有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法及验证平台技术

本发明专利技术涉及一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法及验证平台，预测方法包括基于单喷头在平面的径向喷灌强度建立平面水量分布模型，基于弹道理论建立有风条件下液滴的运动轨迹模型，根据非均匀坡面任意点Q确定所属非均匀坡面数字高程模型的微区域S，获得有风条件下对应的初始液滴的粒径和运动方向，以此确定点Q所属初始液滴落在平面的点Q1，及微区域S所属初始液滴落在平面的微区域F，根据S与F的水量相等，将点Q1对应平面水量分布模型的喷灌强度转化为点Q的喷灌强度，可以兼顾风和局部地形影响，实现根据平面喷灌的水量分布预测有风条件下非均匀坡面的水量分布，经验证平台模拟非均匀坡面喷灌场景验证，置信系数>0.85。0.85。0.85。

【技术实现步骤摘要】
有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法及验证平台


[0001]本专利技术属于喷灌领域，具体涉及一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法及验证平台
。

技术介绍

[0002]中国丘陵众多，在丘陵坡地地区发展喷灌技术，较传统灌溉方式既能提高灌溉水的利用率，又无需平整土地，而且可减少地表径流和深层渗漏，是解决丘陵坡地地区灌溉问题的有效途径
。
喷头水量分布是喷灌系统设计的基础，对于喷灌系统的设计至关重要，受地形因素的影响，坡地喷头水量分布测量比较困难，而平地喷头水量分布易于测量
。
因此，开展平地喷灌水量分布向坡地水量分布转化的研究，以预测坡面水量分布，对简化丘陵山地中喷头水量分布的测量
、
评价喷灌系统性能
、
评估作物灌溉的质量有着重要意义
。
[0003]现有技术中对坡面水分布的模拟进行了初步探索
。
例如：将空气阻力系数假设为常数，假设坡面均匀，根据液滴运动轨迹，建立平面上液滴着陆点与坡面着陆点的对应关系，利用节水原理将平面着陆点的喷灌强度转化为坡面着陆点的喷灌强度
(Chen,et al.1989
；
Soares,et al.1991)
；假设平面上落点与斜坡上落点之间的坡度相同，基于喷头喷水方向总水量守恒的原则，建立了喷灌水量由平地向坡地转变的计算模型
(Fu,et al.2022
；
Zhang,etal.2018)
；假设坡面均匀，将风速与地形的对数关系引入液滴运动方程中，建立了有风条件下坡地喷灌水量分布模型
(Mateos 1998)
；其主要缺陷在于，虽然通过假设减少了计算量，但由于未考虑或未兼顾有风条件和非均匀坡面局部地形对坡面喷灌水量分布的影响，导致增加了坡地水量分布预测的误差
。
[0004]其次，受环境因素的影响，液滴在运动过程中蒸发导致其直径减小，有学者假设坡面均匀，在液滴运动轨迹计算中引入了液滴运动蒸发模型，在一定程度上提高了坡面水分分布模拟的精度
(Zhang,et al.2016)
，但在有风条件下考虑蒸发对非均匀坡面喷灌水量分布的影响还未见报道
。
[0005]此外，为验证和评估径向水量分布预测模型的准确性：一方面，丘陵上常年生的作物冠层会截留部分本应落在地表的液滴，而且作物在丘陵上的空间位置会妨碍集水装置的布置，导致验证误差；另一方面，均方根误差
、
平均绝对百分比误差
、
标准误差等方法被用来描述灌溉强度预测值与实测值之间的误差，但无法反映预测模型的拟合程度
。
由于现有研究大多基于一元预测模型
(Li,et al.2015
；
and Coelho 2003)
，即预测平面上距喷头一定距离下的喷灌强度，在其他条件确定的情况下，喷灌强度仅与单变量距离有关，而对于非均匀坡地上喷灌强度的预测，由于地形不均匀，其值不仅与距离有关，还与方向有关，预测值受两因素影响，故而在多元预测模型中，自变量个数的增加会引起余差平方和的减少，
R2会增大
(Larson and S.1931
；
Yin and Fan 2001)
，所以
R2会对预测模型进行评价有可能产生误导
。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本专利技术提供一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法，可以根据平面喷灌的水量分布预测有风条件下非均匀坡面的水量分布，并提高预测坡面水量分布的准确性，还基于此预测方法提供一种验证平台和评估方法，以提高预测的可信性
。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法，其方法包括：
[0009]基于单喷头在平面的径向喷灌强度建立平面水量分布模型；
[0010]建立非均匀坡面的数字高程模型；
[0011]基于弹道理论建立有风条件下液滴的运动轨迹模型；
[0012]根据非均匀坡面任意点
Q
确定所属所述数字高程模型的微区域
S
；
[0013]获取有风环境参数，结合点
Q、
属于
dS
的其他落点和所述运动轨迹模型，获得有风条件下各点对应初始液滴的粒径和运动方向，以此确定点
Q
所属初始液滴落在平面的点
Q1，及各落点所属初始液滴落在平面所围的微区域
F
；
[0014]根据
S
与
F
的水量相等，将点
Q1对应所述平面水量分布模型的喷灌强度转化为点
Q
的喷灌强度，集合数字高程模型上所有点的喷灌强度获得非均匀坡面的水量分布
。
[0015]进一步的，在圆柱坐标系下建立所述数字高程模型和所述运动轨迹模型，所述运动轨迹模型包括：
[0016]基于弹道理论建立的单个液滴运动模型：
[0017]地面以上高度的风速：
[0018]上式
(1)
和
(2)
中，
r
w
表示液滴在圆柱坐标的径向距离，
m
；
θ
w
表示液滴在圆柱坐标系的方位角，
rad
；
z
w
表示液滴圆柱坐标系的高度，
m
；
t
表示液滴从喷嘴射出后的运动时间，
s
；
ρ
a
表示空气的密度，
kg/m3；
ρ
w
表示液滴的密度，
kg/m3；
D
表示液滴的直径，
m
；
υ
表示液滴相对于周围空气的运动速度，
m/s
；
v
rw
表示液滴的绝对径向速度，
m/s
；
v
ra
表示风的绝对径向速度，
m/s
；
ω
θ
w
表示液滴的绝对方位角速度，
rad/s
；
ω
θ
a
表示风的绝对方位角速度，
rad/s
；
v
zw
表示液滴的对垂直方向速度，
m/s
；
v
za
表示和风的垂直方向速度，
m/s
，
g
表示重力加速度，
m/s2；
C
D
表示空气的阻力系数，
C
D
与雷诺数
Re
有关；
[0019]v
ra
(z
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法，其特征在于，其方法包括：基于单喷头在平面的径向喷灌强度建立平面水量分布模型；建立非均匀坡面的数字高程模型；基于弹道理论建立有风条件下液滴的运动轨迹模型；根据非均匀坡面任意点
Q
确定所属所述数字高程模型的微区域
S
；获取有风环境参数，结合点
Q、
属于
dS
的其他落点和所述运动轨迹模型，获得有风条件下各点对应初始液滴的粒径和运动方向，以此确定点
Q
所属初始液滴落在平面的点
Q1，及各落点所属初始液滴落在平面所围的微区域
F
；根据
S
与
F
的水量相等，将点
Q1对应所述平面水量分布模型的喷灌强度转化为点
Q
的喷灌强度，集合数字高程模型上所有点的喷灌强度获得非均匀坡面的水量分布
。2.
根据权利要求1所述的一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法，其特征在于，在圆柱坐标系下建立所述数字高程模型和所述运动轨迹模型，所述运动轨迹模型包括：基于弹道理论建立的单个液滴运动模型：地面以上高度的风速：上式
(1)
和
(2)
中，
r
w
表示液滴在圆柱坐标的径向距离，
m
；
θ
w
表示液滴在圆柱坐标系的方位角，
rad
；
z
w
表示液滴圆柱坐标系的高度，
m
；
t
表示液滴从喷嘴射出后的运动时间，
s
；
ρ
a
表示空气的密度，
kg/m3；
ρ
w
表示液滴的密度，
kg/m3；
D
表示液滴的直径，
m
；
υ
表示液滴相对于周围空气的运动速度，
m/s
；
v
rw
表示液滴的绝对径向速度，
m/s
；
v
ra
表示风的绝对径向速度，
m/s
；
ω
θ
w
表示液滴的绝对方位角速度，
rad/s
；
ω
θ
a
表示风的绝对方位角速度，
rad/s
；
v
zw
表示液滴的对垂直方向速度，
m/s
；
v
za
表示和风的垂直方向速度，
m/s
，
g
表示重力加速度，
m/s2；
C
D
表示空气的阻力系数；
v(z
a
)
表示在相对地面高度
z
a
处所测风速，
m/s
；
z
a
表示相对于地面测量风速的高度，
m
；
θ
a
表示风在圆柱坐标系的方位角，
rad
；
h
r
表示由作物高度所决定的表面粗糙度，
m
；
z0表示粗糙度参数，
cm。3.
根据权利要求2所述的一种有风条件下非均匀坡面的水量分布预测方法，其特征在于，获得有风条件下某点对应的初始液滴粒径
D
e
和运动方向
θ
e
的方法包括：设定初始化参数：包括点
Q
位置
(
θ
p
,r
p
,z
p
)、
喷头结构参数
、
空气的密度
ρ
a
、
液滴的密度
ρ
w
、
有风环境参数
、
液滴开始运行时间
t0、
液滴运行单位时间
Δ
t、
液滴的最小直径
d
wmin
、
液滴
的最大直径
d
wmax
、
初始液滴的粒径
D
e
，初始液滴的运动方向
θ
e
，初始液滴运动方向的优化范围
[
θ
min
,
θ
max
]、
径向距离允许误差
Δε
、
方位角允许误差
Δμ
，迭代次数计数
n
＝0；根据初始化参数和所述运动轨迹模型确定时间为
t0时的初始条件；应用四阶龙格库塔方法求解下一时间点
t1＝
t0+
Δ
t
的液滴的速度
(v
rw
(t1),
ω
θ
w
(t1),v
zw
(t1))、
液滴坐标值
(r
w
(t1),
θ
w
(t1),z
w
(t1))、
风速
(v
ra
(t1),
ω
θ
a
(t1),v
za
(t1))
，依次类推，计算并存储在
t
n
时刻，液滴的坐标值
(r
w
(t
n
),
θ
w
(t
n
),z
w
(t
n
))
；比较
r
w
(t
n
)
与
r
p
的大小：若
r
w
(t
n
)
＜
r
p
，则令
n
＝
n+1
，计算下一时刻的液滴的坐标值
(r
w
(t
n+1
),
θ
w
(t
n+1
),z
w
(t
n+1
))
；若
r
w
(t
n
)≥r
p
，则令
ε
＝
z
w
(t
n
)
‑
z
p
；若
ε
≥
Δε
，令
d
wmax
＝
D
e
，
D
e
＝
(d
wmax
+d
wmin
)/2
，
n
＝0，清空所有液滴的坐标值存储，开启新一轮的运算；若
ε
≤
‑
Δε
，令
d
wmin
＝
D
e
，
D
e
＝
(d
wmax
+d
wmin
)/2
，
n
＝0，清空所有液滴的坐标值存储，开启新一轮的运算，否则，则令
μ
＝
θ
w
(t
n
)
‑
θ
p
；若
μ
≥
Δμ
，令
θ
max
＝
θ
ε
，
θ
ε
＝
(
θ
max
+
θ
min
)/2
，
n
＝0，清空所有液滴的坐标值存储，开启新一轮的运算；若
μ
≤
‑
Δμ
，令
θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，蒋跃，李红，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：