基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型(Ⅰ)——模型建立

利用基于地表非稳定流运动方程的地面灌溉模型对畦灌性能进行分析评价是改进传统地面灌溉方式、提高畦灌性能的重要举措，而准确地确定畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数是改善畦灌性能模拟精度的重要前提。本文基于基本遗传算法SGA和地面灌溉一维模型SRFR建立的畦灌土壤入渗参数与田面糙率系数优化反演模型，可在给定的参数值域范围内开展多参数全局性寻优，利用计算机动态解析技术对SRFR模型执行程序进行解析处理，建立SGA与SRFR模型间的内部运行衔接方式，实现畦灌土壤入渗参数与田间面糙率系数优化反演过程的自动化运作，进而有效提高了参数寻优估值的工作效率。     

地面灌溉的研究现状与发展趋势

本文简要介绍了地面灌溉田面水流运动、灌水质量评价指标及灌水新技术和设备方面国内外研究现状,分析了目前存在的问题、并探讨了地面灌溉未来的发展趋势;指出今后应把简捷易用的地面灌溉水流运动模拟软件开发,不同地区和土壤条件下田间入渗参数的取值及其地面灌溉合理灌水技术指标,不同地区阶式水平畦灌、膜孔膜侧灌、长畦分段灌等低成本地面灌溉技术的标准化灌水技术指标,适合国情的地面灌溉的实时反馈控制技术和设备、激光平地设备、波涌灌溉控制阀、闸管等的开发作为研究重点。     

对畦灌灌水技术问题的几点看法

地面灌溉是目前我国和大多数国家的主要灌溉方式。以畦灌为例,将选定的灌水定额在纵横方向均匀地灌到田间,并尽量避免畦外泄水和深层渗漏。是畦灌的基本要求。要达到这一要求,就必须选择适宜的畦长(L),入畦单宽流量(q),和停水时间。而这些要素又与土壤渗透性能,畦田纵坡(i),畦面糙率     

果园土壤入渗参数与畦灌田面综合糙率的确定

对果园畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数的准确测定,有助于提高畦灌的灌水效果。文中在山西省夹马口灌区果园,选择四种土壤表面形态进行了入渗试验,确定了土壤入渗参数,根据试验结果,将灌区土壤分为强入渗、较强入渗、中等入渗和弱入渗四种入渗类型。利用模拟畦灌水流运动零惯量模型,采用反求参数的方法,获得四种土壤入渗类型畦灌田面综合糙率系数,为类似地区进行畦灌设计和管理提供重要的参考依据。     

基于多元回归分析的地面灌溉参数与要素研究

农业是国民经济的基础,我国90%以上的农田都采用地面灌溉方式,并且灌溉效率很低,对灌溉技术进行改进有很大的节水潜力。对地面灌溉技术进行改善,首先需要确定土壤的入渗参数与田面的糙率系数,这两个系数决定了灌溉效率。基于国内外研究基础,引入Kostiakov公式对地面灌溉参数进行优化识别。重点利用多元回归分析法对灌溉技术的要素进行参数识别优化和多目标优化,希望为今后地面灌溉设计提供理论帮助。     

模拟微地形空间变异对畦灌系统影响的田间验证

对不同畦块类型和畦灌人流方式,进行了田问灌溉试验.根据田间试验数据,对微地形随机模拟和二维灌溉模型的数值模拟评价方法进行验证.通过随机生成和实测的畦面相对高程模拟所得的畦灌过程和畦灌性能与田间实测结果的对比,得出基于微地形随机模拟和二维灌溉模型对畦灌过程和畦灌性能进行数值模拟具有较好的可行性和实际效果,相比而言,对水流推进时间、平均灌水深度的模拟效果较好;地表水深变化过程、灌溉效率次之;水流消退时间、灌水均匀度稍差.利用基于最小样本容量随机生成的一组畦面相对高程开展微地形空间变异性对畦灌系统影响的数值模拟评价比基于单个典型田块的实测高程数据进行评价更为合理.     

SRFR模型对畦灌技术试验中参数模拟结果的评价

根据田间试验,对棉花畦灌设计不同的入畦流量、畦田规格、平整度等试验因素,并利用SRFR模型,对形状因子a为0.363,入渗系数K为4.974,稳定入渗率f0为0.926,田面糙率系数n为0.102条件下,水流推进距离与受水时间关系进行了模拟,对比发现水流推进速度随畦宽的增大而降低.将平均累积入渗量作为因变量,其与畦宽、畦长、平整度、入畦流量的线性关系为:Davg=56.642+0.0572W-0.3224L-0.1111S-0.8086Q,相关性达显著.     

不同微地形条件下入渗空间变异对畦灌性能影响分析

入渗空间变异对畦灌性能影响显著。本文基于构建的畦灌数值模拟试验条件,借助二维灌溉模拟模型,针对规格不同的3类畦田系统模拟分析不同微地形空间变异程度、入畦单宽流量和坡度条件下入渗空间变异对畦灌性能的影响,讨论其影响程度与入渗和微地形空间变异程度、入畦单宽流量和坡度之间的关系。结果表明,入渗空间变异主要对灌溉均匀度CU和灌溉效率Ea产生影响,对水流恰好覆盖整个田面所需灌水量基本无影响,入渗空间变异越强畦灌质量越差。当入渗空间变异为弱变异时,在实际工作中可不考虑其影响,当入渗空间变异系数Cv大于0.5以后其影响则非常显著;入渗空间变异对畦灌性能的影响程度随微地形空间变异的变化趋势与坡度密切相关,零坡度条件下随着微地形空间变异的减小而增加,当田面平整精度较高(Sd小于2cm)且坡度为零时,其影响尤为显著,实际应用中不容忽视。     

标准棱柱体明渠中的测水量水方法

通过对三面采用混凝土护砌的标准棱柱体明渠实测资料的分析,建立水深糙率曲线,并根据建立的水深糙率曲线计算灌溉水量,并对计算精度进行了分析.有了糙率曲线数学模型,计算灌溉流量或水量时,可减少工程技术人员的劳动强度,同时也为灌区调水配水和节水灌溉提供了科学依据.     

随机模拟田面微地形空间分布状况的方法研究

微地形是影响畦灌性能的重要要素，而实测地形数据的有限性必将影响数值模拟手段在灌溉设计和管理中的灵活运用。本文首先基于田间实测的116个典型试验田块的田面相对高程数据，采用地质统计学方法分析其空间变异特性，结果表明田面相对高程的空间变异结构函数可采用球状半方差函数进行描述，空间变异特征参数可根据田块参数进行估算；其次在同时考虑田面相对高程既具有随机性又具有空间结构相关性的基础上，将Monte-Carlo方法与Kriging插值方法相结合，构建田面微地形随机模拟方法。借助数理统计学方法解决了随机模拟方法在实际应用中所遇到的最小样本容量的确定问题。根据田间实测数据验证了基于随机生成的田面相对高程最小样本容量，采用田面微地形随机模拟方法获得任意给定田块的田面微地形数据对其灌溉性能进行评价的可行性。     

不同节理粗糙度系数的裂隙渗流规律研究

裂隙的研究对石油开采、水利工程以及地下空间的利用都具有重要的意义。真实裂隙表面粗糙的几何形态会影响流体的流动特性及裂隙的传导能力,立方体定律难以满足使用条件。根据节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,采用逆向数字化建模方法,开展仿真模拟不同JRC裂隙渗流规律的研究。结果表明:作用在不同粗糙度裂隙两端的压差恒定时,随着节理粗糙度的增加裂隙内流体的流量逐渐减小;流入不同粗糙度裂隙单位体积流量恒定时,随着粗糙度的增加,作用在裂隙两端的压差逐渐增大;模拟结果与实验结果相对比,得出裂隙机械宽度与流量之间的关系曲线表现出明显的非线性特征,两条趋势线相吻合,均符合对数关系。     

水源有限条件下作物合理灌溉定额的确定

给定农田腾发量ET与灌溉定额M间的关系时，分别以两者为自变量的作物水分生产函数在确定作物合理灌溉定额中的作用是等价的.作物产量与灌溉定额间的关系Y=Y(M)一般表现为二次抛物线型.本文揭示了在水源有限，整个灌区不能施行充分灌溉时，Y=Y(M)中的常数项a的正负性对作物合理灌溉定额的推求有决定性的影响.分别以整个灌区上的总净收益和总产量最大为目标，在假定仅种植单一作物，且地力及其它因素一致的条件下，给出了与Y=Y(M)中的常数项a大于或小于零以及灌溉水利用系数随灌溉面积变化与否相对应的作物合理灌溉定额的计算式。     

Relationship between soil surface roughness and hydraulic roughness coefficient on sloping farmland

The soil surface roughness and hydraulic roughness coefficient are important hydraulic resistance characteristic parameters. Precisely estimating the hydraulic roughness coefficient is important to understanding mechanisms of overland flow. Four tillage practices, including cropland raking, artificial hoeing, artificial digging, and straight slopes, were considered based on the local agricultural conditions to simulate different values of soil surface roughness in the Loess Plateau. The objective of this study was to investigate the relationship between the soil surface roughness and hydraulic roughness coefficient on sloping farmland using artificial rainfall simulation. On a slope with a gradient of 10°, a significant logarithmic function was developed between the soil surface roughness and Manning’s roughness coefficient, and an exponential function was derived to describe the relationship between the soil surface roughness and Reynolds number. On the slope with a gradient of 15°, a significant power function was developed to reflect the relationship between the soil surface roughness and Manning’s roughness coefficient, and a linear function was derived to relate the soil surface roughness to the Reynolds number. These findings can provide alternative ways to estimate the hydraulic roughness coefficient for different types of soil surface roughness.     

由波涌畦灌灌水资料推求土壤入渗参数和减渗率系数

本文根据水量平衡原理，提出了利用大田畦灌灌水资料推求土壤入渗参数的方法，在此基础上，又提出了利用波涌灌水流推进和消退资料确定间歇入渗减渗率系数的方法。实例计算表明，这些方法能简单而有效地求得田间土壤平均入渗参数和减渗率系数。该研究成果为波涌畦灌技术要素设计和灌水质量评价奠定了基础。     

作物分布对灌溉水流推进阻力实验研究

现代化农业中,农作物在田面有规律的分布,会对灌溉水流的推进产生影响,作物在不同分布间距的情况下,水流阻力会有不同的变化。通过建立水力学模型,试验分析作物分布间距及灌溉水深变化对水流阻力的影响作用。结果表明:随着平均水深的不断增大,沿程阻力系数在整体上呈增大态势。不同坡度下均有沿程阻力系数随作物分布间距减小而增大的规律。且水深愈大不同植物分布间距沿程阻力系数的差异愈大。实验结果对合理布局作物分布,使灌溉水流在作物间有效可控地推进具有一定价值。     

浑水波涌灌溉的节水机理与效果

通过大田试验研究，表明在浑水波涌灌溉条件下，表土致密层的形成与发展是含沙水流中泥沙逐渐“挂淤”、“落淤”与“入渗滞留”等作用的结果。随着灌水周期的进展，表土致密层的糙率与入渗能力也随之减小，这就为以后各周期的灌溉水流创造了一个加速水流推进与提高减渗效果的新界面，从而达到节水与提高灌水质量的目的。从4个与浑水有关的节水率分析可见，浑水波涌灌溉的节水效果是泥沙与间歇共同作用的结果，其中泥沙作用是主要的。     

Rational Pricing of Water as an Instrument of Improving Water Use Efficiency in the Agricultural Sector: A Case Study in Gujarat,India

The agricultural sector in India accounts for over 85% of the total water used for various purposes in the country. However, the efficiency of water use in agriculture is very low, approximately 40% for surface irrigation and 60% for groundwater irrigation. Part of the reason for the low efficiency is the highly subsidized price of irrigation water that encourages the excessive application of water to crops. This paper is based on a case study conducted in the command area of a public irrigation canal in the state of Gujarat, India. It attempts to explore the role of the rational pricing of canal irrigation water in motivating farmers to use water judiciously and thereby enhance the water use efficiency in irrigated agriculture. The paper contends that farmers are sensitive to an increase in irrigation water charges, but unless the administered price is increased to the level that would prevail in a free market, it will not have its intended effect on irrigators.     

灌区地下水开采条件下数值模拟分析

运用Visual Modflow建立了某灌区地下水三维非稳定流模型.经过模型检验、参数反演,确定了水力参数和入渗补给系数.进而对灌区地下水的集中可持续开采进行了数值模拟和预测,在满足地下水位控制标准的前提下,确定最佳的开采方案.结果显示,该方法计算方便,结果合理,且预测精度较高,可为灌区地下水开采提供参考.     

Simulation of Soil Water Dynamics Under Surface Drip Irrigation from Equidistant Line Sources

One of the most important aspects of planning and management of a drip irrigation system is the determination of the soil moisture patterns formed under the emitter. In the present study soil water dynamics under surface drip irrigation from equidistant line sources are investigated using a simulation model, which combines hysteresis in the soil water characteristic curve, evaporation from the soil surface, and water extraction by roots. In this model a two-dimensional distribution of roots as well as a more rational way for the temporal distribution of the daily potential evapotranspiration are also incorporated. Soil water distribution patterns for two soil types (loamy sand, silt loam), two discharge rates (2 and 4 l m^?1 h^?1), two irrigation depths (30 and 40 mm), and two drip line sources spacing patterns (60 and 80 cm) are investigated. The numerical results showed that the soil water dynamics mainly depend on the soil hydraulic properties, the irrigation depth, and the drip line sources spacing. The results also showed that the irrigation efficiency and the actual evaporation decrease when the irrigation dose or the distance between the line sources increases. By contrast, the deep percolation increases when the irrigation dose or the distance between the line sources increases.