基于GIS的灌溉調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓小龍 周立華 張娜 仝炳偉

摘 ?要：隨著智慧農(nóng)業(yè)農(nóng)村的發(fā)展，越來越多的從事灌區(qū)信息化建設(shè)，為了解決隨著灌溉申請的增加而頻繁發(fā)生沖突的問題，在GIS平臺(tái)上，將惠農(nóng)渠灌域劃分為有若干灌溉管理單元，構(gòu)建了由渠道和灌溉管理單元組成的二叉樹模型，討論節(jié)點(diǎn)對象、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和二叉樹的生長等問題，建立應(yīng)急儲(chǔ)備水管理方案，執(zhí)行申請灌溉工作流程等。該系統(tǒng)能有效優(yōu)化灌溉調(diào)度，提高灌區(qū)管理工作效率。

關(guān)鍵詞：執(zhí)行申請灌溉;二叉樹;拓?fù)?有限元;UML

中圖分類號(hào)：TP311.52 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）13-0082-04

Abstract：With the development of smart agriculture in rural areas，more and more people are engaged in the informatization construction of irrigation areas. In order to solve the problem of frequent conflicts with the increase of irrigation applications，Huinong canal irrigation domain is divided into several irrigation management units on the GIS platform，and a binary tree model composed of channels and irrigation management units is constructed to discuss the node object，topology structure and the growth of binary tree. To establish emergency water reserve management plan and implement the application irrigation workflow. The system can effectively optimize irrigation scheduling and improve the efficiency of irrigation management.

Keywords：implement application for irrigation;binary tree;topology;finite element;UML

0 ?引 ?言

我國先后建設(shè)了“數(shù)字海河”“數(shù)字黃河”“數(shù)字長江”等國家級(jí)項(xiàng)目[1]，各地方建設(shè)了集監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)庫建設(shè)的決策支持應(yīng)用于一體的單項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)，如灌區(qū)綜合管理、防洪安全、水庫管理、水資源合理配置、防治水污染、水利政務(wù)、GIS應(yīng)用、閘門自動(dòng)化、渠系優(yōu)化配水等等[1，2]。

在寧夏引黃灌區(qū)，隨著土壤墑情傳感器的普及，越來越多的農(nóng)戶希望有針對性的申請配水，隨著執(zhí)行申請灌溉數(shù)量的增多，一線調(diào)度員的工作越來越繁重，對灌區(qū)管理信息系統(tǒng)需求越來越高。本文基于GIS將灌域劃分為若干個(gè)灌溉管理單元，構(gòu)建由渠道和灌溉單元構(gòu)成的二叉樹模型，建立執(zhí)行申請灌溉工作流程，依據(jù)灌溉單元的空間關(guān)系優(yōu)化配水，有效的優(yōu)化了干渠灌溉調(diào)度，提高了灌區(qū)管理效率。

1 ?數(shù)字灌區(qū)原理

1.1 ?灌區(qū)基本情況

惠農(nóng)渠全長256 km，最大引水流量97 m3/s，灌溉面積756 km2，隨著寧夏智慧水利項(xiàng)目的建設(shè)，目前已經(jīng)建成水利政務(wù)、水資源監(jiān)控、水生態(tài)管理等信息系統(tǒng)，鋪設(shè)了雨量監(jiān)測站、土壤墑情監(jiān)測站等相關(guān)傳感器、測控一體化閘門等設(shè)備。本文選取惠農(nóng)渠平羅管理段48 km管理區(qū)域，以支渠管理范圍為界，將灌區(qū)劃分為184個(gè)灌溉單元，渠道與灌溉單元共同構(gòu)成了樹形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?灌區(qū)邏輯結(jié)構(gòu)

由于在執(zhí)行申請灌溉中無須區(qū)分左右岸，故將灌區(qū)進(jìn)一步簡化不完全二叉樹[3-5]，如圖2所示。簡化過程中，將渠道依據(jù)取水口位置，劃分為若干個(gè)渠段單元;將灌域簡化為灌溉單元，沿取水口位置排列在渠道一側(cè);連接渠段和灌溉單元，形成二叉樹模型。在簡化的過程中，若某節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)以上的分水口時(shí)，先確定分水的邏輯關(guān)系，插入虛節(jié)點(diǎn)，讓渠水“流入”虛節(jié)點(diǎn)再分流[6，7]，使得每個(gè)渠段只管理一個(gè)灌溉單元。管理單元由渠道管理處、農(nóng)村用水協(xié)會(huì)、閘門等構(gòu)成。

1.3 ?管理單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

渠段單元包括渠段ID、橫斷面參數(shù)（Canal Cross Param-eters）等屬性以及流量（Get Water Flow）、水位（Get Water Level）等方法;灌溉單元屬性包括管理區(qū)域（Region）、取水口位置（Intake）、灌溉申請（Irrigation Application）等屬性，估算開始灌溉時(shí)間（Estimate Start Time），估算灌溉進(jìn)度（GetIrr Process）等方法;管理單元屬性包括名稱（UnitName）、灌溉計(jì)劃時(shí)間表（Irrigation Schedule），閘門參數(shù)（Water Gate Paras）等屬性，配水（Distribution Water），批準(zhǔn)灌溉計(jì)劃（Approval Irrigation Plan）等方法;節(jié)點(diǎn)對象模型如圖3所示，圖中樹節(jié)點(diǎn)（TreeNode）、派生灌溉單元（Irrigation Unit）、渠段單元（Channel Unit）、聚合管理單元（Management Unit）。

1.4 ?基本拓?fù)潢P(guān)系

基本拓?fù)潢P(guān)系是一切拓?fù)溥\(yùn)算的基礎(chǔ)，簡單高效的基本拓?fù)潢P(guān)系運(yùn)算是灌區(qū)管理中復(fù)雜拓?fù)溥\(yùn)算高效實(shí)現(xiàn)的前提。二叉樹基本結(jié)構(gòu)是父子關(guān)系：其父節(jié)點(diǎn)為（Ln，Vn），子節(jié)點(diǎn)為（Ln+1，2Vn），次子節(jié)點(diǎn)為（Ln+1，2Vn+1）[6，7]。

（1）渠道在二叉樹邏輯模型中表示為由（Ln，Vn），（Ln+1，2Vn+1）組成的右斜樹，其中父節(jié)點(diǎn)是次子節(jié)點(diǎn)上游渠段。

（2）灌溉單元是樹中左葉子節(jié)點(diǎn)，在二叉樹邏輯模型中為（Ln+1，2Vn），并且依取水口位置先后順序排列。

（3）在計(jì)劃配水業(yè)務(wù)中，先根遍歷二叉樹。

（Ln+1，2Vn+1）=（Ln，Vn）-（Ln+1，2Vn）

即下游流量是上游流量減去灌溉管理單元配水流量。

（4）在匯總灌溉申請中，后根遍歷二叉樹。

（Ln，Vn）=（Ln+1，2Vn）+（Ln+1，2Vn+1）

即上游的水量是下游水量和管理單元取水流量的累加或接續(xù)。

2 ?整體架構(gòu)

基于GIS的灌溉調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

田間管理主要包括土壤墑情傳感器、灌溉申請APP、灌溉進(jìn)度匯報(bào)APP、閘門管理系統(tǒng);服務(wù)器端主要包括灌溉單元注冊、空間數(shù)據(jù)庫、灌區(qū)綜合查詢，渠道管理主要包括灌溉申請審批、調(diào)度員查詢、灌溉進(jìn)度跟蹤、灌溉調(diào)度優(yōu)化等模塊。

3 ?設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 ?灌溉管理單元注冊

灌溉調(diào)度系統(tǒng)包括單元注冊、注銷、灌溉申請、核準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)、上報(bào)、審批、通知、執(zhí)行、交互灌溉進(jìn)程、督察等工作流程等。在灌溉單元注冊時(shí)，需要根據(jù)灌溉單元的空間關(guān)系，在二叉樹中添加灌溉單元，即二叉樹的生長，如圖5所示。

二叉樹的生長分為左支生長和右支生長，通常用于灌溉單元注冊和管理單元注冊。右支生長時(shí)在渠段上新增節(jié)點(diǎn)P，在P的左支上新加灌溉單元M2，如圖6所示;左支生長時(shí)需新增渠段P1、P2，如圖7所示，再增加灌溉管理單元M2（P及P1、P2是虛節(jié)點(diǎn)，僅表示分水口，不區(qū)分灌溉先后順序）。新注冊灌溉單元通常不改變灌溉面積、水量、作物種植結(jié)構(gòu)，只增加管理粒度，即存在F（M）=F（M1）+F（M2）（F表示統(tǒng)計(jì)分析的方法;M、M1、M2代表面積，水量，種植結(jié)構(gòu)等）。

3.2 ?申請灌溉工作流程

申請灌溉流程如圖8所示，主要包括灌溉單元注冊、計(jì)劃配水方案、灌溉申請匯總、方案調(diào)整、批準(zhǔn)灌溉方案、發(fā)送灌溉通知消息，灌溉進(jìn)度匯報(bào)等步驟。在計(jì)劃配水過程中，控制節(jié)點(diǎn)先保留一定量的儲(chǔ)備水，再遍歷二叉樹依次為管理單元配水，各管理單元層層細(xì)化，直到所有灌溉單元都分配完成。

灌溉申請匯總中，申請水量依拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逐渠段匯總裝箱[8]，匯總時(shí)檢測是否匹配灌溉計(jì)劃，如果灌溉計(jì)劃與灌溉申請不匹配，則在二叉樹約束下，控制單元內(nèi)部調(diào)整或申請上級(jí)管理單元調(diào)整。

在執(zhí)行申請灌溉過程中，系統(tǒng)提前通知工作人員，待工作人員確認(rèn);灌溉過程中通過APP及時(shí)匯報(bào)灌溉進(jìn)度。如果當(dāng)計(jì)劃水量用完，但灌溉沒有完成時(shí)，采用應(yīng)急水進(jìn)行灌溉;當(dāng)應(yīng)急水量用完，但灌溉沒有完成時(shí)，通知上級(jí)管理單元，用儲(chǔ)備水灌溉;若應(yīng)急、儲(chǔ)備水用完還未灌溉完成，則派出問題小組查找問題根本原因，記錄并歸檔。

本系統(tǒng)引入了二叉樹結(jié)構(gòu)管理灌區(qū)，體現(xiàn)干支斗農(nóng)渠整體與部分的關(guān)系，更符合灌區(qū)實(shí)際自然拓?fù)涮卣?。土壤墑情傳感器、灌溉申請APP等田間管理系統(tǒng)上報(bào)了灌區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，灌區(qū)綜合查詢系統(tǒng)為調(diào)度員提供了決策支持依據(jù)，二叉樹配水模型在空間束下優(yōu)化灌溉調(diào)度預(yù)案，申請灌溉工作流程降低灌溉管理員的工作量，系統(tǒng)整體提高灌區(qū)灌溉用水的時(shí)效性，完善了灌區(qū)灌溉管理體系和灌溉管理能力。

4 ?結(jié) ?論

隨著灌區(qū)信息化建設(shè)迅猛發(fā)展，其對灌區(qū)的管理質(zhì)量和管理效率提出了更高的要求，渠道調(diào)度受到測量水精度及空間拓?fù)潢P(guān)系的限制，優(yōu)化調(diào)度進(jìn)展緩慢。本系統(tǒng)建立了二叉樹配水模型、應(yīng)急儲(chǔ)備管水方案、執(zhí)行申請灌溉流程等，有助于提升灌區(qū)綜合管理效能。然而，灌區(qū)環(huán)境復(fù)雜，調(diào)度優(yōu)化過程較為煩瑣，灌溉調(diào)度系統(tǒng)有待于進(jìn)一步細(xì)化完善及仿真驗(yàn)證。

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作者簡介：韓小龍（1977.07—），男，漢族，寧夏沙坡頭人，碩士，研究方向：水利信息化、節(jié)水灌溉。