干旱区田间暗管布局参数和淋洗定额优化方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种干旱区田间暗管布局参数和淋洗定额优化方法和系统，所提供的方法包括：步骤1.收集施工区域基础数据，自然条件数据、待求变量空间以及目标排盐率；步骤2.基于步骤1收集的基础数据，构建充分排水条件下的计算暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式：步骤3.基于步骤1部分输入的土壤质地参数确定考虑暗管非充分排水的修正系数γ，得到考虑非充分排水的修正后的暗管排水排盐量计算公式；步骤4.待求变量空间离散及优化，将待求的淋洗定额I、暗管埋深Z

【技术实现步骤摘要】
干旱区田间暗管布局参数和淋洗定额优化方法和系统


[0001]本专利技术属于农业排水排盐模拟暗管布设
，具体涉及盐碱化地区田间暗管布局参数和淋洗定额优化方法和系统。

技术介绍

[0002]土壤盐碱化是影响干旱地区农业发展的重要因素。为了改良盐碱化土壤，暗管在干旱地区得到广泛使用。干旱地区暗管主要用处是在非生育期配合淋洗排除土壤中的盐分，从而达到加速土壤脱盐的效果。为提高暗管排盐效率并节约水资源，暗管埋深、间距等暗管布局参数及淋洗定额优化是暗管排水排盐系统设计的关键技术和主要任务。
[0003]目前确定暗管布局和淋洗定额有田间试验和计算机模拟两种方法。田间试验是在田间设置不同的暗管布局和淋洗定额，通过测定特定的指标如排水排盐量、作物产量及品质等确定暗管布局方式。但这种方法仅针对特定情况，如固定的作物、特定的土壤条件，且试验周期较长，费用较高，指标测定复杂。而计算机模拟程序需要较多输入参数，使用操作复杂，对于一线工程人员不够友好和便捷。
[0004]为了确定合适的暗管布局参数(间距和埋深)，以及配套的淋洗定额，促进干旱农业区节水抑盐条件下的暗管推广，需要开发更为便捷和准确的暗管布局和淋洗定额优化方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有方法的不足，提供一种确定田间暗管排水排盐量的半理论半经验公式，以针对不同田间条件，优化暗管布局参数(埋深、间距)和配套淋洗定额。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1.收集施工区域基础数据，自然条件数据、待求变量空间以及目标排盐率；
[0009]步骤2.基于步骤1收集的基础数据，构建充分排水条件下的计算暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式：
[0010]步骤3.基于步骤1部分输入的土壤质地参数确定考虑暗管非充分排水的修正系数γ，得到考虑非充分排水的修正后的暗管排水排盐量计算公式如下：
[0011][0012][0013]其中：γ为考虑暗管非充分排水的修正系数，[
‑
]，主要与土壤质地以及暗管间距有关，取值范围一般为0～1；
[0014]步骤4.待求变量空间离散及优化，将待求的淋洗定额I、暗管埋深Z
D
和暗管间距L在求解范围内进行空间离散，得到可供选择的数组，分别用I[i],Z
D
[j],L[k]表示，暗管埋深从大到小排列，其余从小到大排列；利用步骤3公式求解合理淋洗定额和暗管布局参数，
优化逻辑为：优先选取淋洗定额较小的解，在相同淋洗定额下，对于大埋深大间距和小埋深小间距两种符合要求的解，优先选取后者。
[0015]优选地，步骤S1中的自然条件数据包括土壤质地参数、土壤含水率、含盐量、地下水埋深和矿化度；所述待求变量空间包括暗管间距、埋深和淋洗定额的范围及离散步长。
[0016]优选地，充分排水条件下的计算暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式如下：
[0017][0018][0019]式中，θ
r
和θ
s
分别为土壤残余含水率和土壤饱和含水率,[
‑
]；α为与土壤孔隙平均尺寸相关的参数,[L
‑1]；n为与土壤孔隙尺寸分布有关参数,[
‑
]；m和n满足m＝1
‑
1/n；W0和W1分别为暗管排水开始和结束时的剖面储水量，[L2]；I为淋洗水量，[L2]；Z
D
和Z
GW
分别为暗管横截面圆心和初始地下水面所在位置z坐标的值，[L]；C
GW
为地下水溶质浓度，[ML
‑2]。
[0020]优选地，基于如下假设计算暗管排水排盐量：
[0021](1)暗管能充分排水，即暗管排水结束后，土壤水势h与土壤高度z满足即且地下水位与暗管所在深度一致，即暗管所在深度土壤水势为0；
[0022](2)假设暗管排水结束后，剖面含水率θ也随深度呈线性变化，土壤表面深度通过水头计算得到；
[0023](3)假设含水层水量远大于土壤剖面水量，即非饱和带进入地下水中的淋溶水不会明显改变地下水浓度，因此可以认为暗管排水浓度与初始地下水浓度一致。
[0024]优选地，在步骤3中，修正系数γ考虑由于暗管间距过大以及土壤导水性较差引起的非充分排水排盐，是通过事先针对不同土壤质地，利用变饱和土壤水和溶质模型模拟不同暗管间距和埋深、淋洗定额和初始地下水位下的暗管排水排盐量即Q
w
和Q
s
与通过所构建的半理论半经验公式计算得到的暗管累积排水量和累积排盐量的比值确定的，构建修正系数γ与暗管间距对应表。
[0025]优选地，所述步骤4具体为：
[0026]构建优化的目标函数和控制条件如下：
[0027][0028]其中，Q
sT
为目标排盐率，R表示暗管运行风险函数，相较于大埋深大间距暗管布局，小埋深小间距对应风险更小，因为后者意味着单位面积暗管数更多，在暗管长期运作的过程中，有利于减小暗管堵塞带来的运行风险；此外式中优先选取淋洗定额较小的解。
[0029]优选地，求解淋洗定额I、暗管埋深Z
D
和暗管间距L的步骤如下：
[0030]Step1.将待求的淋洗定额I、暗管埋深Z
D
和暗管间距L在求解范围内进行空间离散，得到可供选择的数组，分别用I[i],Z
D
[j],L[k]表示，暗管埋深从大到小排列，其余从小到大排列；
[0031]Step2.根据暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式计算最大暗管埋深Z
D
[0]和最小淋洗定额I[0]下对应的排盐量依次增大淋洗定额直到计算的排盐量大于目标排盐量Q
sT
，则将此时的最小淋洗定额作为推荐的最优淋洗定额I
op
；
[0032]Step3.根据暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式计算最优淋洗定额I
op
和最大暗管埋深Z
D
[0]下对应的排盐量依次减小暗管埋深直到计算的排盐量小于目标排盐量Q
sT
，则将上一步的最小暗管埋深作为推荐的最优暗管埋深Z
Dop
；
[0033]Step4.根据暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式计算最优淋洗定额I
op
、最优暗管埋深Z
Dop
、最小暗管间距L[0]下的修正后的排盐量Q
s
，依次增大暗管间距直到计算的修正后的排盐量Q
s
小于目标排盐量Q
sT
，则将上一步的最大暗管间距作为推荐的最优暗管间距L
op
；
[0034]Step5.上述I
op
、Z<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.收集施工区域基础数据，自然条件数据、待求变量空间以及目标排盐率；步骤2.基于步骤1收集的基础数据，构建充分排水条件下的计算暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式；步骤3.基于步骤1部分输入的土壤质地参数确定考虑暗管非充分排水的修正系数γ，得到考虑非充分排水的修正后的暗管排水排盐量计算公式如下：得到考虑非充分排水的修正后的暗管排水排盐量计算公式如下：其中：γ为考虑暗管非充分排水的修正系数，[
‑
]，主要与土壤质地以及暗管间距有关，取值范围一般为0～1；步骤4.待求变量空间离散及优化，将待求的淋洗定额I、暗管埋深Z
D
和暗管间距L在求解范围内进行空间离散，得到可供选择的数组，分别用I[i],Z
D
[j],L[k]表示，暗管埋深从大到小排列，其余从小到大排列；利用步骤3公式求解合理淋洗定额和暗管布局参数，优化逻辑为：优先选取淋洗定额较小的解，在相同淋洗定额下，对于大埋深大间距和小埋深小间距两种符合要求的解，优先选取后者。2.根据权利要求1所述的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于：步骤S1中的自然条件数据包括土壤质地参数、土壤含水率、含盐量、地下水埋深和矿化度；所述待求变量空间包括暗管间距、埋深和淋洗定额的范围及离散步长。3.根据权利要求1所述的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于：在步骤2中，充分排水条件下的计算暗管累积排水量和累积排盐量的半理论半经验公式如下：如下：式中，θ
r
和θ
s
分别为土壤残余含水率和土壤饱和含水率,[
‑
]；α为与土壤孔隙平均尺寸相关的参数,[L
‑1]；n为与土壤孔隙尺寸分布有关参数,[
‑
]；m和n满足m＝1
‑
1/n；W0和W1分别为暗管排水开始和结束时的剖面储水量，[L2]；I为淋洗水量，[L2]；Z
D
和Z
GW
分别为暗管横截面圆心和初始地下水面所在位置z坐标的值，[L]；C
GW
为地下水溶质浓度，[ML
‑2]。4.根据权利要求3所述的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于：所述步骤2中，基于如下假设计算暗管排水排盐量：(1)暗管能充分排水，即暗管排水结束后，土壤水势h与土壤高度z满足即且地下水位与暗管所在深度一致，即暗管所在深度土壤水势为0；(2)假设暗管排水结束后，剖面含水率θ也随深度呈线性变化，土壤表面深度通过水头计算得到；(3)假设含水层水量远大于土壤剖面水量，即非饱和带进入地下水中的淋溶水不会明
显改变地下水浓度，因此可以认为暗管排水浓度与初始地下水浓度一致。5.根据权利要求1所述的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于：在步骤3中，修正系数γ考虑由于暗管间距过大以及土壤导水性较差引起的非充分排水排盐，是通过事先针对不同土壤质地，利用变饱和土壤水和溶质模型模拟不同暗管间距和埋深、淋洗定额和初始地下水位下的暗管排水排盐量即Q
w
和Q
s
与通过所构建的半理论半经验公式计算得到的暗管累积排水量和累积排盐量的比值确定的，构建修正系数γ与暗管间距对应表。6.根据权利要求1所述的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于：所述步骤4具体为：构建优化的目标函数和控制条件如下：其中，Q
sT
为目标排盐率，R表示暗管运行风险函数，相较于大埋深大间距暗管布局，小埋深小间距对应风险更小，因为后者意味着单位面积暗管数更多，在暗管长期运作的过程中，有利于减小暗管堵塞带来的运行风险；此外式中优先选取淋洗定额较小的解。7.根据权利要求5所述的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法，其特征在于：求解淋洗定额I、暗管埋深Z
D
和暗管间距L的步骤如下：Step1.将待求的淋洗定额I、暗管埋深Z
D
和暗管间距L在求解范围内进行空间离散，得到可供选择的数组，分别用I[i],Z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱颖志，朱焱，黄介生，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：