CN105723370B - 各向异性畦面糙率的获取方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种各向异性畦面糙率的获取方法及其应用，属于农田水利技术领域。该方法包括：预选分别平行于目标畦田的长度和宽度方向的两个实验条田，分别获取两个实验条田的第一地表水流推进过程数据。其中，该目标畦田可以理解为方块形。根据该地表水流推进过程数据利用一维水动力学畦灌模型，分别获得两个各向同性畦面糙率，并将它们代入各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程中，求解得到目标畦田的各向异性畦面糙率，其包括平行和垂直于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量。该各向异性畦面糙率能真实地反映出畦面地表对水流的阻力作用，利于提高地面灌溉水动力学的模拟精度，获得更精确的灌溉性能指标。

Description

各向异性畦面糙率的获取方法及其应用
技术领域
本发明涉及农田水利技术领域，特别涉及一种各向异性畦面糙率的获取方法及其应用。
背景技术
在地面灌溉系统性能的分析评价中，通常采用畦面糙率来表征地表水流运动受到的地表阻力影响。在机械化耕作播种条件下，因耕作栽培形成的作物布局结构以及地表局部的起伏凹凸常呈现出特定的方向性，致使流经畦田任意空间点处的地表水流受到的阻力表现出各向异性特征，此时，需采用具有显著二维特征的各向异性畦面糙率模型进行定量描述，以提高地面灌溉时地表水流运动的模拟精度，达到提高地面灌溉系统性能评价能力的目的。
目前对于各向异性畦面糙率的测量仅限于畦田中当畦面浅沟及作物平行于畦埂的情景，但是，当畦田中的畦面浅沟及作物种植方向与畦埂存在一定的旋转角度时，通常测量仅有一维特征的各向同性畦面糙率，并以此来代替具有二维特征的各向异性畦面糙率，这将会大大降低地面灌溉水动力学过程的模拟精度，进而降低灌溉系统性能评价的精确性。
基于上述可知，对于畦田中的畦面浅沟及作物种植方向与畦埂存在一定的旋转角度的情况，有必要提供一种各向异性畦面糙率的测量方法，而本发明基于各向异性畦面糙率在数学上的张量属性，提供了一种简单实用且精确可靠的各向异性畦面糙率的获取方法及其应用。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够在畦面浅沟及作物种植方向与畦埂存在一定的旋转角度的情况下，获取各向异性畦面糙率的方法以及该各向异性畦面糙率的应用。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种各向异性畦面糙率的获取方法，包括：步骤a、预选平行于目标畦田的长度方向的第一实验条田，以及平行于所述目标畦田的宽度方向的第二实验条田，分别获取所述第一实验条田的第一地表水流推进过程数据和所述第二实验条田的第二地表水流推进过程数据；
步骤b、根据所述第一地表水流推进过程数据和所述第二地表水流推进过程数据，利用一维水动力学畦灌模型，分别获得第一各向同性畦面糙率和第二各向同性畦面糙率；
步骤c、将所述第一各向同性畦面糙率和所述第二各向同性畦面糙率代入各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程中，求解得到所述目标畦田的各向异性畦面糙率，所述各向异性畦面糙率包括平行和垂直于所述目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量。
具体地，作为优选，所述地表水流推进过程数据包括：地表水深、沿实验条田长度方向上的水流推进时间、沿实验条田长度方向的垂向均布流速、沿实验条田长度方向的单宽流量、畦面相对高程、地表水入渗率。
具体地，作为优选，所述一维水动力学畦灌模型的计算公式如下所示：
其中，t为沿实验条田长度方向上的水流推进时间，单位为s；h为地表水深，单位为m；u为沿实验条田长度方向上的垂向均布流速，单位为m/s；q为沿实验条田长度方向的单宽流量，单位为m3/(s·m)；g为重力加速度，单位为m/s2；ζ为地表水位相对高程，且ζ＝所述地表水深+所述畦面相对高程，单位为m；n为各向同性畦面糙率，单位s/m1/3；i为地表水入渗率，单位为m/s。
具体地，作为优选，所述椭圆方程如下所示：
其中，nA为平行于所述目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量；nB为垂直于所述目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量。
第二方面，本发明实施例提供了利用上述的方法获取得到的各向异性畦面糙率在地面灌溉过程中的应用。
具体地，作为优选，所述应用包括：确定所述各向异性畦面糙率的模拟精度，然后将所述各向异性畦面糙率应用到二维水动力学畦灌模型中，来对目标畦田的灌溉性能进行分析与评价。
具体地，作为优选，所述确定所述各向异性畦面糙率的模拟精度包括：
步骤α、将各向异性畦面糙率代入所述二维水动力学畦灌模型中，获取各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值；同时，将基于所述目标畦田的各向同性畦面糙率代入所述二维水动力学畦灌模型中，获取各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值；
步骤β、计算所述各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值与地表水流推进过程数据的实测值之间的第一平均相对误差；同时，计算所述各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值与所述地表水流推进过程数据的实测值之间的第二平均相对误差；
步骤γ、根据所述第一平均相对误差和所述第二平均相对误差来确定所述各向异性畦面糙率的模拟精度。
具体地，作为优选，所述二维水动力学畦灌模型的计算公式如下所示：
其中，t为水流推进时间，单位为s；h为所述地表水深，单位为m；u和v分别为沿x坐标方向及y坐标方向上的垂向均布流速，单位为m/s；q和p分别为沿x坐标方向及y坐标方向上的单宽流量，单位为m3/(s·m)；g为重力加速度，单位为m/s2；ζ为地表水位相对高程，且ζ＝地表水深+畦面相对高程，单位为m；nA为平行于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位s/m1/3；nB为垂直于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位s/m1/3；i为地表水入渗率，单位为m/s；β为畦面浅沟及作物种植方向与x坐标方向之间的夹角。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的各向异性畦面糙率的获取方法，通过借助目标畦田的方位布置选择上述两个实验条田，并由此获得两个实验条田的一维各向同性畦面糙率，然后基于各向异性畦面糙率在数学上的张量属性，利用各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程，可计算得到畦面浅沟及作物种植方向与畦梗呈任意旋转角度的二维各向异性畦面糙率。该二维各向异性畦面糙率能够更真实地反映出畦面地表对水流的阻力作用，利于提高地面灌溉水动力学(也可理解为畦灌水动力学)的模拟精度，进而获得更精确的灌溉性能指标。可见，本发明实施例提供的各向异性畦面糙率的获取方法不仅简单实用，且精确可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的第一实验条田和第二实验条田与目标畦田的位置关系示意图。
附图标记分别表示：
1 目标畦田，
2 第一实验条田，
3 第二实验条田，
n1 基于第一实验条田的第一各向同性畦面糙率，
n2 基于第二实验条田的第二各向同性畦面糙率，
nA 平行于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的各向异性畦面糙率的畦面糙率分量，
nB 垂直于目标畦面畦面浅沟及作物种植方向上的各向异性畦面糙率的畦面糙率分量，
β 畦面浅沟及作物种植方向与x坐标方向之间的夹角。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种各向异性畦面糙率的获取方法，包括以下步骤：
步骤101、预选平行于目标畦田1的长度方向的第一实验条田2，以及平行于目标畦田1的宽度方向的第二实验条田3，分别获取第一实验条田2的第一地表水流推进过程数据和第二实验条田3的第二地表水流推进过程数据。其中，该目标畦田1可以理解为方块形。
步骤102、根据第一地表水流推进过程数据和第二地表水流推进过程数据，利用一维水动力学畦灌模型，分别获得第一各向同性畦面糙率和第二各向同性畦面糙率。
步骤103、将第一各向同性畦面糙率和第二各向同性畦面糙率代入各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程中，求解得到目标畦田1的各向异性畦面糙率，各向异性畦面糙率包括平行和垂直于目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量。
其中，第一实验条田2和第二实验条田3与目标畦田1的位置关系，以及由第一实验条田2得到的第一各向同性畦面糙率和由第二实验条田3得到的第二各向同性畦面糙率，与基于目标畦田1的各向异性畦面糙率之间所构成的椭圆如附图1所示。由图1可知，第一实验条田2的长度方向平行于目标畦田1的长度方向，而第二实验条田3的长度方向平行于目标畦田1的宽度方向，且保证第一实验条田2和第二实验条田3的畦面浅沟及作物种植方向均与目标畦田1的畦面浅沟及作物种植方向相一致。椭圆中的点n1代表基于第一实验条田2中的第一地表水流推进过程数据得到的第一各向同性畦面糙率，椭圆中的点n2代表基于第二实验条田3中的第二地表水流推进过程数据得到的第二各向同性畦面糙率，椭圆中的nA代表平行目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的各向异性畦面糙率的畦面糙率分量；椭圆中的nB代表垂直于目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的各向异性畦面糙率的畦面糙率分量。
本发明实施例提供的各向异性畦面糙率的获取方法，通过借助目标畦田1的方位布置选择上述第一实验条田2和第二实验条田3，并由此获得两个实验条田的一维各向同性畦面糙率，然后基于各向异性畦面糙率在数学上的张量属性，利用各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程，可计算得到畦面浅沟及作物种植方向与畦梗呈任意旋转角度的二维各向异性畦面糙率。该二维各向异性畦面糙率能够更真实地反映出畦面地表对水流的阻力作用，利于提高地面灌溉水动力学(也可理解为畦灌水动力学)的模拟精度，进而获得更精确的灌溉性能指标。可见，本发明实施例提供的各向异性畦面糙率的获取方法不仅简单实用，且精确可靠。
具体地，上述的第一地表水流推进过程数据和第二地表水流推进过程数据所包括的数据信息应当是同种类型的，其具体包括可实际测量得到的地表水深、沿实验条田长度方向上的水流推进时间；沿实验条田长度方向上的垂向均布流速、沿实验条田长度方向上的单宽流量、畦面相对高程、地表水入渗率。其中，畦面相对高程指的是畦田地表高程的相对值。可以理解的是，获取地表水流推进过程数据为本领域的现有技术，本发明实施例在此并不对地表水流推进过程数据的具体获取过程进行限定。
进一步地，基于上述第一地表水流推进过程数据和第二地表水流推进过程数据，利用一维水动力学畦灌模型分别获得第一各向同性畦面糙率n1和第二各向同性畦面糙率n2。其中，一维水动力学畦灌模型的计算公式如下所示：
其中，t为上述的水流推进时间，单位为s；h为上述的地表水深，单位为m；u为上述的沿实验条田长度方向上的垂向均布流速，单位为m/s；q为上述的沿实验条田长度方向上的单宽流量，单位为m3/(s·m)；g为重力加速度，单位为m/s2；ζ为地表水位相对高程，且ζ＝地表水深+畦面相对高程，单位为m；n为各向同性畦面糙率，单位s/m1/3；i为上述的地表水入渗率，单位为(m/s)。
进一步地，在求解目标畦田1的各向异性畦面糙率过程中所应用的椭圆方程如下所示：
其中，nA为平行于目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量；nB为垂直于目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量。而第一各向同性畦面糙率n1在x坐标方向上和y坐标方向上均对应有分量x1和y1；相应地，第二各向同性畦面糙率n2在x坐标方向上和y坐标方向上均对应有分量x2和y2，由于x1、y1、x2和y2均为已知值，所以在此基础上将容易地获得nA和nB的值，即获得各向异性畦面糙率。
在利用上述方法获得目标畦田1的各向异性畦面糙率的基础上，第二方面，本发明实施例提供了一种该各向异性畦面糙率在地面灌溉过程中的应用。
具体地，该应用包括：确定各向异性畦面糙率的模拟精度，然后将各向异性畦面糙率应用到二维水动力学畦灌模型中，来对目标畦田1的灌溉性能进行分析与评价。
具体地，上述的确定各向异性畦面糙率的模拟精度包括以下步骤：
步骤201、将各向异性畦面糙率代入二维水动力学畦灌模型中，获取各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值；同时，将基于所述目标畦田1的各向同性畦面糙率代入二维水动力学畦灌模型中，获取各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值。其中，基于所述目标畦田1的各向同性畦面糙率通过现有技术提供的方法即可获取，本发明实施例在此不对其获取过程作更具体限定。
步骤202、计算各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值与地表水流推进过程数据的实测值之间的第一平均相对误差；同时，计算各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值与地表水流推进过程数据的实测值之间的第二平均相对误差。其中，步骤201和步骤202中所述的地表水流推进过程数据优选为水流推进时间。
步骤203、根据第一平均相对误差和第二平均相对误差来确定各向异性畦面糙率的模拟精度。
其中，步骤201中所述的二维水动力学畦灌模型的计算公式如下所示：
其中，t为水流推进时间，单位为s；h为地表水深，单位为m；u和v分别为沿x坐标方向及y坐标方向上的垂向均布流速，单位为m/s；q和p分别为沿x坐标方向及y坐标方向上的单宽流量，单位为m3/(s·m)；g为重力加速度，单位为m/s2；ζ为地表水位相对高程，且ζ＝地表水深+畦面相对高程，单位为m；nA为平行于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位s/m1/3；nB为垂直于目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位s/m1/3；；i为地表水入渗率，单位为m/s；β为畦面浅沟及作物种植方向与x坐标方向之间的夹角。此处，x坐标方向及y坐标方向分别指的是沿目标畦田的畦长和畦宽方向。
本领域技术人员可以理解的是，上述一维水动力学畦灌模型和二维水动力学畦灌模型的计算可以通过在计算机中建立对应的数学模型即可实现。
进一步地，步骤202中，所述的平均相对误差可以通过如下计算公式计算得到：
其中，和分别为地表水流推进到畦田第i测点时，所实际测量得到的水流推进时间和利用二维水动力学畦灌模型计算得到的模拟时间，单位为min；M为畦田内的测点个数。
以下将通过具体实施例进一步描述本发明。
实施例1
本实施例对新疆建设兵团某团场区内的3块畦田进行各向异性的畦面糙率的获取，对这3块畦田分别编号，依次为#1、#2、#3，其中，表1示出了这3块畦田的几何尺寸及采用现有技术获取的，基于这三个畦田的各向同性畦面糙率，表1具体如下所示：
表1
然后，利用本发明实施例上述的方法，来获取这三个畦田的各向异性畦面糙率，具体步骤如下：
步骤1、任意畦面浅沟与作物种植方向下，设置平行于目标畦田的第一试验条田和第二实验条田。观测这两个试验条田内的地表水流推进过程数据。基于这两个试验条田的两组地表水流推进数据，利用一维水动力学畦灌模型，可获得第一各向同性畦面糙率n1和第二各向同性畦面糙率n2。
步骤2、根据求解二元二次方程的基本原理，将n1和n2代入各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程中，获取平行于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的各向异性畦面糙率的畦面糙率分量nA，以及垂直于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的各向异性畦面糙率的畦面糙率分量nB。具体结果如表2所示：
表2
步骤3、把获得的nA和nB代入二维水动力学畦灌模型，获取各向异性畦面糙率下的地表水流推进时间的模拟值。同时，将表1中所示的各向同性畦面糙率对应代入二维水动力学畦灌模型中，获取各向同性畦面糙率下的地表水流推进时间的模拟值。
步骤4、计算各向异性畦面糙率下的地表水流推进时间的模拟值与地表水流推进时间的实测值之间的第一平均相对误差；同时，计算各向同性畦面糙率下的地表水流推进时间的模拟值与地表水流推进时间的实测值之间的第二平均相对误差，以定量对比各向异性畦面糙率与各向同性畦面糙率之间的模拟精度。该结果如表3所示：
表3
由表3可知，采用各向异性畦面糙率后，二维水动力学畦灌模型的模拟精度得以显著提高。
进一步地，本实施例还进行了步骤4、根据所获取的各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值和各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值，来计算各畦田的灌溉性能指标的模拟值。其中，灌溉性能指标包括灌溉均匀度Ea和储水效率CU，这两者的计算公式分别如下所示：
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为畦田的节点数目；t为水流推进时间；k和α均为实测的土壤入渗参数。
测试结果如表4所示：
表4
由表4可知，基于各向异性畦面糙率的灌溉性能指标模拟值与基于各向同性畦面糙率的灌溉性能指标模拟值的差异较大。而由表3的数据可知，基于各向异性畦面糙率的灌溉性能指标模拟值，更加接近物理事实。故由此可知，利用本发明实施例提供的方法得到的各向异性畦面糙率，能有效提高灌溉水动力学的模拟精度和灌溉性能评价与分析的能力。
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。

Claims (8)

1.一种各向异性畦面糙率的获取方法，包括：步骤a、预选平行于目标畦田的长度方向的第一实验条田，以及平行于所述目标畦田的宽度方向的第二实验条田，分别获取所述第一实验条田的第一地表水流推进过程数据和所述第二实验条田的第二地表水流推进过程数据；
步骤b、根据所述第一地表水流推进过程数据和所述第二地表水流推进过程数据，利用一维水动力学畦灌模型，分别获得第一各向同性畦面糙率和第二各向同性畦面糙率；
步骤c、将所述第一各向同性畦面糙率和所述第二各向同性畦面糙率代入各向异性畦面糙率所满足的椭圆方程中，求解得到所述目标畦田的各向异性畦面糙率，所述各向异性畦面糙率包括平行和垂直于所述目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量。
2.根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述地表水流推进过程数据包括：地表水深、沿实验条田长度方向上的水流推进时间、沿实验条田长度方向的垂向均布流速、沿实验条田长度方向的单宽流量、畦面相对高程、地表水入渗率。
3.根据权利要求2所述的获取方法，其特征在于，所述一维水动力学畦灌模型的计算公式如下所示：
其中，t为沿实验条田长度方向上的水流推进时间，单位为s；h为地表水深，单位为m；u为沿实验条田长度方向上的垂向均布流速，单位为m/s；q为沿实验条田长度方向上的单宽流量，单位为m3/(s·m)；g为重力加速度，单位为m/s2；ζ为地表水位相对高程，且ζ＝地表水深+畦面相对高程，单位为m；n为各向同性畦面糙率，单位s/m1/3；i为地表水入渗率，单位为m/s，v为沿实验条田宽度方向上的垂向均布流速，x的坐标方向指的是沿试验条田长度的方向。
4.根据权利要求3所述的获取方法，其特征在于，所述椭圆方程如下所示：
其中，nA为平行于所述目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位为s/m1/3；nB为垂直于所述目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位为s/m1/3；
xn为各向同性畦面糙率在x坐标方向上对应的分量；
yn为各向同性畦面糙率在y坐标方向上对应的分量。
5.利用权利要求3-4任一项所述的方法获取得到的各向异性畦面糙率在地面灌溉过程中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述应用包括：确定所述各向异性畦面糙率的模拟精度，然后将所述各向异性畦面糙率应用到二维水动力学畦灌模型中，来对目标畦田的灌溉性能进行分析与评价。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，确定所述各向异性畦面糙率的模拟精度包括：
步骤α、将各向异性畦面糙率代入所述二维水动力学畦灌模型中，获取各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值；同时，将基于所述目标畦田的各向同性畦面糙率代入所述二维水动力学畦灌模型中，获取各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值；
步骤β、计算所述各向异性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值与地表水流推进过程数据的实测值之间的第一平均相对误差；同时，计算所述各向同性畦面糙率下的地表水流推进过程数据的模拟值与所述地表水流推进过程数据的实测值之间的第二平均相对误差；
步骤γ、根据所述第一平均相对误差和所述第二平均相对误差来确定所述各向异性畦面糙率的模拟精度。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述二维水动力学畦灌模型的计算公式如下所示：
其中，t为沿目标畦田长度方向上的水流推进时间，单位为s；h为所述地表水深，单位为m；u和v分别为沿x坐标方向及y坐标方向上的垂向均布流速，单位为m/s；q和p分别为沿x坐标方向及y坐标方向上的单宽流量，单位为m3/(s·m)；g为重力加速度，单位为m/s2；ζ为地表水位相对高程，且ζ＝地表水深+畦面相对高程，单位为m；nA为平行于目标畦田畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位s/m1/3；nB为垂直于目标畦田1畦面浅沟及作物种植方向上的畦面糙率分量，单位s/m1/3；i为地表水入渗率，单位为m/s；β为畦面浅沟及作物种植方向与x坐标方向之间的夹角。
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