灌溉工程方案优选

灌溉工程方案优选（共4篇）

灌溉工程方案优选篇1

0引言

如今,地球上可供我们饮用的淡水资源比例正在逐渐减小,尽管淡水资源可以通过降雨等水循环过程得到补充,但淡水资源量仍十分有限。近百年来,灌溉技术的不断改善促进了区域农业的可持续发展,但由于缺乏对土壤-气候-作物相关关系、水资源的不适当开发利用、过度灌溉引起的水化学关系、土壤微生物进程等相关知识的了解,使得农业灌溉管理在过去的几十年里遇到了很多问题和困难[1]。

作为农业灌溉管理的一项重要内容,灌溉工程方案的优选是一个复杂的过程,不仅仅是解决由于降雨-蒸发等水文条件不平衡变化引起的农作物种植缺水,还需要统筹考虑供水、需水、技术可行性、经济可行性、管理技术等。因此,灌溉工程的优选应该从只考虑技术与经济间平衡和协调的传统观念,转向统筹考虑技术-资源-经济-环境-社会的综合决策。目前,灌溉工程方案优选方法有很多种,如灰色关联法[2]、投影寻踪模型[3]、模糊集理论[4,5]、人工神经网络[6]、集对分析法[7]等,由于自然条件的差异、灌溉技术水平的限制、社会经济发展的复杂性等因素,灌溉工程方案优选是一个包含有众多不确定性的过程,而证据理论在不确定信息融合领域有着独特的优势,因此本文引入证据理论研究灌溉工程方案优选的问题。

1基本理论

Dempster-Shafer证据理论(简称DS证据理论)源于20世纪60年代美国哈佛大学数学家A P Dempster在利用上、下限概率来解决多值映射问题方面的研究工作。其后,Dempster的学生G Shafer对证据理论做了进一步的发展,引入信任函数的概念,形成了一套基于“证据”和“组合”来处理不确定性推理问题的数学方法。证据理论是概率论中的一种,与我们常用的贝叶斯概率论相比,它在大多数情况下都能成立,如不用满足概率的可加性。

在DS证据理论中,由基本命题(或假定)组成的完备集合称为识别框架(Frame of Discernment),表示对某一问题的所有可能答案,但其中只有一个答案是正确答案。识别框架的子集称为命题或假设,分配给各命题的信任程度称为基本概率分布(Basic mass Probability Assignment, BPA),也称为m函数,m函数的物理意义与贝叶斯概率论中的p函数一致。m(A)为基本可信度,反映对命题A的信任程度大小[8,9]。

其中,使得m(A)>0的命题A称为焦元(Focal elements)。

DS合成规则(Dempster's rule of combinational)也称为证据合成公式,设m1、m2是两个独立的证据源导出的基本概率分布函数,则DS合成规则可以计算这两个证据共同作用产生的反映融合信息的新的基本概率分布。其定义如下[10]:

其中,标准化常数(又称为归一化常数)为: $Κ = \sum_{B \cap C = \emptyset} m_{1} (B) m_{2} (C)$ 。归一化常数的值越大,则表明各数据间的冲突越大,在采用DS合成规则是会出现证据悖论[10],但在本研究中,各方案的冲突比较小,即某一种方案不会出现明显优于其他方案多个数量级,因此,DS基本合成准则完全适用。图1为DS合成规则的空间表示。

若识别框架Θ由多组证据组成,则其DS合成规则为[10]:

归一化常数为: $Κ = \sum_{\cap A_{i} = A} \prod_{1 \leq i \leq Ν} m_{i} (A_{i})$

式中:m1,m2,…,mn是同一识别框架Θ上的基本概率函数分布,其对应的焦元为Ai(i=1,2,…,N)。

2灌溉工程方案优选

2.1研究区域概况

鄂尔多斯市地处内蒙古西南部,是国家能源重化工基地,也是我国生态畜牧业建设示范区。目前,鄂尔多斯市水资源可利用量为20.17亿m3,2009年用水量为17.49亿m3,尽管现状水资源量盈余,但如果按照现行的水资源开发利用方式,鄂尔多斯将成资源型和工程型缺水地区。而造成工程型缺水的主要原因是农业用水效率和效益较低,因此,为了有效缓解经济快速发展带来的资源和环境压力,科学合理地优选灌溉工程方案势在必行。

2.2建立灌溉技术优选模型

灌溉工程方案的选择通常受地形、气候、农作物、地形地貌等因素的影响,当然,灌溉技术能否实施还有更关键的影响因子,如成本、运行管理技术、灌溉效率等[11]。通过对鄂尔多斯地区农田灌溉系统现状的分析,在充分考虑区域自然条件、环境条件、社会条件、经济条件差异的基础上,参照鄂尔多斯地区节水灌溉的研究成果[11,12,13],选用技术类、资源类、环境类、经济类、社会类5个一级指标及其下属的28个二级指标,建立灌溉工程方案优选模型,对鄂尔多斯市现有的4种灌溉工程方案进行优选,即低压管道灌溉C1,移动式喷灌C2,卷盘式喷灌C3,大型时针式喷灌C4。优选模型各层指标的具体如下。

(1)技术类指标A1:

安全性和可靠性A11,灌水均匀度A12,对气候的适应性A13,对作物的适应性A14,对水质的要求A15,运行管理难易程度A16,灌溉水利用系数A17;

(2)资源类指标A2:

节水量A21,节能量A22,省工程度A23,节地率A24;

(3)环境类指标A3:

改善农田小气候A31,土壤侵蚀A32,土壤水库调蓄能力A33,水资源可持续利用A34,可能引发环境地质灾害A35;

(4)经济类指标A4:

工程投资A41,年运行费A42,年净收益A43,水分生产率A44,效益费用比A45,增产效果A46,扩大灌溉面积A47;

(5)社会类指标A5:

受群众欢迎程度A51,生产条件的改善A52,生活水平的提高A53,区域农业发展作用A54,区域经济发展作用A55。图2为灌溉工程方案优选模型。

2.3在各指标下从识别框架做出决策选择

为了能够准确地选择适宜鄂尔多斯地区的灌溉工程方案,首先需要对优选模型中的各层指标进行定性和定量分析。

AHP层次分析法是近年来主要采用的主观赋权法,多个专家的主观赋权的组合结果基本符合客观实际的需要,若个别赋权与其他专家赋权差异很大,在随后的证据组合中也可以消除这类冲突。因此,本文参考近年来鄂尔多斯节水灌溉发展现状,同时综合考虑不同专家、决策者的意见[13],采用层次分析法给各指标赋权,各指标的综合权重见表1。

接着将所有备选方案作为识别框架Θ={C1,C2,C3,C4},参照鄂尔多斯市近年来节水灌溉的相关研究成果,在每一指标影响下对各方案做出决策选择,同时将决策的合适程度划分为3个等级,r=1时,表示该方案一般合适;当r=2时,表示该方案比较合适;当r=3时,表示该方案非常合适。

然后将各备选方案与识别框架进行合适程度分析,其中识别框架合适程度是指在由4个备选方案组成的识别框架中至少存在一个适合的方案,但是未知是那种方案合适。这也是证据理论的一大特点,即他的识别框架中包含了存在冲突的信息,但正确答案(或称为最适合方案)一定包含在识别框架中,换句话而言,含有冲突的信息不但没有被抹掉,反而参与到了下一步的优选与决策中。因此,从这一点也体现了证据理论在对灌溉方案优选这一多属性决策方面的优越性。

最后把不同指标相应下的决策与知识框架Θ进行比较,确定各指标影响下不同决策的合适程度,对于正相关的指标,某方案的属性值越大则越合适,负相关指标与此相反。知识矩阵的计算结果见表1。

2.4基于证据理论的灌溉工程方案优选

本文采用文献[14]提出的知识矩阵构建基本概率分布[14],见表2。

根据知识矩阵建立的各指标下的基本概率分布为:

表1及式(4)中,m(Ci)为备选方案i的基本概率分布函数,i=1,2,…,k;rp1、rpk为p指标下C1、Ck方案对应的合适程度值;wp为P指标下的综合权重。

根据表1及式(4)计算各指标影响下的基本概率分布,表3为备选灌溉工程方案在各指标下的基本概率分布。

在各指标的影响下,将识别框架中各备选方案的基本概率分布看作相互独立的证据源,采用式(3)的DS合成规则进行数据融合,计算值最大的备选方案则为最优灌溉工程方案。表4为基于证据理论的灌溉工程方案优选结果,并与文献[12]基于模糊综合评价法的计算结果进行比较。

2.5结果分析

(1)与模糊理论的计算结果相比。

根据表4可知,基于证据理论的计算结果与文献[12]采用模糊综合评价法的计算结果完全一致,但基于证据理论的优选结果更加直观。

(2)与实际情况相比。

根据DS合成结果计算值越大方案越优的原则,灌溉工程方案最优程度由高到低的排序依次为:卷盘式喷灌、大型时针式喷灌、移动式喷灌、低压管道灌溉。根据实地调查,鄂尔多斯市现有卷盘喷灌机3 000多台,大型时针式喷灌机1 600台,而移动式喷灌在该地区应用较少[13],模型优选结果与实际情况相吻合。但低压管道灌溉仍然占当地农田灌溉的1/4,虽然低压管道灌溉运行管理简单,但是浪费水资源,因此,应当加快发展节水省地、社会经济效果良好的卷盘式喷灌。

3结语

科学合理的灌溉工程方案优选方法,是支撑区域农业、经济、社会各因素相互协调、可持续发展的必要保证。针对灌溉工程方案优选是一个涉及多因素、多指标的复杂过程,本文采用可融合众多不确定信息的DS证据理论,对鄂尔多斯市灌溉工程方案进行优选,优选结果表明,鄂尔多斯市应优先发展卷盘式喷灌,其次是大型时针式喷灌。显然,优选结果符合鄂尔多斯市节水灌溉发展的实际情况,因此,基于证据理论的灌溉工程方案优选过程具有较强的系统性和实用性,是一种新型高效的灌溉工程方案优选方法。

摘要：灌溉工程方案的优选受到自然资源、技术水平、环境影响、社会经济等因素的制约,是一个包含有众多不确定性的复杂过程。在分析鄂尔多斯市现状水资源开发利用程度和考虑节水灌溉研究成果的基础上,选取技术、资源、环境、经济、社会5个一级指标及其下属的28个二级指标,建立灌溉工程方案优选模型,接着确定各指标影响下不同决策的合适程度,并建立相应的知识矩阵,最后采用DS合成规则融合各知识矩阵的基本概率分布,研究结果表明,鄂尔多斯市灌溉工程方案最优程度由高至低依次是卷盘式喷灌、大型时针式喷灌、移动式喷灌、低压管道灌溉。

关键词：证据理论,DS合成规则,灌溉工程方案优选

灌溉工程方案优选篇2

（一）筹备阶段（2013年）。

1．积极向科技厅申请开展自治区级重点实验室的培育工作，力争2013年通过科技厅的审查。

2．充分利用广西水库（大坝）安全监测中心、广西水利水电建设工程质量检测中心站挂靠在广西水利科学研究院的条件，开展应用科学研究，为大坝安全监测和工程质量检测提供技术支持。

3．重点投入引进国内外水工程材料先进设备；

4．着手建立研究团队和确定基础项目研究，建立学术委员会，聘任学术委员会成员，设立主任、副主任，制定研究发展方向、管理章程、目标和工作计划，解决重点实验室建设、运行与发展中的有关问题。

5．建立健全实验室主任和副主任负责制的技术管理体系，做好科学论证，推进科技决策的科学化、民主化和制度化。

（二）建设阶段（2014年～2020年）。

1．实施培训、引进和聘用相结合人才建设模式。根据不同的研究方向，对现有人员开展培训，根据课题需要引进和聘用区内外学者专家，力争三年内实验室拥有至少3名正高级职称的学术带头人，副高级职称人数达到8人以上，进一步优化研究团队人才构成与规模。

2．完善科研设施。仪器设备方面，根据实验室中长期发展需求，拟引进环境扫描仪、压汞仪、空间分析软件、遥感分析软件、大型数据库软件等系统和现代化河湖地形测深系统ADCP，以及其配套船只等实验仪器，使实验室软硬件综合实力达到国内先进水平。

3．加大申请国家自然科学资金、水利部公益行业专项、水利部“948”项目和自治区相关科研课题的力度。

灌溉工程方案优选篇3

关键词：信息熵理论施工方案多目标决策方案优选

中图分类号：TV55 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0136-02

水电工程施工方案布置，是水电工程施工组织设计的重要组成部分。其布置方案的确定，是一个复杂的多因素、多指标的决策问题。在评价和优选方案时，必须综合考虑多种因素，综合评价，审慎决策。综合评价的方法很多，其原理多源于系统分析的多目标规划，常用方法有：层次分析法、效用函数法、模糊分析法等。该文综合考虑主观权重和评价准则的熵权，建立基于信息熵方法的施工方案优选模型。

1 施工方案评价体系的建立

在评价布置方案时，必须综合考虑：（1）布置的协调可靠性。在确定布置方案时，要综合分析施工流程的协调性、可靠性，以及对主体工程施工和运行的影响。（2）布置的不确定性因素的影响。布置工程中，要受勘测设计深度和精度的限制，还要涉及大量定性、定量因素。（3）布置的经济合理性。施工临建和辅助企业一般占工程建设费用的10%～15%，所以方案的经济性是必须考虑的重要方面[2]。

评价施工布置方案的优劣，涉及许多因素。大体上可以分为两类，一类是定性因素，一类是定量因素。

定性指标有：（1）有利生产管理的程度；（2）施工协调配合程度；（3）与永久建筑物结合的情况；（4）满足安全环保方面的要求等；（5）对主体工程施工和运行的影响。定量指标有：（1）场地土石方平整费用；（2）临建工程建筑安装费用；（3）物料的运输工程量和费用；（4）占地面积和费用；（5）临建工程的回收利用率等[1]。

2 施工方案优选模型

2.1 决策矩阵标准化的方法

设用个评价准则对个方案进行评价分析，是方案相对于评价准则的指标，是准则的理想水平。

对于效益性指标：

（1）

对于消耗性指标：

（2）

为对的贴近度，且设，并用将进行标准化处理后有：

（3）

2.2 表征准则评价重要度的熵计算

（4）

式中（5）

2.3 权值计算

基于此，给出由确定评价准则的评价权值公式：

（6）

其中：，且满足

还需考虑决策者的主观权值，可得综合权值为：（7）

2.4 海明距离计算和结果判定

由下式计算海明距离，越小者方案越优。

（8）

3 应用算例

该研究引用文献[1]的资料，优选施工布置方案。某工程初拟了3个施工布置方案，列出6个评价因素，有3个定性因素、3个定量因素。采用专家评分法，聘请若干专家，对因素的满意度打分（百分制），并判定因素的权重，指标如表1所示。

由式（2）（3）求得标准化贴近度矩阵为

由式（4）、（5）求得各评价指标的熵值为

由式（6）求得各评价指标的评价权值为

带入（7），可求得综合权重：

带入（8），可求得海明距离

由海明距离越小越优，可知方案A为最优方案，与文献[1]结论一致。

4 结语

水电工程施工布置方案的优选，是施工组织设计的一项重要课题。该研究分析了影响施工布置方案选择的各项因素，以信息熵为理论基础，考虑了评价指标的评价权值，提出了基于信息熵方法的水电工程施工布置方案优选模型，并通过算例表明熵方法优选决策模型是可行的、有效的。

参考文献

[1]袁光裕.水利工程施工[M].北京：中国水利水电出版社出版社，1996.

[2]胡志根，肖焕熊.水电工程施工布置方案多目标模糊优选决策研究[J].水电站设计，1997（2）：19-23.

[3]邱菀华.管理决策熵学及其应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

灌溉工程方案优选篇4

1 优选模型的建立

1.1 层次分析法的基本原理

层次分析法(Analytical Hierarchy Process,简称AHP)是美国运筹学家T.LSaaty教授20世纪70年代提出的一种系统分析方法。其基本原理是:首先将复杂的问题层次化,即根据问题的性质和要达到的目标,将问题分解为不同的组成因素,按照因素间的相互影响和隶属关系将其分层聚类组合,形成一个递阶的、有序的层次结构模型;然后根据系统的特点和基本原则,对各层的因素进行对比分析,引入1～9比率标度方法构造出判断矩阵,用求解判断矩阵最大特征根及其特征向量的方法得到各因素的相对权重;最终通过计算最低层(方案层)相对于最高层(总目标)的相对重要性次序的组合权值,以此作为评价和选择方案的依据。

用AHP分析问题的基本步骤包括:(1)建立层次结构模型;(2)构造判断矩阵;(3)层次单排序并检验一致性;(4)层次总排序并检验一致性。

1.2 建立层次分析的结构模型

根据比较基础工程方案需考虑的因素及其隶属关系,选择主要指标建立层次结构模型。例如图1。

1.3 构造判断矩阵

根据所建立的层次结构模型,将同一层的因素与上一层中某个因素两两成对比较,采用1～9及其倒数标度其重要性,标度如表1所示,构造出判断矩阵。

1.4 层次单排序并检验一致性

采用方根法求解判断矩阵的最大特征根和特征向量。其计算步骤为:

①计算判断矩阵每一行元素乘积mi

(2)计算mi的n次方根,即

(3)对向量作归一化处理

则为所求的特征向量,即各因素权重。

④计算判断矩阵的最大特征根λmax