一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法

摘要

本发明公开了一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法，属于灌溉技术领域。该方法包括：实时测量目标田块前半段各个测点的地表水深和水流推进时间，并将其代入地面灌溉模型，求出土壤入渗参数初值，将土壤入渗参数初值代入地面灌溉模型，求出目标田块前半段中水流推进到预定测点时，预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值，并与其对应的实测值的误差平均值最小为目标函数对土壤入渗参数进行反求并优化；将优化的土壤入渗参数再代入地面灌溉模型，对地面灌溉全过程进行预测，并根据预测结果来调整灌溉时间，实现对地面灌溉过程的精准控制。本发明提供的方法能对地面灌溉进行精确控制，有效提高灌溉质量且能提升田间管理水平。

权利要求

1.一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法，包括：步骤a、实时测量目标田块前半段各个测点的地表水深和水流推进时间；

步骤b、将所述地表水深和水流推进时间代入地面灌溉模型，求出土壤入渗参数初值，将所述土壤入渗参数初值再代入所述地面灌溉模型，求出所述目标田块前半段中水流推进到预定测点时，所述预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值，以所述目标田块前半段中水流推进到所述预定测点时，所述预定测点之前各有水测点的地表水深实测值与所述预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值的误差的平均值最小为目标函数建立土壤入渗参数求解模型，对土壤入渗参数进行反求并优化；

步骤c、将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入所述地面灌溉模型，来对地面灌溉全过程进行预测，并根据预测结果来调整灌溉时间，从而实现对地面灌溉过程的精准控制；

所述地面灌溉模型的计算公式如下所示：

其中，x为已知的目标田块水平方向上的横坐标，单位为m；t为实际测量的目标田块前半段的水流推进时间，单位为s；h为实际测量的目标田块前半段的地表水深，单位为m；Q为实际测量的沿所述x方向上的水流的单宽流量，单位为m3/(s·m)；U为实际测量的沿垂直于所述x方向的方向上的水流的平均流速，单位为m/s；b为已知的目标田块的畦面高程，单位为m；n为曼宁糙率系数，经验值为0.08-0.12，单位为m/s1/3；g为重力加速度，单位为m/s2；ic为地表水入渗率，单位为m3/(s·m2)，其中，ic＝kαtα-1，k和α均为所述土壤入渗参数；

所述目标田块前半段为：自所述目标田块起点起，至所述目标田块长度的2/5-4/5的位置处的区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对土壤入渗参数进行反求并优化的过程中，所述目标函数的计算公式如下所示：其中，j为水流推进到的测点数，i为在j测点之前的各测点数， 为水流推进到点j处时，点i处的地表水深的实测值，为水流推进到点j处时，点i处地表水深的模拟值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述误差的平均值小于10％。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述误差的平均值小于5％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入所述地面灌溉模型，预测并调整灌溉时间，直至在所述灌溉时间内，所述目标田块的灌溉效率和灌水均匀度的平均值大于0.75，且储水效率大于

0.95时，将预测的灌溉时间作为实际灌溉时间，从而实现对地面灌溉的精准控制；

所述灌溉效率的计算公式如下所示：

所述灌水均匀度的计算公式如下所示：

所述储水效率的计算公式如下所示：

其中， 为平均灌水深度，单位为m；

为灌溉后储存在作物根区的平均水深，单位为m，当Zavg≥0.08m时，取Zavg为0.08m，当Zavg＜0.08m时，取实际的Zavg值；其中，Zi为第i个节点处的灌水深度，且Zi＝ktα；

n为目标田块的节点数目；Zreq为作物灌溉需水量，取经验值为0.08m。

说明书

一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及灌溉技术领域，特别涉及一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法。

背景技术

[0002] 在农田灌溉过程中，为了提高地面灌溉的灌水质量和对地面灌溉的控制管理水平，通常对地面灌溉进行实时控制。通常情况下，采用以下两种方式对地面灌溉进行控制：其一是依靠经验数据，来控制入畦流量或者灌溉时间；其二是通过估算土壤入渗参数，并将其代入现有的灌溉模型以获得实时的水分入渗情况，进而基于此来控制入畦流量或灌溉时间，从而实现对地面灌溉的控制。

[0003] 然而，可以公知的是，依靠经验数据无法实现精准地控制地面灌溉，而土壤入渗参数对于是否能对地面灌溉进行精确控制具有重要的影响，所以对土壤入渗参数的精确估算十分重要。现有技术通常采用试验法、直接法和反求法来获得土壤入渗参数。由于试验法通过选取多试验点进行实验，故计算出的土壤入渗参数难以反映出田面的平均入渗深度；直接法需要对灌溉过程进行完整地观测，费时费力，且无法满足对灌溉过程进行控制；反求法多是基于水流推进与消退时间进行求解，然而由于消退时间需要在灌溉完成后进行测量，也无法满足对灌溉过程进行控制。所以，如若能获得精确的土壤入渗参数，且能实现对灌溉过程进行精确控制将对于地面灌溉的精确控制，从而提高地面灌溉的田间管理水平具有重要的理论与实际意义。

[0004] 发明人研究发现，当测量地表水深信息时，由于水流推进峰已经通过，此时的灌溉水流更稳定，将利于获得更精确的地表水深信息，在此基础上计算得到的土壤入渗参数也更精确，同时通过该种方式计算土壤入渗参数也能满足对土壤入渗参数的要求。基于此，本发明提供了一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法。

发明内容

[0005] 本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能对地面灌溉过程进行精确控制的基于地表水深信息的地面灌溉控制方法。具体技术方案如下：

[0006] 一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法，包括：步骤a、实时测量目标田块前半段各个测点的地表水深和水流推进时间；

[0007] 步骤b、将所述地表水深和水流推进时间代入地面灌溉模型，求出土壤入渗参数初值，将所述土壤入渗参数初值再代入所述地面灌溉模型，求出所述目标田块前半段中水流推进到预定测点时，所述预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值，以所述目标田块前半段中水流推进到所述预定测点时，所述预定测点之前各有水测点的地表水深实测值与所述预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值的误差的平均值最小为目标函数建立土壤入渗参数求解模型，对土壤入渗参数进行反求并优化；

[0008] 步骤c、将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入所述地面灌溉模型，来对地面灌溉全过程进行预测，并根据预测结果来调整灌溉时间，从而实现对地面灌溉过程的精准控制；

[0009] 所述地面灌溉模型的计算公式如下所示：

[0010]

[0011]

[0012] 其中，x为已知的目标田块水平方向上的横坐标，单位为m；t为实际测量的目标田块前半段的水流推进时间，单位为s；h为实际测量的目标田块前半段的地表水深，单位为m；Q为实际测量的沿所述x方向上的水流的单宽流量，单位为m3/(s·m)；U为实际测量的沿垂直于所述x方向的方向上的水流的平均流速，单位为m/s；b为已知的目标田块的畦面高程，单位为m；n为曼宁糙率系数，经验值为0.08-0.12，单位为m/s1/3；g为重力加速度，单位为m/s2；ic为地表水入渗率，单位为m3/(s·m2)，其中，ic＝kαtα-1，k和α为所述的土壤入渗参数。

[0013] 具体地，作为优选，所述对土壤入渗参数进行反求并优化的过程中，[0014] 所述目标函数的计算公式如下所示：

[0015]

[0016] 其中，j为水流推进到的测点数，i为在j测点之前的各测点数， 为水流推进到点j处时，点i处的地表水深的实测值， 为水流推进到点j处时，点i处地表水深的模拟值。

[0017] 作为优选，所述误差的平均值小于10％。

[0018] 作为优选，所述误差的平均值小于5％。

[0019] 具体地，作为优选，所述步骤c具体包括：将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入所述地面灌溉模型，预测并调整灌溉时间，直至在所述灌溉时间内，所述目标田块的灌溉效率和灌水均匀度的平均值大于0.75，且储水效率大于0.95时，将预测的灌溉时间作为实际灌溉时间，从而实现对地面灌溉的精准控制；

[0020] 所述灌溉效率的计算公式如下所示：

[0021]

[0022] 所述灌水均匀度的计算公式如下所示：

[0023]

[0024] 所述储水效率的计算公式如下所示：

[0025]

[0026] 其中， 为平均灌水深度，单位为m；

[0027] 为灌溉后储存在作物根区的平均水深，单位为m，当Zavg≥0.08m时，取Zavg为0.08m，当Zavg＜0.08m时，取实际的Zavg值；其中，Zi为第i个节点处的灌水深度，且Zi＝ktα；n为目标田块的节点数目；Zreq为作物灌溉需水量，取经验值为0.08m。

[0028] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

[0029] 本发明实施例提供的基于地表水深信息的地面灌溉控制方法，通过将目标田块前半段的地表水深信息和水流推进时间引入土壤入渗参数的计算过程，能够有效提高土壤入渗参数的计算精度。在此基础上，通过将所得到的土壤入渗参数代入地面灌溉模型求得各个测点的地表水深模拟值，并使各测点的地表水深模拟值和实测值的误差的平均值最小为目标函数，来对土壤入渗参数进行优化反求，进而将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入地面灌溉模型，此时所建立的地面灌溉模型能够用于精确预测目标田块后半段的灌溉过程，以便于实时调整灌溉时间(即调整关闭田块进水口的时间)，从而实现对地面灌溉的精确控制，如此不仅能有效提高灌溉质量且能提升田间管理水平。此外，该方法通过建立数学模型，通过在计算机中输入实际测量的目标田块前半段的地表水深，即可容易地实现，其操作简便，便于规模化推广利用。

具体实施方式

[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0031] 本发明实施例提供了一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法，该方法包括以下步骤：

[0032] 步骤101、实时测量目标田块前半段各个测点的地表水深和水流推进时间。

[0033] 其中，此处所述的“目标田块前半段各个测点的地表水深和水流推进时间”指的是在目标田块前半段中，当水流推进到其中的每个测点时，以水流推进到该特定测点时的推进时间作为实时测量得到的水流推进时间；当水流推进到该特定测点相邻的下游测点时，通过实时测量该特定测点处的地表水深作为期望的地表水深。

[0034] 步骤102、将地表水深和水流推进时间代入地面灌溉模型，试算求出土壤入渗参数初值，将土壤入渗参数初值再代入地面灌溉模型，求出目标田块前半段中水流推进到预定测点时，预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值，以目标田块前半段中水流推进到预定测点时，预定测点之前各有水测点的地表水深实测值与预定测点之前各有水测点的地表水深模拟值的误差的平均值最小为目标函数建立土壤入渗参数求解模型，对土壤入渗参数进行反求并优化。此处所述的“预定测点之前各有水测点”指的是该预定测点上游的各个被水覆盖的测点。举例来说，当水流推进到50m处测点时，且50m处测点上游的各测点，例如10m处测点、20m处测点、30m处测点、40m处测点均被水覆盖的前提下，此时可以获得该10m处测点、20m处测点、30m处测点、40m处测点的地表水深模拟值和实测值。

[0035] 步骤103、将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入地面灌溉模型，来对地面灌溉全过程进行预测，并根据预测结果来调整灌溉时间，从而实现对地面灌溉过程的精准控制。

[0036] 其中，地面灌溉模型的计算公式如下所示：

[0037]

[0038]

[0039] 其中，x为已知的目标田块水平方向上的横坐标，单位为m；t为实际测量的目标田块前半段的水流推进时间，单位为s；h为实际测量的目标田块前半段的地表水深，单位为m；3
Q为实际测量的沿x方向上的水流的单宽流量，单位为m /(s·m)；U为实际测量的沿垂直于x方向的方向上的水流的平均流速，单位为m/s；b为已知的目标田块的畦面高程，单位为m；n为曼宁糙率系数，经验值为0.08-0.12，单位为m/s1/3；g为重力加速度，单位为m/s2；ic为地表水入渗率，单位为m3/(s·m2)，其中，ic＝kαtα-1，k和α为土壤入渗参数，即KostiaCOV土壤入渗参数。

[0040] 本发明实施例提供的基于地表水深信息的地面灌溉控制方法，通过将目标田块前半段的地表水深信息和水流推进时间引入土壤入渗参数的计算过程，能够有效提高土壤入渗参数的计算精度。在此基础上，通过将所得到的土壤入渗参数代入地面灌溉模型求得各个测点的地表水深模拟值，并使各测点的地表水深模拟值和实测值的误差的平均值最小为目标函数，来对土壤入渗参数进行优化反求，进而将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入地面灌溉模型，此时所建立的地面灌溉模型能够用于精确预测目标田块后半段的灌溉过程，以便于实时调整灌溉时间(即调整关闭田块进水口的时间)，从而实现对地面灌溉的精确控制，如此不仅能有效提高灌溉质量且能提升田间管理水平。此外，该方法通过建立数学模型，通过在计算机中输入实际测量的目标田块前半段的地表水深，即可容易地实现，其操作简便，便于规模化推广利用。本领域技术人员可以理解的是，通过控制入畦流量或者灌溉时间即可实现对地面灌溉过程的控制，在大部分情况下，入畦流量是确定的，所以，本发明实施例中，通过实时调整灌溉时间来实现对地面灌溉过程的精确控制。

[0041] 其中，上述的“目标田块前半段”指的是：自目标田块起点起，至目标田块长度的2/5-4/5，优选为3/5的位置处的区域。举例来说，目标田块长度为100m，宽度为2m，则目标田块前半段指的是目标田块起点至40m-80m长度位置之间的区域。优选为目标田块起点至60m长度位置处之间的区域。上述的曼宁糙率系数可以取经验值为0.08-0.12，例如为0.08、0.09、
0.10、0.11、0.12等，具体通过田块及作物情况来确定其具体取何种经验值。

[0042] 具体地，目标田块前半段的水流推进时间以及目标田块前半段的地表水深可以通过人工测量或者采用水位水流信息监测装置实时测量，优选选用采用水位水流信息监测装置，以提高精确度。

[0043] 为了提高目标田块的土壤入渗参数计算结果的准确性，本发明实施例在对土壤入渗参数进行反求并优化的过程中，取目标田块前半段中水流推进到每个测点时，前半段各测点的地表水深实测值与通过地面灌溉模型得到的模拟值的误差的平均值最小为目标函数，并根据目标函数确定优化的土壤入渗参数。其中，该误差的平均值应当小于10％，例如小于8％，小于6％，优选小于5％，更优选小于3％，可以理解的是，该平均相对误差应该尽可能的小。

[0044] 具体地，目标函数的计算公式如下所示：

[0045]

[0046] 其中，j为水流推进到的测点数，i为在j测点之前的各测点数， 为水流推进到点j处时，点i处的地表水深的实测值， 为水流推进到点j处时，点i处地表水深的模拟值。

[0047] 此处，i为在j测点之前的各测点数指的是j测点上游的各个测点数。

[0048] 举例来说，在利用上述目标函数对土壤入渗参数k值和α值进行反求并优化的过程中，首先将实测的水流到达前半段最后一个测点时各测点的地表水深和水流推进时间代入地面灌溉模型，可以求出一组土壤入渗参数k和α的初值，并将该k和α的初值代入地面灌溉模型中，求得目标田块前半段中水流推进到每个测点时，该测点之前各有水测点的地表水深模拟值，以目标田块前半段中水流推进到每个测点时，该测点之前各有水测点的地表水深实测值与模拟值的误差的平均值最小为目标函数建立土壤入渗参数求解模型，通过反复调整k值和α值，直至该相对误差小于10％或者更优时，将此时的k值和α值确定为上述的“反求并优化得到的土壤入渗参数”。

[0049] 进一步地，地面灌溉下理想的田间土壤水分分布状态是畦田内各点处的灌水深度均等于灌溉设计深度，即使灌溉水流均匀覆盖整个目标田块。地面灌溉质量的优劣程度一般采用灌溉性能评价指标来进行判断，其中，常使用的灌溉性能评价指标包括灌溉效率、灌水均匀度和储水效率。基于此，本发明实施例中，步骤103具体包括：将反求并优化得到的土壤入渗参数再次代入地面灌溉模型，预测并调整灌溉时间，直至在所确定的灌溉时间内，目标田块的灌溉效率和灌水均匀度的平均值大于0.75，且储水效率大于0.95时，将预测的灌溉时间作为实际灌溉时间，从而实现对地面灌溉的精准控制。

[0050] 更具体地，灌溉效率的计算公式如下所示：

[0051]

[0052] 灌水均匀度的计算公式如下所示：

[0053]

[0054] 储水效率的计算公式如下所示：

[0055]

[0056] 其中， 为平均灌水深度，单位为m；

[0057] 为灌溉后储存在作物根区的平均水深，单位为m，当Zavg≥0.08m时，取Zavg为0.08m，当Zavg＜0.08m时，取实际的Zavg值；其中，Zi为第i个节点处的灌水深度，且Zi＝ktα；

[0058] n为目标田块的节点数目；Zreq为作物灌溉需水量，取经验值为0.08m。

[0059] 以下将通过具体实施例详细地说明本发明：

[0060] 实施例1

[0061] 本实施例采用北京附近某郊区作为本发明的应用地区，选取规格为100m×2m的4个目标田块，记为q1，q2，q3，q4，种植作物为冬小麦。4个田块并列布置进行灌溉试验，其入畦单宽流量、灌溉需水量、糙率系数均相同，分别为5.6L/s，2cm，0.08。其中，田块q1，q2采用本发明提供的方法精准控制地面灌溉过程，实时测量地形数据、以及目标田块前半段各个测点的地表水深及水流推进时间。田块q3，q4采用传统依靠经验进行灌溉的地面灌溉方法，即水流推进到畦尾的时候关口。

[0062] 可以理解的是，本实施例可以采用对地面灌溉进行控制的系统进行如下操作，以提高地面灌溉的准确性及可操作性。该系统需要软件和硬件方面提供平台支撑，其中，硬件支撑包括顺次电连接的计算机、水位水流信息压力传感器、信息接收器、信息管理器。其中，水位水流信息压力传感器设置在目标田块中，用来实时监测目标田块灌溉水位水流的变化信息，即目标田块前半段的地表水深和水流推进时间，然后通过无线传输方式将采集到的信息传递至信息接收器，然后传递至信息管理器中进行储存并传递至计算机。通过计算机基于地面灌溉模型，以地表水深和水流推进时间的实测值与模拟值的平均小队误差最小作为目标函数，来对土壤入渗参数进行反求并优化。此外，计算机还与设置在目标田块起点处的电磁阀连接，以用来控制灌溉流量和灌溉时间。

[0063] 本实施例的具体实施步骤如下：

[0064] 1、实时监测地表水深、推进时间

[0065] 在本实施例中，田块q1和q2采用步骤101的方法，实时测量目标田块前半段各个测点的地表水深和水流推进时间。

[0066] 2、计算土壤入渗参数

[0067] 在本实施例中，田块q1和q2采用步骤102的方法，在一次灌溉过程进行中，取田块长度方向上60％的水位水流信息优化反求土壤入渗参数，得出结果见表1。

[0068] 表1土壤入渗参数

[0069]

[0070] 3、预测灌溉全过程，计算灌溉性能参数，研究选取精准灌溉方案

[0071] 在本实施例中，田块q1和q2采用步骤103的方法,得出灌溉效率Ea，灌水均匀度CU以及储水效率Es的结果见表2。

[0072] 对比实施例

[0073] 为了验证本发明方法的精度，采用传统的灌溉方法得出田块q3、q4的灌溉效率、灌水均匀度和储水效率，并将本发明方法和传统方法的灌溉性能参数进行对比。

[0074] 表2灌溉性能参数对比表

[0075]

[0076] 实验结果表明，通过本发明实施例提供的方法不仅对地面灌溉的精确控制后，各个目标田块的灌溉效率和灌水均匀度的平均值均大于0.75，且储水效率大于0.95，而若采用传统的地面灌溉方法即灌溉水流推进到畦尾的时候关口，得出的结果是，虽然储水效率大于0.95，但是灌溉效率和灌水均匀度的平均值均小于0.75，可见，采用本发明实施例提供的方法能够达到精确控制地面灌溉，提高灌水质量的目的。

[0077] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。