畦灌灌水过程模拟与灌水参数优化研究

发布时间：2020-08-27 13:23

【摘要】：农业是传统用水大户，农业用水量占全国用水总量的63.4%，然而农田灌溉水有效利用系数却十分低下，仅为0.523。节约农业用水是应对我国当前日益严重的用水供需矛盾的有效途径，对于缓解众所周知的水资源危机有着重要意义。2012年11月，国务院办公厅印发《国家农业节水纲要》(2012-2020年)，强调把节水灌溉作为经济社会可持续发展的一项重大战略和发展现代农业的一项根本性措施,因此，农业节水任重道远。 畦灌是我国农田灌溉中应用最广泛的地面灌水方法，在山西省等北方地区尤为常见。目前畦灌灌水效率仍然很低，提高畦灌灌水效率对推进我国节水灌溉有重要意义。本论文在对山西省畦灌田间水利用系数的现状进行测算分析基础上，采用理论分析、数值计算与田间试验相结合的研究方法，对畦灌灌水过程、灌水质量指标和灌水技术参数优化进行系统研究，结果如下： 1、根据山西省灌区特点，选择了三个不同水源类型的灌区作为实测地段，对田间水利用系数现状和影响因素进行(单因素)分析，结果表明：影响田间水利用系数的主要因素分别为灌水定额、土壤质地、畦块大小和土壤计划湿润层深度；在一定质地及灌水定额条件下，田间水利用系数与畦幅数呈线性正相关，在选定根系层或湿润层范围内田间水利用系数随计划深度的加大而增大，二者之间的关系符合对数函数；田间水利用系数随灌水定额单因素增大而逐渐减小，二者之间呈现较为明显的对数关系；当土壤计划湿润层深度一定，畦幅数在一定的范围内，相同灌水定额条件下，土壤质地为粘土的畦块田间水利用系数大于壤土畦块的田间水利用系数，而壤土畦块的田间水利用系数又大于砂土畦块的田间水利用系数，且差别较为显著。 2、通过分析最小二乘支持向量机的特点，建立了基于最小二乘支持向量机的田间水利用系数预测模型和田面糙率预测模型。田间水利用系数模型仅需输入畦长、畦宽、田面坡度、单宽流量和灌水定额5个比较容易获取的参数便可预测田间水利用系数，模型的预测最大相对误差为11.98%，可以用于田间水利用系数预测；建立的两类4个基于最小二乘支持向量机的田面糙率预测模型，均可用于田面糙率预测，特别是第二类LSSVM-N-II模型不需要区分地块类型，具有统一的输入输出，有较高的易用性。 3、根据畦灌灌水过程中水流沿田面运动和水分下渗的特点，构建了零惯量模型和二维土壤水分运动方程耦合的畦灌灌水数学模型，分别采用欧拉积分法和有限元法对零惯量模型和土壤水分运动方程进行求解。模型通过内部耦合，采用迭代法实现了零惯量模型和土壤水分运动方程的有效耦合，模型能模拟畦灌灌水水流推进过程、水流退水过程和土壤水分分布特性。并通过实测黏土、壤土、砂土三类畦田的灌水过程和灌水指标，对畦灌水流运动模型进行验证，结果表明本文所建立的零惯量与土壤水分运动耦合模型可以很好的模拟畦灌水流运动过程、畦田土壤水分运动和灌水质量指标，说明本文所建模型是正确的。 4、基于畦灌条件下零惯量模型和土壤水分运动耦合模型，建立了畦灌灌水技术参数多目标优化模型，采用网格搜索法对其进行求解，并进行了优化结果分析，结果表明在本文模拟条件下田间水利用系数和灌水均匀度均随着单宽流量、灌水定额和田面坡度呈先增大后减小的变化规律，最优灌水定额为35-45m3/亩，单宽流量为0.0035-0.0055m2/s，田面坡度为0.003-0.005。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S274
【图文】：

图 4-3 欧拉时空单元网格Fig.4-3 Euler temporal and spatial cell grid4.2.1 基本方程离散化4.2.1.1 进水阶段（1）第一时段（0 0 01 1 1 0A 0, Z 0,Q Q,01 0Q Q,1 1 12 2 2A 0, Z 0, Q 0）本单元为水流推进第一单元，如图 4-4 所示，为三角单元。

图 4-3 欧拉时空单元网格Fig.4-3 Euler temporal and spatial cell grid0 01 1 0 0, Z 0,Q Q,01 0Q Q,1 1 2 2 A 0, Z 一单元，如图 4-4 所示，为三角单元。

水利用系数与储水效率间存在着正比关系，因此本论文主要计算田间水利用系数和灌水均匀度。4.5.1 田间水利用系数田间水利用系数是指灌水后储存于计划湿润作物根系土壤区内的水量与实际灌入田间的总水量的比值，即()/()3341VVVVVVs (4-81)式中： ——田间灌溉水利用系数，%；Vs——灌溉后储存于计划湿润作物根系土壤区内的水量，m3或 mm；V3——储存在计划湿润层内的水量， m3或 mm；V4+V1——主要指深层渗漏，m3或 mm；V——输入田间实施灌水的总水量，m3或 mm。见图 4-8。

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：2806160