韩小龙 周立华 张娜 仝炳伟

摘  要：随着智慧农业农村的发展，越来越多的从事灌区信息化建设，为了解决随着灌溉申请的增加而频繁发生冲突的问题，在GIS平台上，将惠农渠灌域划分为有若干灌溉管理单元，构建了由渠道和灌溉管理单元组成的二叉树模型，讨论节点对象、拓扑结构和二叉树的生长等问题，建立应急储备水管理方案，执行申请灌溉工作流程等。该系统能有效优化灌溉调度，提高灌区管理工作效率。

关键词：执行申请灌溉;二叉树;拓扑;有限元;UML

中图分类号：TP311.52      文献标识码：A 文章编号：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

我國先后建设了“数字海河”“数字黄河”“数字长江”等国家级项目[1]，各地方建设了集监测、数据采集、传输、数据库建设的决策支持应用于一体的单项应用系统，如灌区综合管理、防洪安全、水库管理、水资源合理配置、防治水污染、水利政务、GIS应用、闸门自动化、渠系优化配水等等[1，2]。

在宁夏引黄灌区，随着土壤墒情传感器的普及，越来越多的农户希望有针对性的申请配水，随着执行申请灌溉数量的增多，一线调度员的工作越来越繁重，对灌区管理信息系统需求越来越高。本文基于GIS将灌域划分为若干个灌溉管理单元，构建由渠道和灌溉单元构成的二叉树模型，建立执行申请灌溉工作流程，依据灌溉单元的空间关系优化配水，有效的优化了干渠灌溉调度，提高了灌区管理效率。

1  数字灌区原理

1.1  灌区基本情况

惠农渠全长256 km，最大引水流量97 m3/s，灌溉面积756 km2，随着宁夏智慧水利项目的建设，目前已经建成水利政务、水资源监控、水生态管理等信息系统，铺设了雨量监测站、土壤墒情监测站等相关传感器、测控一体化闸门等设备。本文选取惠农渠平罗管理段48 km管理区域，以支渠管理范围为界，将灌区划分为184个灌溉单元，渠道与灌溉单元共同构成了树形结构如图1所示。

1.2  灌区逻辑结构

由于在执行申请灌溉中无须区分左右岸，故将灌区进一步简化不完全二叉树[3-5]，如图2所示。简化过程中，将渠道依据取水口位置，划分为若干个渠段单元;将灌域简化为灌溉单元，沿取水口位置排列在渠道一侧;连接渠段和灌溉单元，形成二叉树模型。在简化的过程中，若某节点有两个以上的分水口时，先确定分水的逻辑关系，插入虚节点，让渠水“流入”虚节点再分流[6，7]，使得每个渠段只管理一个灌溉单元。管理单元由渠道管理处、农村用水协会、闸门等构成。

1.3  管理单元数据结构

渠段单元包括渠段ID、横断面参数（Canal Cross Param-eters）等属性以及流量（Get Water Flow）、水位（Get Water Level）等方法;灌溉单元属性包括管理区域（Region）、取水口位置（Intake）、灌溉申请（Irrigation Application）等属性，估算开始灌溉时间（Estimate Start Time），估算灌溉进度（GetIrr Process）等方法;管理单元属性包括名称（UnitName）、灌溉计划时间表（Irrigation Schedule），闸门参数（Water Gate Paras）等属性，配水（Distribution Water），批准灌溉计划（Approval Irrigation Plan）等方法;节点对象模型如图3所示，图中树节点（TreeNode）、派生灌溉单元（Irrigation Unit）、渠段单元（Channel Unit）、聚合管理单元（Management Unit）。

1.4  基本拓扑关系

基本拓扑关系是一切拓扑运算的基础，简单高效的基本拓扑关系运算是灌区管理中复杂拓扑运算高效实现的前提。二叉树基本结构是父子关系：其父节点为（Ln，Vn），子节点为（Ln+1，2Vn），次子节点为（Ln+1，2Vn+1）[6，7]。

（1）渠道在二叉树逻辑模型中表示为由（Ln，Vn），（Ln+1，2Vn+1）组成的右斜树，其中父节点是次子节点上游渠段。

（2）灌溉单元是树中左叶子节点，在二叉树逻辑模型中为（Ln+1，2Vn），并且依取水口位置先后顺序排列。

（3）在计划配水业务中，先根遍历二叉树。

（Ln+1，2Vn+1）=（Ln，Vn）-（Ln+1，2Vn）

即下游流量是上游流量减去灌溉管理单元配水流量。

（4）在汇总灌溉申请中，后根遍历二叉树。

（Ln，Vn）=（Ln+1，2Vn）+（Ln+1，2Vn+1）

即上游的水量是下游水量和管理单元取水流量的累加或接续。

2  整体架构

基于GIS的灌溉调度系统结构如图4所示。

田间管理主要包括土壤墒情传感器、灌溉申请APP、灌溉进度汇报APP、闸门管理系统;服务器端主要包括灌溉单元注册、空间数据库、灌区综合查询，渠道管理主要包括灌溉申请审批、调度员查询、灌溉进度跟踪、灌溉调度优化等模块。

3  设计与应用

3.1  灌溉管理单元注册

灌溉调度系统包括单元注册、注销、灌溉申请、核准、统计、上报、审批、通知、执行、交互灌溉进程、督察等工作流程等。在灌溉单元注册时，需要根据灌溉单元的空间关系，在二叉树中添加灌溉单元，即二叉树的生长，如圖5所示。

二叉树的生长分为左支生长和右支生长，通常用于灌溉单元注册和管理单元注册。右支生长时在渠段上新增节点P，在P的左支上新加灌溉单元M2，如图6所示;左支生长时需新增渠段P1、P2，如图7所示，再增加灌溉管理单元M2（P及P1、P2是虚节点，仅表示分水口，不区分灌溉先后顺序）。新注册灌溉单元通常不改变灌溉面积、水量、作物种植结构，只增加管理粒度，即存在F（M）=F（M1）+F（M2）（F表示统计分析的方法;M、M1、M2代表面积，水量，种植结构等）。

3.2  申请灌溉工作流程

申请灌溉流程如图8所示，主要包括灌溉单元注册、计划配水方案、灌溉申请汇总、方案调整、批准灌溉方案、发送灌溉通知消息，灌溉进度汇报等步骤。在计划配水过程中，控制节点先保留一定量的储备水，再遍历二叉树依次为管理单元配水，各管理单元层层细化，直到所有灌溉单元都分配完成。

灌溉申请汇总中，申请水量依拓扑结构逐渠段汇总装箱[8]，汇总时检测是否匹配灌溉计划，如果灌溉计划与灌溉申请不匹配，则在二叉树约束下，控制单元内部调整或申请上级管理单元调整。

在执行申请灌溉过程中，系统提前通知工作人员，待工作人员确认;灌溉过程中通过APP及时汇报灌溉进度。如果当计划水量用完，但灌溉没有完成时，采用应急水进行灌溉;当应急水量用完，但灌溉没有完成时，通知上级管理单元，用储备水灌溉;若应急、储备水用完还未灌溉完成，则派出问题小组查找问题根本原因，记录并归档。

本系统引入了二叉树结构管理灌区，体现干支斗农渠整体与部分的关系，更符合灌区实际自然拓扑特征。土壤墒情传感器、灌溉申请APP等田间管理系统上报了灌区的基础数据，灌区综合查询系统为调度员提供了决策支持依据，二叉树配水模型在空间束下优化灌溉调度预案，申请灌溉工作流程降低灌溉管理员的工作量，系统整体提高灌区灌溉用水的时效性，完善了灌区灌溉管理体系和灌溉管理能力。

4  结  论

随着灌区信息化建设迅猛发展，其对灌区的管理质量和管理效率提出了更高的要求，渠道调度受到测量水精度及空间拓扑关系的限制，优化调度进展缓慢。本系统建立了二叉树配水模型、应急储备管水方案、执行申请灌溉流程等，有助于提升灌区综合管理效能。然而，灌区环境复杂，调度优化过程较为烦琐，灌溉调度系统有待于进一步细化完善及仿真验证。

参考文献：

[1] 蔡阳，谢文君.全国水利一张图建设与应用 [J].水利信息化，2020（1）：1-5.

[2] 陈金水，丁强.灌区现代化的发展思路和顶层设计 [J].水利信息化，2013（6）：11-14+38.

[3] 王光谦，刘家宏，李铁键.黄河数字流域模型原理 [J].应用基础与工程科学学报，2005（1）：1-8.

[4] 刘家宏，王光谦，王开.数字流域研究综述 [J].水利学报，2006（2）：240-246.

[5] 刘家宏.黄河数字流域模型 [D].北京：清华大学，2005.

[6] 王皓，李铁键，高洁，等.大尺度流域河网二叉树编码方法 [J].河海大学学报（自然科学版），2009，37（5）：499-504.

[7] 邓利，李铁键，刘家宏，等.数字流域河网编码方法应用实例 [J].泥沙研究，2007（3）：68-72.

[8] 卢茜，莫亭亭.基于模拟退火禁忌遗传算法的并行测试任务调度 [J].微电子学与计算机，2015，32（3）：146-150.

作者简介：韩小龙（1977.07—），男，汉族，宁夏沙坡头人，硕士，研究方向：水利信息化、节水灌溉。