数据处理模块；

所述水位测量单元为超声波传感器，安装在流速测量单元上端，且发射超声波的一端朝向各水渠的水面，所述超声波传感器接收水面反射回的超声波信号，并将数据传输给数据处理模块。

3.如权利要求2所述的一种渠系智能节水系统，其特征在于，所述数据处理模块包括数模转换单元，所述数模转换单元分别与流速测量单元、水位测量单元、中央控制器连接；

所述中央控制器内设置水动力节水算法模型；

所述中央控制器接收数模转化单元传输的数据，输入水动力节水算法模型进行计算后，根据计算结果控制水量控制阀对各水渠供水量进行调节。

4.如权利要求3所述的一种渠系智能节水方法，基于所述系统进行节水，其特征在于，首先将干渠、支渠、斗渠、毛渠按照连接关系分为二级连接渠；

然后在中央控制器中建立水动力节水算法模型，中央控制器接收流速测量单元及水位测量单元传输的测量数据，换算出对应水渠的水流量，然后通过水动力节水算法模型对二级连接渠进行节水控制计算；

最后根据节水控制计算的结果通过中央控制器控制水量控制阀，从而各水渠供水量进行调节

所述二级连接渠的构成形式为：包括一条供水主渠和多条分水的分渠；按照连接关系划分出的所述二级连接渠分别为：一条干渠与对应连接的多条支渠为一种二级连接渠、一条支渠与对应连接的多条斗渠为一种二级连接渠、一条斗渠与对应连接的多条毛渠为一种二级连接渠。

5.如权利要求4所述的一种渠系智能节水方法，其特征在于，对于所述二级连接渠，在水动力节水算法模型中将二级连接渠的支渠分为M组，对于M组分渠进行轮流灌溉；M≤N；

分组的具体方式为：

首先设定二级连接渠的一条主渠上连接有N条分渠，所述主渠的配水量为Q_S，分渠的配水流量为q_j；

然后计算出二级连接渠中分渠的配水流量的均值

并计算出配水量Q_S除以均值

的值G；

最后用分渠数N除以值G得出二级连接渠的具体分组数M；上述操作以公式表达为：

6.如权利要求5所述的一种渠系智能节水方法，其特征在于，在分组时，还要使用下取整函数floor和上取整函数ceil对分组M进行修正，具体用公式表达为：

7.如权利要求5或6任一项所述的一种渠系智能节水方法，其特征在于，在将N条分渠分为M组后，对于任意分渠组i中的任意一条分渠进行实际引水时间和实际引水流量的计算，具体方法为：

首先将一条分渠灌溉时的配水量分为分渠需水量、分渠输水损失量两个部分；

然后计算分渠组i在没有输水损失下，完成配水任务的引水时间t_i，以及分渠组i因为输送渗漏产生水量损失而增加的引水时间

具体计算步骤为：

设定分渠组i内有H条分渠，每一条分渠的配水量为W_j，主渠的输水长度为L，则：

在不考虑分渠输水损失的情况下，分渠组i的引水时间t_i为：

在考虑分渠输水损失的情况下，根据输水渗漏损失经验公式，求得引水时间

其中，A为渠床透水系数，m为渠床透水指数，β为渠道采取防渗措施后渗漏水量的折减系数；

最后计算出实际引水时间t^*和实际引水流量

8.如权利要求7所述的一种渠系智能节水方法，其特征在于，在计算出实际引水时间t^*和实际引水流量

后，建立主渠和分渠的渗漏损失Z最小情况下的目标函数，具体计算为：

首先设定分渠的输水长度为L_j，设定变量x_ij为分渠j划分的轮流灌溉分组的情况，当变量x_ij＝1时，表示分渠j被分到了分渠组i中，否则变量x_ij＝0；

然后建立目标函数Z：

9.如权利要求8所述的一种渠系智能节水方法，其特征在于，在水动力节水算法模型中设定约束条件：

(1)轮期约束条件：所有轮流灌溉的分渠组i的引水时间之和不大于轮灌周期T：

(2)水量约束条件：渠道引水流量与引水时间的乘积等于渠道的配水量：

(3)水量平衡约束条件：轮流灌溉的分渠组i内所有分渠的流量之和不大于总渠的实际配水流量：

(4)分渠过水能力约束条件：任意一个分渠的实际引水流量

应设计在引水流量q_j的0.6～1.2倍之间：

(5)出水口状态约束条件：一个分渠在分组时只能被划分到一个分渠组i内：

(6)0-1约束条件：x_ij＝0，1。

10.如权利要求9所述的一种渠系智能节水方法，其特征在于，在设定了约束条件后，采用罚函数法处理不满足要求的约束条件，并计算更新个体适应度值，具体计算方法为：

对于轮期约束条件，有：

对于分渠配水流量约束条件，有：

Z*＝Z+α₂×min(0,A)-α₃×min(0,B)； (14)

其中：

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