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。     

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。     

根据畦田水流推进过程水力因素确定Philip入渗参数和田面平均糙率

根据水流水面线为幂函数曲线假定用满宁水流公式,推求了水流在畦田推进过程的表达式。根据水量平衡原理,建立了利用水流推进过程有关水力因素确定土壤入渗参数和田面平均糙率方法。同时,利用实验资料对所提出的方法进行了检验,结果表明该法所推求的入渗参数与利用推进和消退过程推求的参数相一致。     

畦灌土壤入渗参数估算的线性回归法

土壤入渗参数是地面灌溉设计的基本参数。针对现有估算方法存在计算工作量较大、精度不稳定的问题进行了研究，提出了畦灌土壤入渗参数的改进计算公式。在70m的畦田长度上等间距布置了8个水位传感器以观测地表水深沿畦长的分布，以及该分布随时间的变化。将畦灌地表水深与离畦首的距离之间的关系按指数函数进行非线性最小二乘拟合，并根据水量平衡原理提出了估算土壤入渗参数的线性回归法，避开了难以定值的地表储水形状系数。实例计算表明，地表水深与离畦首的距离之间呈现较好的指数函数关系，线性回归法估算土壤入渗参数的计算工作量较小，计算精度较高。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟：Ⅰ模型

本文基于零惯性量方程和一维对流-弥散方程建立起畦灌溉施肥地表水流溶质运移模型,并利用HYDRUS-2D软件模拟二维非饱和土壤水流溶质运移过程,以一维地表水流溶质运移模拟得到的通量条件作为二维非饱和土壤水流溶质运移模拟的上边界,利用编制的程序将两个模型进行集成,构建起畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型。基于多时段分步迭代计算方法,实现沿畦长地表入渗溶质通量动态变化条件下的二维非饱和土壤水流溶质运移模拟。     

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.     

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。     

基于畦首水深和田面水流推进过程的畦灌流量反演方法

针对畦灌稳健设计中单宽流量难以实现无干扰测量的问题,研究入畦流量的反演方法。利用在中科院南皮生态农业试验站进行的灌水试验数据,采用两点法估算入渗参数,引入地表储水形状系数和地下储水形状系数,根据畦首水深和水流推进的数据,估算了畦田的单宽流量。与实测单宽流量相比,N1、N2、N3号畦田的相对误差分别为13.27%、8.02%、11.24%。结果表明:该方法用于畦灌稳健设计中单宽流量控制误差调查是可行的。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟Ⅱ：模型率定及验证

摘要：利用冬小麦扬花水畦灌施肥试验数据,对构建的畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型进行率定,基于冬小麦返青水田间试验数据,对该集成模型在不同畦灌施肥模式下模拟的地表水流推进时间、沿畦长土壤体积含水率和硝态氮浓度、畦灌施肥系统性能评价指标值等进行验证。结果表明,模拟结果与田间实测数据的相对误差值和平均相对误差值均小于相应的控制误差,构建的集成模型可用于模拟预测不同畦灌施肥模式下地表和非饱和土壤水流溶质运移转化过程及分布状况,为开展畦灌施肥系统优化设计和性能评价提供了有效的数值模拟工具。     

畦灌灌水技术参数实用优化模型研究

为了改善畦灌灌水质量,基于畦灌的水流运动过程及入渗水分的空间分布,分析了畦灌灌水效果评价指标灌水效率Ea、储水效率Es和灌水均匀度Ed间的相关关系,并以灌水效率与灌水均匀度之和Ead为目标函数,利用灌水效率Ea、畦长L及比例系数k构造约束条件,建立了畦灌灌水技术参数的实用优化模型。在此基础上,以山西省汾东灌区北长寿灌水试验点为例,将优化模型与地面灌溉模拟软件Win SRFR结合使用,对优化模型进行验证,通过对优化灌水技术参数组合下灌水效果指标进行分析,表明该实用优化模型可实现灌水技术参数的优化选取。     

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.     

一维畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型Ⅱ：验证

根据室内外试验观测数据和模拟结果,对比分析了基于混合数值解法求解的一维畦灌地表水流运动模型以及基于二阶时间离散精度有限差分法-四阶空间离散精度有限体积法解算的一维土壤水动力学模型的模拟效果,检验了现有迭代耦合模式改善后的模拟性能。结果表明,利用混合数值解法求解一维畦灌地表水流运动模型具有比Roe有限体积法更好的数值计算稳定性和收敛性;与一阶时间离散精度有限差分法-二阶空间离散精度有限差分法及一阶时间离散精度有限差分法-二阶空间离散精度有限体积法相比,采用二阶时间离散精度有限差分法-四阶空间离散精度有限体积法解算一维土壤水动力学模型具备较好的模拟精度、质量平衡性和收敛速率。与此同时,改善后的迭代耦合模式呈现出较好的模拟精度和质量守恒性,且计算效率平均提高0.7倍以上。基于数值解法和迭代耦合模式同步改进后构建的一维畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型,具有提高模拟精度和计算效率的良好能力。     

基于混合数值解法的二维畦灌地表水流运动模拟I：模型建立

摘要：数值模拟畦灌水流运动过程可为地面灌溉系统设计与评价提供必要的工具和手段。本文在利用隐式三点后 差分隐时间格式对二维畦灌地表水流运动模型各矢量项进行时间离散基础上,采用有限差分法、有限体积法和有 限单元法分别对由隐时间格式与线性化过程生成的物理通量线性近似式系数的空间导数、物理通量的空间导数和 地形向量开展空间离散,对经时-空离散后形成的控制方程代数方程组进行数值解算,构建起基于混合数值解法 的二维畦灌地表水流运动模型。     

波涌畦灌灌水技术要素的优化组合研究

本文将零惯量数学根据加续畦灌田面水流推进曲线确定的间歇入渗模型的结合建立了波涌畦灌田面水流运动的零惯量数学模型，提出了波涌畦灌灌水技术要素的设计方法，依此对灌水方案进行初步设计，然后应用模拟优化技术对波涌畦灌技术要素组合进行模拟－－优化设计，最后以陕西泾惠渠区实际资料为例求得了波涌畦灌水技术要素的优化组合。     

一维畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型Ⅰ：建模

畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型可从物理机制上综合模拟地面灌溉过程中地表水与土壤水系统之间的互动关系,为开展区域尺度地面灌溉系统性能评价提供了基础工具.利用二阶时空离散精度的混合数值解法求解一维全水动力学模型,建立了一维畦灌地表水流运动模型,并利用二阶时间离散精度有限差分法和构建的四阶空间离散精度有限体积法解算一维土壤水动力学模型.同时,以地表水和土壤水质量守恒方程交替迭代计算的地表水深收敛值为基础,利用动量守恒方程获得地表水流速场,实现了地表水-土壤水系统间的有效迭代耦合,构建起基于数值解法和迭代耦合模式同步改进的一维畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型.     

畦灌灌水效果对土壤入渗参数的敏感性研究

为分析不同土壤入渗能力下的畦灌灌水效果差异,以汾东灌区北长寿试验点的灌水试验为依托,建立灌水技术参数优化模型对灌区的灌水条件进行优化。在优化灌水条件下,选用修正后的Kostiakov入渗模型,以土壤水分入渗参数k、a和f0为自变量,通过正交试验的方法,利用Win SRFR软件对灌水效果指标灌水效率Ea、灌水均匀度Du进行模拟,并对模拟结果进行方差和贡献率分析,结果表明:对于指标E_a和D_u,入渗参数影响显著,其贡献率由大到小均为ρ(k)ρ(f_0)ρ(a)。在此基础上,结合灌水效果指标对各入渗参数变异的敏感系数,确定了入渗参数k、a和f0综合变异时灌水效果指标偏离程度的量化形式,为土壤入渗能力空间变异时灌水效果指标精度控制提供依据。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟Ⅲ:模型应用

基于构建的畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型,数值模拟畦灌施肥技术要素组合模式,分析单一要素对畦灌施肥系统性能的影响,确定冬小麦畦灌施肥技术要素优化组合区域.结果表明,土壤入渗性能、施肥时机、入畦单宽流量、畦长、畦面微地形状况对畦灌施肥系统性能影响较为明显.在畦灌全程施肥方式下,若以较高畦灌施肥性能评价指标作...     

植被排列方式对坡面糙率系数的影响研究

为分析植被排列走向与水流方向的夹角对坡面地表水流阻力的影响,设计了3种植被排列走向与水流方向成不同夹角的底板、7种不同的坡面比降,通过试验研究不同植被分布对坡面流水流阻力的影响。结果表明:在非淹没状态下,在一定坡面比降范围内,同一平均水深下,随着水流方向与植被走向夹角减小,糙率系数增大;同一下垫面条件下,坡面水流流向不同则坡面地表糙率系数不同,植被走向与水流方向的夹角越小则糙率系数越大。     

考虑入渗空间分布变异性的适宜土壤紧实度采样密度分析

土壤入渗采样密度直接影响其空间分布变异性的合理表征,进而影响畦灌性能评价与系统设计。本文基于新疆供试田块上获得的实测数据,借助地质统计学和条件模拟方法分析不同土壤紧实度采样密度下简化的Green-Ampt入渗模型参数的统计特征值、空间变异结构与状况,对比不同土壤紧实度采样密度对畦灌性能模拟效果的影响,综合确定适宜的土壤紧实度采样密度。结果表明,当土壤紧实度采样密度大于50个/hm2时,简化的Green-Ampt入渗模型参数的变程和空间分布状况在田块尺度上都趋于稳定,而畦田尺度上的畦灌性能评价指标模拟值与实测值间的相对误差均保持在10%以内,故适宜的土壤紧实度采样密度值应为不低于50个/hm2。     

基于混合数值解法的二维畦灌地表水流运动模拟II：模型验证

基于典型畦灌试验观测数据和地表水流运动模拟结果,对比分析采用混合数值解法和Roe有限体积法数值求解二维全水动力学畦灌模型在数值计算稳定性与收敛性、计算精度与效率间的差异,验证基于混合数值解法的模型模拟效果.结果表明,混合数值解法要比Roe有限体积法表现出更佳的数值计算稳定性和收敛性,形成的水平衡误差和平均相对误差相对较...