地面灌溉中地表水流运动的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种地面灌溉中地表水流运动的模拟方法，属于地面灌溉领域。该模拟方法包括：首先，选择向量形式的全水动力学方程作为模拟目标畦田地面灌溉中地表水流运动的地面灌溉模型。然后，对向量形式的全水动力学方程进行时空离散化处理，得到全水动力学方程的时空离散表达式；并将时空离散表达式中的和分别用q和h来表达。最后，将全水动力学方程的时空离散表达式整理成以q和h为未知数的地表水流运动模拟方程，通过求解该方程，获取目标畦田中每一测点处的q和h，从而对目标畦田地面灌溉中地表水流运动进行模拟。该模拟方法计算简便，有效缩短了模拟计算的时间，且计算精度高，适用于大规模地面灌溉中地表水流运动的模拟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地面灌溉领域，特别涉及一种地面灌溉中地表水流运动的模拟方法。
技术介绍
地面灌溉是一种常见的农田灌溉方法，其利用灌水沟、畦或格田等，将水引入农田，并使水在重力和毛细管作用下渗入土壤，为田间作物补充水分。进行地面灌溉时，为保证田间作物得到充分灌溉，并尽可能节约水资源，需要对水流在目标畦田中的灌溉性能进行预先评价，以对灌入水量及流速等进行调整，避免水资源的浪费。因此，提供一种地面灌溉的评价方法是十分必要的。现有技术提供了一种地面灌溉中地表水流运动的模拟方法，该方法采用具有向量形式的全水动力学方程作为地面灌溉模型，根据此来描述地面灌溉中地表水流运动过程。在求解具有向量形式的全水动力学方程时，首先对其进行时空离散化处理，得到时空离散表达式： U i n t + 1 = U i n t + Δ t Δ x ( F i + 1 / 2 n t + 1 - F i - 1 / 2 n t + 1 ) + ΔtS i n t ]]>式中，F为数值通量，U为因变量向量，S为源项向量；Δt和Δx分别为数值计算的时间步长和空间步长；nt为时间离散迭代步；i为空间离散节点；i+1/2为空间离散节点i与i+1之间的中点；i-1/2为空间离散节点i与i-1之间的中点。其中，在求解全水动力学方程的上述时空离散表达式时，关键是计算和现有技术通常采用经典Roe模拟方法进行计算，该经典Roe模拟方法的表达式如下所示： F i + 1 / 2 n t + 1 = 1 2 [ F i + 1 n t + F i n t - ( | λ 1 , i + 1 / 2 n t | α 1 , i + 1 / 2 n t e 1 , i + 1 / 2 n t + | λ 2 , i + 1 / 2 n t | α 2 , i + 1 / 2 n t e 2 , i + 1 / 2 n t ) ] ]]> F i - 1 / 2 n t + 1 = 1 2 [ F i - 1 n 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地面灌溉中地表水流运动的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：步骤a、选择向量形式的全水动力学方程作为模拟目标畦田地面灌溉中地表水流运动的地面灌溉模型；所述向量形式的全水动力学方程为：∂U∂t+∂F∂x=S]]>U=hq]]>F=qqu+12gh2]]>S=ic-gh∂b∂x-ghn2u|u|h4/3]]>其中，F为物理通量，U为因变量向量，S为源项向量，t为所述目标畦田以灌溉起始时刻作为原点的时间坐标，单位为s，x为所述目标畦田中任意测点与所述目标畦田的畦首之间的距离，单位为m；u为水流沿所述目标畦田畦长方向的垂向均布流速，单位为m/s；h为地表水深，单位为m；q为水流沿所述目标畦田畦长方向的单宽流量，单位为m3/(s·m)，且q＝hu；g为重力加速度，单位为m/s2；ic为实测得到的所述目标畦田地表水入渗率；b为实测得到的所述目标畦田地表相对高程，单位为m；n为已知的所述目标畦田的畦面糙率系数，单位为s/m1/3；步骤b、对所述向量形式的全水动力学方程进行时空离散化处理，得到所述全水动力学方程的时空离散表达式；所述全水动力学方程的时空离散表达式为：Uint+1=Uint+ΔtΔx(Fi+1/2nt+1-Fi-1/2nt+1)+ΔtSint;]]>其中，Δt为针对所述t得到的时间步长；Δx为针对所述x得到的空间步长；nt为针对所述t得到的时间离散节点；i为针对所述x得到的空间离散节点；i+1/2为空间离散节点i与i+1之间的中点；i‑1/2为空间离散节点i与i‑1之间的中点；步骤c、提供利用所述q和所述h来表达所述的第一表达式；所述第一表达式的为：Sint=(ic)int-ghintbi+1-bi-12Δx-gn2uint|uint|(h1/3)int;]]>步骤d、分别提供利用所述q和所述h来表达所述和的第二表达式和第三表达式；所述第二表达式为：Fi+1/2nt+1=0.5[Fi+1nt+Fint-0.5Λi+1/2nt(Ui+1nt+1-Uint)]]]>其中，所述第三表达式为：Fi-1/2nt+1=0.5[Fint+Fi-1nt-0.5Λi-1/2nt(Uint+1-Ui-1nt)]]]>Λi-1/2nt=0.5(ui-1nt+uint-ghi-1nt-ghint000.5(ui-1nt+uint+ghi-1nt+ghint;]]>步骤e、将所述第一表达式、所述第二表达式和所述第三表达式代入所述全水动力学方程的时空离散表达式，得到以所述q和所述h作为未知数的地表水流运动的模拟方程，通过对所述地表水流运动的模拟方程进行求解，获取所述目标畦田中每一测点处的所述q和所述h，从而对地面灌溉中地表水流运动进行模拟。...

【技术特征摘要】
1.一种地面灌溉中地表水流运动的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：步骤a、选择向量形式的全水动力学方程作为模拟目标畦田地面灌溉中地表水流运动的地面灌溉模型；所述向量形式的全水动力学方程为： ∂ U ∂ t + ∂ F ∂ x = S ]]> U = h q ]]> F = q q u + 1 2 gh 2 ]]> S = i c - g h ∂ b ∂ x - g h n 2 u | u | h 4 / 3 ]]>其中，F为物理通量，U为因变量向量，S为源项向量，t为所述目标畦田以灌溉起始时刻作为原点的时间坐标，单位为s，x为所述目标畦田中任意测点与所述目标畦田的畦首之间的距离，单位为m；u为水流沿所述目标畦田畦长方向的垂向均布流速，单位为m/s；h为地表水深，单位为m；q为水流沿所述目标畦田畦长方向的单宽流量，单位为m3/(s·m)，且q＝hu；g为重力加速度，单位为m/s2；ic为实测得到的所述目标畦田地表水入渗率；b为实测得到的所述目标畦田地表相对高程，单位为m；n为已知的所述目标畦田的畦面糙率系数，单位为s/m1/3；步骤b、对所述向量形式的全水动力学方程进行时空离散化处理，得到所述全水动力学方程的时空离散表达式；所述全水动力学方程的时空离散表达式为： U i n t + 1 = U i n t + Δ t Δ x ( F i + 1 / 2 n t + 1 - F i - 1 / 2 n t + 1 ) + ΔtS i n t ; ]]>其中，Δt为针对所述t得到的时间步长；Δx为针对所述x得到的空间步长；nt为针对所述t得到的时间离散节点；i为针对所述x得到的空间离散节点；i+1/2为空间离散节点i与i+1之间的中点；i-1/2为空间离散节点i与i-1之间的中点；步骤c、提供利用所述q和所述h来表达所述的第一表达式；所述第一表达式的为： S i n t = ( i c ) i n t - gh i n t b i + 1 - b i - 1 2 Δ x - g n 2 u i n t | u i n t | ( h 1 / 3 ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：章少辉，许迪，李益农，白美健，李福祥，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11