韓小龍 周立華 張娜 仝炳偉

摘 ?要：隨著智慧農業(yè)農村的發(fā)展，越來越多的從事灌區(qū)信息化建設，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平臺上，將惠農渠灌域劃分為有若干灌溉管理單元，構建了由渠道和灌溉管理單元組成的二叉樹模型，討論節(jié)點對象、拓撲結構和二叉樹的生長等問題，建立應急儲備水管理方案，執(zhí)行申請灌溉工作流程等。該系統(tǒng)能有效優(yōu)化灌溉調度，提高灌區(qū)管理工作效率。

關鍵詞：執(zhí)行申請灌溉;二叉樹;拓撲;有限元;UML

中圖分類號：TP311.52 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

我國先后建設了“數(shù)字海河”“數(shù)字黃河”“數(shù)字長江”等國家級項目[1]，各地方建設了集監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)庫建設的決策支持應用于一體的單項應用系統(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、GIS應用、閘門自動化、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灌溉管理單元，構建由渠道和灌溉單元構成的二叉樹模型，建立執(zhí)行申請灌溉工作流程，依據(jù)灌溉單元的空間關系優(yōu)化配水，有效的優(yōu)化了干渠灌溉調度，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目的建設，目前已經(jīng)建成水利政務、水資源監(jiān)控、水生態(tài)管理等信息系統(tǒng)，鋪設了雨量監(jiān)測站、土壤墑情監(jiān)測站等相關傳感器、測控一體化閘門等設備。本文選取惠農渠平羅管理段48 km管理區(qū)域，以支渠管理范圍為界，將灌區(qū)劃分為184個灌溉單元，渠道與灌溉單元共同構成了樹形結構如圖1所示。

1.2 ?灌區(qū)邏輯結構

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;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)點有兩個以上的分水口時，先確定分水的邏輯關系，插入虛節(jié)點，讓渠水“流入”虛節(jié)點再分流[6，7]，使得每個渠段只管理一個灌溉單元。管理單元由渠道管理處、農村用水協(xié)會、閘門等構成。

1.3 ?管理單元數(shù)據(jù)結構

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，估算開始灌溉時間（Estimate Start Time），估算灌溉進度（GetIrr Process）等方法;管理單元屬性包括名稱（UnitName）、灌溉計劃時間表（Irrigation Schedule），閘門參數(shù)（Water Gate Paras）等屬性，配水（Distribution Water），批準灌溉計劃（Approval Irrigation Plan）等方法;節(jié)點對象模型如圖3所示，圖中樹節(jié)點（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 ?基本拓撲關系

基本拓撲關系是一切拓撲運算的基礎，簡單高效的基本拓撲關系運算是灌區(qū)管理中復雜拓撲運算高效實現(xiàn)的前提。二叉樹基本結構是父子關系：其父節(jié)點為（Ln，Vn），子節(jié)點為（Ln+1，2Vn），次子節(jié)點為（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)點是次子節(jié)點上游渠段。

（2）灌溉單元是樹中左葉子節(jié)點，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）在計劃配水業(yè)務中，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

基于GIS的灌溉調度系統(tǒng)結構如圖4所示。

田間管理主要包括土壤墑情傳感器、灌溉申請APP、灌溉進度匯報APP、閘門管理系統(tǒng);服務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、調度員查詢、灌溉進度跟蹤、灌溉調度優(yōu)化等模塊。

3 ?設計與應用

3.1 ?灌溉管理單元注冊

灌溉調度系統(tǒng)包括單元注冊、注銷、灌溉申請、核準、統(tǒng)計、上報、審批、通知、執(zhí)行、交互灌溉進程、督察等工作流程等。在灌溉單元注冊時，需要根據(jù)灌溉單元的空間關系，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。右支生長時在渠段上新增節(jié)點P，在P的左支上新加灌溉單元M2，如圖6所示;左支生長時需新增渠段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，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、作物種植結構，只增加管理粒度，即存在F（M）=F（M1）+F（M2）（F表示統(tǒng)計分析的方法;M、M1、M2代表面積，水量，種植結構等）。

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、計劃配水方案、灌溉申請匯總、方案調整、批準灌溉方案、發(fā)送灌溉通知消息，灌溉進度匯報等步驟。在計劃配水過程中，控制節(jié)點先保留一定量的儲備水，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，申請水量依拓撲結構逐渠段匯總裝箱[8]，匯總時檢測是否匹配灌溉計劃，如果灌溉計劃與灌溉申請不匹配，則在二叉樹約束下，控制單元內部調整或申請上級管理單元調整。

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;灌溉過程中通過APP及時匯報灌溉進度。如果當計劃水量用完，但灌溉沒有完成時，采用應急水進行灌溉;當應急水量用完，但灌溉沒有完成時，通知上級管理單元，用儲備水灌溉;若應急、儲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)引入了二叉樹結構管理灌區(qū)，體現(xiàn)干支斗農渠整體與部分的關系，更符合灌區(qū)實際自然拓撲特征。土壤墑情傳感器、灌溉申請APP等田間管理系統(tǒng)上報了灌區(qū)的基礎數(shù)據(jù)，灌區(qū)綜合查詢系統(tǒng)為調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)化灌溉調度預案，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)灌溉用水的時效性，完善了灌區(qū)灌溉管理體系和灌溉管理能力。

4 ?結 ?論

隨著灌區(qū)信息化建設迅猛發(fā)展，其對灌區(qū)的管理質量和管理效率提出了更高的要求，渠道調度受到測量水精度及空間拓撲關系的限制，優(yōu)化調度進展緩慢。本系統(tǒng)建立了二叉樹配水模型、應急儲備管水方案、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)境復雜，調度優(yōu)化過程較為煩瑣，灌溉調度系統(tǒng)有待于進一步細化完善及仿真驗證。

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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。