围绕高标准农田建设既追求农作物单位面积产量的提高、又需要实现资源节约的双重目标，多数地区尝试实施老旧灌区改造，通过水利工程工作效率的提高，促进高标准农田建设目标的实现。在水利工程项目改造过程中，随着农田内灌区的重新划分以及所种植农作物的变化，灌口的位置需要重新调整[1-2]。随着大数据技术的应用和互联网技术的普及，水利管理系统需要进行智慧化升级改造。因此，本文提出一种基于智能优化算法实现灌口位置规划的方法，阐释了智慧水利系统的构建方法。1项目概述1.1基本状况某灌区水利工程位于华北平原南部，始建于1985年，当前面临老旧失修、亟须改造的状态。该水利工程的上游接入漳河水系，有旱涝季节变化之分。该水利工程有效发挥了水位调节、防洪抗旱等功效，对当地农业和生态的发展均有积极的促进作用。该水利工程的基本情况始终保持原貌。根据项目建设初期规划，该水利工程设计覆盖灌溉面积76.7 km2，目前有效灌溉面积48.7 km2，占比63.5%，灌溉面积的下降是进行老旧改造的根本原因。该水利工程属于中等规模，支干渠长度均没有超过100 km；水利用系数较低，未达到中位数0.5。该水利工程渠系建筑物数量较多，建设位置较分散，增加了老旧改造的难度。1.2改造内容随着使用时间的增加，该水利工程的有效灌溉面积逐年下降。各种配套设备出现老化现象，部分阀门使用灵活性下降，渠道衬砌脱落，导致水流失严重、安全性降低。为了进一步提升该水利工程在灌区的综合效益，提升渠道引、排、输、灌等综合能力，确定对该灌区水利工程进行适应性改造。围绕打造一体化输水与自灌溉系统、提升农田受灌溉面积、增加农作物单位亩产量的目标，面向高标准农田建设整体需求，对该灌区的水利工程改造主要分为3个部分进行工程的实施。衬砌加强：对沿线衬砌脱落部分进行补强，对水流量和冲击力大的关键部位进行冲力监测与计算，对该段位衬砌进行结构强度强化处理。沿线自流灌溉能力提升：合理规划灌溉出水口，结合农作物种植情况设计灌溉出口位置。翻修建筑物：增加智慧管理系统，对建筑物进行翻修并结合功能需求进行升级改造。1.3关键技术结合农作物种植规划，构建最大灌溉能力优化模型，利用智能优化算法求解并规划灌区出口位置；基于实现信息的快速传递与智能管理，构建智慧水利管理系统并进行功能布设[3]。2优化改造措施2.1灌溉出口位置规划该灌区分布多处不规则形状的农田，种植不同类型的农作物。不同农作物对水量的需求不一，有些需要大量灌溉，有些需要尽量避免水流量过大造成涝灾，还需要考虑农作物的种植面积和单位面积的收益[4]。种植面积大的农作物需要水量相对较多，单位面积收益高的农作物应该优先进行灌溉保障。因此，灌溉出口的确定是一个受限于多种因素约束的多目标优化问题[5]。2.1.1灌区地图建模灌区平面如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.033.F001图1灌区平面图2中，灰色部分表示种植不同作物的农田，其农作物类型、用水需求量和单位面积的经济效益均不同，编号①~⑦表示潜在的灌溉出口位置。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.033.F002图2蚁群优化算法2.1.2灌区优化数学问题建模假设编号①~⑦代表的潜在灌溉出口可以实现的灌溉面积分别为S1~S7，可以提供的用水供应量分别为Q1~Q7，每块区域单位面积的经济效益分别为M1~M7。合理的灌溉出水口不一定能够保证所有参数均取最大，但是会使综合效益取得最大值。J=∑i=17ksiSi+kqiQi+kmiMi （1）式中：ks——S对应的系数；kq——Q对应的系数；km——M对应的系数。各个分量指标S1~S7、Q1~Q7和M1~M7均受到不同的约束：∑i=17Si≤Sall，0≤Qi≤Q，Mi≥0 （2）式中：Sall——整个灌区的总面积；Q——每个出口的最大水量。所有农作物种植区的总面积相加不能超过灌区的总面积；每个灌排出口的出水量均有上限，为了计算方便可以假设所有出水口的水量上限值固定且相同；所有灌区均存在经济效益，不存在亏损。2.1.3灌区优化数学问题求解可以用穷举法计算极大值，对于每一种S1~S7、Q1~Q7和M1~M7，计算全部J值后进行比较，选择最大的J值和对应的一组［Si，Qi，Mi］作为选择出水口位置的依据。这种方法计算量较大，在实际中并不能取得理想的计算效果。因此，本文采用蚁群优化算法进行求解。蚁群优化算法是智能优化算法中的一种，具有较快的收敛速度和较强的稳定性，适合进行大规模优化问题求解。蚁群优化算法的设计灵感源于动物界的蚂蚁觅食行为，在觅食过程中，走在前面的蚂蚁会在走过路径上释放信息素，以引导后面的蚂蚁行动。后面的蚂蚁会感知每一条道路上的信息素，根据对外界环境的理解选择不同的道路。道路的长度越短，越有利于蚂蚁行动，蚂蚁就会倾向选择较短长度的路径，信息素会随着时间的推移而逐渐挥发。蚂蚁选择的路径越多，其积累的信息素浓度会越多，进而吸引更多的蚂蚁选择该路径。这种正反馈机制可以确保最终最短的路径被大多数蚂蚁所选择。蚁群优化算法如图2所示。初始阶段，蚂蚁试探着选择各种不同的路径；觅食阶段，蚂蚁对路径的选择呈现随机性，此时信息素的积累并没有对蚂蚁产生足够的吸引力；随着时间的推移，最短路径上聚集了最多的信息素，此时多数蚂蚁开始选择该条路径。灌区优化问题求解思路如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.033.F003图3灌区优化问题求解思路经过蚁群优化算法求解，灌区中选择②、④、⑤作为灌区水入口，可以实现灌溉面积覆盖范围最大、用水供应量最合理和单位面积经济效益最优。2.2智慧水利管理系统在现有水利管理系统的基础上，为了进一步提升高标准农田的抗旱与防涝能力，融合气象监控、水利调度、费用收取、智能决策等功能于一体，本研究在灌区内设计开发了智慧水利管理系统。气象监控系统，利用互联网从气象信息发布中心获知实时天气变化信息；水利调度系统，远程控制阀门的启闭状态，减少现场工作人员的劳动量，同时对各个出水口进行流量监测，根据监测数据计算出水量，避免造成水资源浪费；费用收取系统，分阶段计算整个灌区的水费，可自由选择平摊或按水量收取方式缴纳费用；智能决策系统，灌区管理人员综合气象变化情况和季节因素，结合摄像头获取的农作物生长状况监控信息，确定是否放水灌溉[6]。智慧水利管理系统如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.033.F004图4智慧水利管理系统智慧水利管理系统是一个融合了信息获取、传输、处理、发布的综合性系统。以智能决策系统为核心，气象监控、费用收取、水利调度等系统分别通过局域网与智能决策系统连接。智能决策系统对各个分系统传输的命令并行管理，区分信息类型进行在线显示或传输。当天气情况发生变化时，智能决策系统自主控制阀门开启或关闭。为了提高决策的科学性，避免出现误判现象，可以在智能决策系统的控制端选择是否需要人工控制。选择人工控制模式，可以由现场工作人员综合气象、监控等多方面信息做出是否打开或关闭阀门的决策，输入控制命令实现。智能决策系统定期计算总用水量，根据水费单价计算该时间段内整体水量消耗情况，向用户发布收费信息。用户可以利用手机无线接入费用收取系统，在线完成收费信息读取和缴费业务。3结语实施老旧灌区改造工程是提升水利工程灌溉效率、满足高标准农田建设的关键。本文基于智能算法对灌区进水口位置进行了规划，同时提出了一种设计智慧水利管理系统的方法。后续研究应围绕提升水利工程的综合灌溉效益，深入推广智慧水利系统，利用人工智能的方法对水利灌溉情况进行动态管理，避免水资源的浪费，促进农业现代化发展。