我国大、中型灌区在促进农业发展、保障粮食安全等方面起到了十分重要的作用。但随着用水日趋紧张,实现灌区水资源高效利用,是发展节水农业的一项重要技术措施。2006年起,国家推行大中型灌区续建配套与节水工程改造,灌区渠系布局以及渠道输配水系统优化便成为热点问题,而我国大中型灌区的节水改造工程能否满足要求,就要通过对大中型灌区节水续建改造后的效益进行评价。因此,本文在研究了灌溉渠系平面优化布局以后,建立了不同情景下典型灌区输配水优化系统,并评价灌区节水改造效益,为灌区节水改造工程提供理论参考依据。本文选择齐齐哈尔江东灌区、绥化幸福灌区、依兰倭肯河灌区以及八五三农场清河灌区为典型灌区,基于3种不同的改造情景,结合灌区续建配套与节水改造实际工程,建立了灌区渠系平面布局、断面优化以及配水系统优化模型,提出了相应的优化求解算法,对不同情景下灌区节水改造效益进行评价,取得的主要研究成果:(1)从灌区区分规模、地域差异性、灌区自然与工程特点、改造技术方式等方面选择了黑龙江省齐齐哈尔江东灌区、绥化幸福灌区、依兰倭肯河灌区以及八五三农场清河灌区为4个样点灌区,其次基于灌水方式、渠道防渗率等指标设定了包括原设计在内,常规灌溉、控制灌溉三种情景模式,并且筛选出了三种情景下的情景评价变量。通过4个典型灌区的实例研究,分析了4个典型灌区自身渠系平面布局特点,结合研究区域,采用Horton河系分维定律对灌区渠系合理布局进行研究,基于最佳的水系特征参数,建立了渠道长度最短的渠系优化布局模型。通过对3种群智能算法的运行时间、遍历能力、收敛能力以及复杂性进行分析,优选出的猫群算法具有较快的计算速度和收敛速度,稳定性高等特点,不但适用于渠系优化布局问题求解,也为后续为灌溉渠道配水系统、灌区节水效益评价方法优化求解,奠定了理论基础。在求解出的典型灌域渠系优化布局基础上,对其他灌域提出了定性的改进意见。通过分析渠系结构,研究了分维值与渠系水利用系数、灌溉面积之间关系,预测了各个灌区的节水潜力,为灌区节水改造提供评价依据。(2)灌溉渠道横断面优化是灌区节水改造的重要内容之一,随着节水灌溉方式的推广,大断面、大流量的渠道建设模式已经成为制约灌区经济发展的主要问题。针对现有的灌溉渠道单一横断面优化模型,深入研究了基于工程占地、湿周为目标函数的梯形断面优化模型,并使用猫群算法求解。通过4个典型灌区的实例研究,分析了3种不同改造方式下各个灌区的节水效益以及工程经济等指标。分析了渠道水利用系数以及灌水定额等指标,结果表明情景二、三改造模式下,渠道占地率、渠道断面面积减小明显,节水效果显著。其中,幸福灌区典型渠道节水改造后断面减小75%,江东灌区典型渠道节水改造后断面减小23%。在研究了典型渠道情景二模式下的断面优化过程,分析了渠道边坡系数、底宽和水深对目标函数的影响规律,发现各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大,这为提高灌溉渠道优化设计水平提供了理论依据。(3)在连续灌溉渠道横断面优化问题中,混凝土衬砌是最常见的节水改造方式,尤其是在北方灌区最为常见。但是实际工程改造中经常出现混凝土衬砌厚度与渠道分段选择不合理现象。本文在保证渠道边坡冻胀安全、边坡稳定的前提下,以混凝土衬砌厚度、工程占地最小为目标函数,提出了分段数最小的连续渠道动态规划模型。通过4个典型灌区的实例研究,分析了在3种不同改造方式下各个灌区典型干渠的混凝土衬砌的工程造价情况,通过情景二、三的改造结果表明,不但节省了工程占地,而且减少了混凝土用量,节省了工程投资。由此可见,建立的连续断面优化模型合理,可以为北方灌区灌溉渠道混凝土防渗设计提供了理论依据。以倭肯河灌区渠道数据为基础,优化出不同温度下混凝土最小衬砌厚度数值,拟合出以负温度、设计流量为自变量的衬砌厚度简明公计算式,通过对公式误差分析,表明公式精度高,最大误差为10%。为提高公式适用性,设计出了混凝土最小衬砌厚度速查表,以清河灌区典型渠道验证速查表精度最大误差为12%,与简明公式差异不大。利用简明公式计算了灌溉渠道单一断面优化下的改造效益,各灌区不同情景下不同级别渠道效益比在0.60~1.08之间,为灌区节水改造提供理论依据。(4)传统的灌溉渠道配水优化模型主要是基于下级渠道流量相等的假定条件下建立的,但是在渠道实际配水过程中,很难实现该假设条件,限制了该模型的使用。针对这一问题,在灌溉渠道横断面优化的基础上,以倭肯河灌区、江东灌区建立了渠道配水模型,实现整个灌溉系统的输水损失最小。对于实际配水过程中下级渠道的流量不相等的问题,建立了输水损失最小的配水优化编组模型,并根据实际工程现状,对幸福灌区、清河灌区2个中型灌区,从续灌角度进行实例研究,分析了3种不同改造方式下各个灌区的输水损失情况,针对倭肯河灌区、江东灌区不同情景下的配水过程,结果表明下级渠道配水过程合理,闸门调节次数少,弃水小;上级渠道总输水损失量小,但由于灌区的种植结构、地形等特点,上级渠道配水过程仍不够平稳。针对清河灌区、幸福灌区续灌方式下的输水损失发现,灌溉渠道流量越小,输水损失越小。通过分析影响输水损失参数进行分析发现,渠道流量是影响输水损失的主要变量,为灌区节水改造提供参考依据。(5)通过专家咨询、查阅规范、统计年鉴等方法,结合灌区输配水系统优化结果,建立了灌区节水改造效益评价指标体系,包括社会效益、经济效益、工程效益、管理效益、生态效益5个方面12个指标的指标体系。选择的评价指标具有针对性,避免因选取通用指标,造成评价结果对工程改造指导性意义不强的问题。在研究了灌区输配水系统优化的基础上,利用情景变量建立了灌区节水改造效益指标体系,并采用投影寻踪法、支持向量机方法以及模糊熵法,对灌区效益进行综合评价。通过研究首尾一致率与区分度指标,分析3种评价结果的稳定性与可靠性,得出清河灌区情景三改造模式下节水改造效益最佳。