CN107025380A - 一种确定允许喷灌强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定允许喷灌强度的方法，属于灌溉领域。所述方法通过测量坡地的坡度、坡顶边界长度和坡长，然后根据坡地的坡度、坡顶边界长度和坡长对坡地网格化得到坡地包括的每个土壤块，构建每个土壤块的差分方程，通过对每个土壤块的差分方程进行求解最终得到允许喷灌强度，由于差分方程考虑地表滞蓄能力，使得确定的允许喷灌强度较合适，使土壤得到有效灌溉，且避免土壤有较深的积水，节省水资源。

Description

一种确定允许喷灌强度的方法
技术领域
本发明涉及灌溉领域，特别涉及一种确定允许喷灌强度的方法。
背景技术
单位时间内喷洒到地面的水层深度称为喷灌强度，喷灌强度过小，造成喷灌时间延长，水分蒸发损失加大；喷灌强度过大，会形成地表积水和径流，侵蚀表土，破坏土壤结构，影响喷灌效果。因此，在设计田间喷灌系统时，需要确定一个合适的喷灌强度，使得在喷灌过程中地表不产生径流，同时土壤结构基本上不被破坏，这个合适的喷灌强度最大值通常被称为土壤允许喷灌强度。
土壤允许喷灌强度受土壤类型、土壤的结构、湿度和机械组成、喷灌地段的坡度、雨滴粒径和喷洒历时等许多因素的影响。关于平地且不考虑地表滞蓄能力的允许喷灌强度确定，许多文献已有专门叙述，地面为倾斜情况和考虑地表滞蓄能力的允许喷灌强度研究尚不多见。与平地不同，喷灌地段具有复杂多变的几何形状，允许喷灌强度亦因地表滞蓄能力、土壤条件和地面倾斜度的透水性而异，因此考虑地表滞蓄能力的坡地允许喷灌强度的确定远比裸露平地喷灌强度的确定复杂。
目前对平地允许喷灌强度的确定也多靠试验或经验的方法，并无具体的计算方法；坡地允许喷灌强度的确定还一直是在平地允许喷灌强度的基础打一折减系数的方法得到坡地允喷灌强度。但这种方法确定的喷灌强度的准确性很低，而且也未考虑地表滞蓄能力，常常使确定的喷灌强度较小，导致土壤得不到有效灌溉，或者使确定的喷灌强度较大，导致土壤有较深的积水，浪费水资源。
发明内容
为了节省水资源，本发明提供了一种确定允许喷灌强度的方法。所述技术方案如下：
本发明提供了一种确定允许喷灌强度的方法，所述方法包括：
第一步：确定坡地的坡面、下边界、坡顶边界和坡脚边界，测量坡地的坡度α、坡顶边界长度H和坡长L；建立以所述坡地的顶点位置为坐标原点，以垂直坡面且向下方向为z轴正向，沿坡面向下方向为x轴正向的直角坐标系；
第二步：沿x轴方向以预设第一步长△x以及沿z轴方向以预设第二步长△z，对所述坡地的截面进行网格化，使所述坡地形成m*v个土壤块，m＝L/△x，v＝H/△z；所述m*v个土壤块包括M个内土壤块和N个外土壤块，所述外土壤块包括位于所述坡面上的土壤块，位于所述下边界上的土壤块、位于所述坡顶边界上的土壤块和位于坡脚边界上的土壤块，M＝(m-2)*(v-2)，N＝2(m+v-2)；
第三步：测量在所述坡地包括的每个土壤块(i,j)在第0单位时间内的土壤体积含水率其中i＝0、1……m，j＝0、1……v；
第四步：根据所述M个内土壤块中的每个内土壤块(i,j)，构建(m-1)×(v-1)个如公式(1)所示的差分方程，i＝1、2……m-1，j＝1、2……v-1；
在上述公式(1)中， 为土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i-1,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i+1,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j-1)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j+1)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j-1)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j+1)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i-1,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i+1,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头；为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率；为土壤块(i,j)在第k+1个单位时间内的土壤容水度，Δt为预设的单位时间的时长，Ks为预先测量的土壤饱和导水率；h为土壤负压水头；为土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤体积含水率，θs为预先测量的饱，θr为含水率和残余含水率；a、n为参数，k为单位时间的序号，k＝0、1、2……T，T为预设数值；
第五步：当地表无积水时，根据位于所述坡面上的每个外土壤块(i,0)，构建m+1个如公式(2)所示的差分方程，i＝0、1……m；
其中，在公式(2)中，I为预设的喷灌强度；
当地表有积水时，根据位于所述坡面上的每个外土壤块(i,0)，构建m+1个如公式(3)所示的差分方程，i＝0、1……m；
其中，在公式(3)中， I为预设的喷灌强度；
第六步：根据位于所述下边界上的每个外土壤块(i,v)，构建m+1个如公式(4)所示的差分方程，i＝0、1……m；
第七步：根据位于所述坡顶边界上的每个外土壤块(0,j)，构建v-1个如公式(5)所示的差分方程，j＝1……v-1；
其中，在公式(5)中，b0,j＝-c0,j＝1/Δx，s0,j＝-sinα；
第八步：根据位于所述坡脚边界上的每个外土壤块(m,j)，构建v-1个如公式(6)所示的差分方程，j＝1……v-1；
其中，在公式(6)中，am,j＝-bm,j＝1/Δx，sm,j＝-sinα；
第九步：根据每个内土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤体积含水率
第十步：当k达到预设数值T时，构建式(7)可得到所有单位时间内的地表土壤块(i，0)的负压水头最大值hmax，若hmax小于预设的地表滞蓄能力ZXNL，则将喷灌强度I增加一个预设值ΔI达到喷灌强度(I+ΔI)，返回第四步重新计算得到hmax，直至hmax大于或等于ZXNL为止，此时的喷灌强度(I+xy×ΔI)即为所要确定的允许喷灌强度，xy为反复计算的次数；
可选的，所述第九步包括：
对于第1个单位时间，确定第1个单位时间内的每个土壤块的第一含水率i＝0、1……m，j＝0、1……v；
根据每个土壤块的第一含水率和每个土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率计算出系数aij、bij、cij；
根据所述系数系数aij、bij、cij并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率
确定所述每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率是否满足如下公式(8)所示的条件，ε为允许的相对误差，为预设数值；
如果满足公式(8)所示的条件，则确定所述每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的土壤体积含水率等于第二含水率
可选的，所述方法还包括：
如果不满足公式(8)所示的条件，则将每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率分别确定为在第1个单位时间内的第一含水率然后执行所述根据每个土壤块的第一含水率和每个土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率计算出系数aij、bij、cij的操作。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
在本发明实施例中，测量坡地的坡度、坡顶边界长度和坡长，然后根据坡地的坡度、坡顶边界长度和坡长对坡地网格化得到坡地包括的每个土壤块，构建每个土壤块的差分方程，通过对每个土壤块的差分方程进行求解最终得到允许喷灌强度，由于差分方程考虑地表滞蓄能力，使得确定的允许喷灌强度较合适，使土壤得到有效灌溉，且避免土壤有较深的积水，节省水资源。
附图说明
图1-1是本发明实施例提供的一种确定允许喷灌强度的方法；
图1-2是本发明实施例提供的坡地截面图；
图1-3是本发明实施例提供的网格化的坡地截面图；
图2a至2f是本发明实施例提供的不同喷灌强度下的土壤剖面含水量分布；
图3a和3b是本发明实施例提供的不同坡度下允许喷灌强度与地表滞蓄能力关系；
图4a和4b是本发明实施例提供的不同地表滞蓄能力下的允许喷灌强度与坡度关系。
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。
实施例1
参见图1-1，本发明实施例提供了一种确定允许喷灌强度的方法，包括：
步骤101：确定坡地的坡面、下边界、坡顶边界和坡脚边界，测量坡地的坡度α、坡顶边界长度H和坡长L；建立以该坡地的顶点位置为坐标原点，以垂直坡面且向下方向为z轴正向，沿坡面向下方向为x轴正向的直角坐标系。
参见图1-2所示的坡地截面图，该坡地的坡面为AB面，该坡地的下边界为CD面，该坡地的坡顶边界为AD面，该坡地的坡脚边界为BC面，该坡地的坡度为坡面与水平面之间夹角的角度，即AB面与水平面之间的夹角的角度。
坡面AB、坡顶边界AD、下边界CD和坡脚边界CD可以构成一个矩形结构，即坡面AB与坡顶边界AD垂直，坡顶边界AD与下边界CD垂直，下边界CD与坡脚边界BC垂直，坡脚边界BC与坡面AB垂直。
终端可以与测量仪器相连，通过测量仪器可以测量出AB面与水平面之间的夹角的角度，即得到坡地的坡度α，测量坡顶边界长度H，以及测量AB面的长度，得到坡长L。其中，该坡地的下边界长度等于该坡长L，该坡地的坡脚边界的长度等于该坡顶边界的长度H。
参见图1-2，测量之后，终端根据测量的坡度α、坡顶边界长度H、坡长L建立以该坡地的顶点位置A为坐标原点，以垂直坡面AB且向下方向为z轴正向，沿坡面AB向下方向为x轴正向的直角坐标系，该z轴可以与坡顶边界AD重合，该x轴可以与坡面AB重合。
步骤102：沿x轴方向以预设第一步长△x以及沿z轴方向以预设第二步长△z，对该坡地的截面进行网格化，使该坡地形成m*v个土壤块。
其中，参见图1-3，m＝L/△x，v＝H/△z；m*v个土壤块包括M个内土壤块和N个外土壤块，外土壤块包括位于坡面AB上的土壤块，位于下边界CD上的土壤块、位于坡顶边界AD上的土壤块和位于坡脚边界BC上的土壤块，M＝(m-2)*(v-2)，N＝2(m+v-2)。
步骤103：测量在坡地包括的每个土壤块(i,j)在第0单位时间内的土壤体积含水率其中i＝0、1……m，j＝0、1……v。
终端可以与用于测量土壤体积含水率的设备相连，通过该设备测量每个土壤块(i,j)在第0单位时间内的土壤体积含水率
步骤104：根据该M个内土壤块中的每个内土壤块(i,j)，构建(m-1)×(v-1)个如公式(1)所示的差分方程，i＝1、2……m-1，j＝1、2……v-1。
在上述公式(1)中，
其中，为土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i-1,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i+1,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j-1)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j+1)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j-1)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j+1)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i-1,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i+1,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头；为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率；为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k+1个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k+1个单位时间内的平均负压水头，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均负压水头；为土壤块(i,j)在第k+1个单位时间内的土壤容水度，Δt为预设的单位时间的时长，Ks为预先测量的土壤饱和导水率；h为土壤负压水头；为土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤体积含水率，θs为预先测量的饱和含水率，θr为残余含水率；a、n为参数，k为单位时间的序号，k＝0、1、2……T，T为预设数值。
步骤105：①当地表无积水时，根据位于该坡面上的每个外土壤块(i,0)，构建m+1个如公式(2)所示的差分方程，i＝0、1……m；
其中，在公式(2)中，I为预设的喷灌强度；
②当地表有积水时，根据位于所述坡面上的每个外土壤块(i,0)，构建m+1个如公式(3)所示的差分方程，i＝0、1……m；
其中，在公式(3)中， I为预设的喷灌强度；
其中，可以先计算出如果大于0表明地表有积水，否则，表明地表无积水。
步骤106：根据位于该下边界上的每个外土壤块(i,v)，构建m+1个如公式(4)所示的差分方程，i＝0、1……m；
步骤107：根据位于该坡顶边界上的每个外土壤块(0,j)，构建v-1个如公式(5)所示的差分方程，j＝1……v-1；
其中，在公式(5)中，b0,j＝-c0,j＝1/Δx，s0,j＝-sinα；
步骤108：根据位于该坡脚边界上的每个外土壤块(m,j)，构建v-1个如公式(6)所示的差分方程，j＝1……v-1；
其中，在公式(6)中，am,j＝-bm,j＝1/Δx，sm,j＝-sinα。
步骤109：根据每个内土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤体积含水率
1091：首先从第1个单位时间开始计算，即k＝1，对于第1个单位时间，假定确定第1个单位时间内的每个土壤块的第一含水率i＝0、1……m，j＝0、1……v。
1092：根据每个土壤块的第一含水率和每个土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率计算出系数aij、bij、cij；
其中，
其中
1093：根据系数系数aij、bij、cij并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率
其中，根据系数系数aij、bij、cij并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的土壤体积含水率将每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的土壤体积含水率分别作为在第1个单位时间内的第二含水率即
1094：确定每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率是否满足如下公式(7)所示的条件，ε为允许的相对误差，为预设数值；
1095：如果满足公式(7)所示的条件，则确定每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的土壤体积含水率等于第二含水率即
如果满足公式(7)所示的条件后开始计算第2个单位时间，即k＝2，并返回从1091开始执行。
1096：如果不满足公式(7)所示的条件，则将每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率分别作为在第1个单位时间内的第一含水率即然后返回执行1092的操作；
步骤110：当k达到预设数值T时，构建式(8)可得到所有单位时间内的地表土壤块(i，0)的负压水头最大值hmax，若hmax小于预设的地表滞蓄能力ZXNL，则将喷灌强度I增加一个较小值ΔI达到喷灌强度I＝(I+ΔI)，返回第四步重新计算得到hmax，直至hmax大于或等于ZXNL为止，并将此时的喷灌强度I确定为所要的允许喷灌强度。ZXNL为预设数值。
在本发明实施例中，测量坡地的坡度、坡顶边界长度和坡长，然后根据坡地的坡度、坡顶边界长度和坡长对坡地网格化得到坡地包括的每个土壤块，构建每个土壤块的差分方程，通过对每个土壤块的差分方程进行求解最终得到允许喷灌强度，由于差分方程考虑地表滞蓄能力，使得确定的允许喷灌强度较合适，使土壤得到有效灌溉，且避免土壤有较深的积水，节省水资源。
接下来通过一个实例对本方法进行验证和使用
试验坡面坡长L＝20m、宽B＝2m、坡度α＝15°，坡面表面植被覆盖率95％、土壤饱和含水率θs＝0.413、土壤饱和导水率Ks＝25cm/day、土壤残余含水率θr＝0.0563、a＝0.005、n＝1.7、植被滞蓄能力ZXNL＝10mm，地表土壤饱和或有积水状态下的蒸发强度为4.514×10- 4cm/min、不饱和状态下的蒸发强度为E(t)＝0.0011θcm/min。
参见图2a至2f，为了验证方法的准确性，以9.6mm/h、10.4mm/h、11.2mm/h、12mm/h、13.5mm/h、14mm/h六种灌溉强度对方法进行验证，喷灌时间300min，土壤含水率用TDR观测，在沿坡面距坡顶距离5m、10m、15m处垂直埋设TDR探头，探头沿垂直剖面埋设的深度分别5cm、10cm、15cm、25cm、35cm、50cm、70cm、90cm、110cm。数值模拟中，图2a至2f分别描述了不同喷灌强度下、喷灌时间与不深度土壤的含水量的变化，空间步长Δx＝100cm，Δz＝2cm，时间步长Δt取0.01。以距坡顶距离10m处的土壤含水量分布为研究对象，限于篇幅，本文给出t＝10min、150min、300min、400min的土壤含水量分布。研究结果显示本方法计算值与实测值的相对误差不超过10％，表明本文提出的方法具有较好的计算精度，能够用于有植被覆盖影响的土壤允许喷灌强度研究。
本试验和模拟结果显示，当喷灌强度I＝9.6mm/h和10.4mm/h时，地表不产生积水；当喷灌强度I＝11.2mm/h和12mm/h时，地表因有作物覆盖滞蓄积水但不产生径流，灌溉水全部渗入土壤，这一结果表明允许喷灌强度还应与地表作物滞蓄能力有关；当喷灌强度I＝13.5mm/h和14mm/h时，地表积水超高作物滞蓄能力的那部分灌溉水形成了径流流走而不能渗入土壤，因此本文试验条件下的允许喷灌强度取值不应大于13.5mm/h。
由图2a至2f可知，不同喷灌强度下的土壤含水量的分布差异较大。当地表没有积水时(I＝9.6mm/h和10.4mm/h)，湿润峰的推进深度约为60cm；当地表有积水时(I＝11.2mm/h和12mm/h)，湿润锋的推进深度明显变大，且积水越深，湿润锋的推进深度越大，当I＝11.2mm/h和12mm/h时(t＝400min)的湿润锋推进深度分别约为200cm和250cm。已有研究成果表明，虽然深层土壤有效含水量较高，但因作物深层根量分布较少使得其利用深层水分有限，说明全部渗入土壤中的灌溉水未必更够为作物利用。由此得出一个结论，允许喷灌强度还应与土壤含水量的分布有关。以冬小麦为例，冬小麦根系下扎虽深达180cm，而且下层根系吸水功能较强，有效水量较大，但终因根系分布量太少，致使作物利用水分的土层深度只达120cm，吸收的水量大多来自0～60cm土层。也就是说，灌溉冬小麦地块上的湿润锋推进深度不宜超高120cm，因此针对本文土样，在喷灌持续时间一定的情况下，冬小麦的允许喷灌强度取值范围为10.4-11.2mm/h。
灌溉水能否全部渗入土壤，取决于喷灌强度与土壤入渗率的大小。入渗开始时，地表含水率的梯度绝对值很大，入渗率亦很高，喷灌强度小于入渗率，灌溉水全部渗入土壤；随着入渗的进行，地表含水率的梯度绝对值不断减小，入渗率也随之降低，当入渗率小于喷灌强度时，若地表无作物覆盖则会形成径流，若有作物覆盖则会形成积水但不会形成径流，直至积水深度超过作物滞蓄能力才会形成径流。本文试验和计算结果显示，在形成径流的喷灌强度I＝13.5mm/h和14mm/h下，当喷灌时间t小于84min和75min时，喷灌强度小于入渗率，喷灌水量全部渗入土壤，分别为18.9mm和17.5mm；当喷灌时间t小于281min和244min时，地表积水达到作物滞蓄能力但尚未形成径流，作物滞蓄的积水最终也将全部渗入土壤，灌溉水累积入渗分别为63.2mm和56.9mm；若此时已入渗的水量能够满足作物灌水定额的需要，那么就可以停止灌溉。由此可知，允许喷灌强度还应与喷灌持续时间和作物灌水定额有关。
方法应用及结果分析
对样土在不同滞蓄能力、不同坡度、不同喷灌强度情况下分别进行模拟计算。由上述分析可知，影响允许喷灌强度的因素较多，限于篇幅，本文以冬小麦为例，灌水定额取40mm，喷灌持续时间根据喷灌强度确定，但考虑到喷灌时间过长会使水分蒸发损失加大，喷灌持续时间不超过300min。植被滞蓄能力分别假定为0mm、5mm、10m、15mm、20mm，土地坡度分别假定为0°、15°、25°、35°、45°，喷灌强度I起始取值为8mm/h，以Δt＝0.1mm/h的间隔逐个取值带入本文建立的方法进行模拟试验研究，图3a和3b为本方法计算得到的允许喷灌强度与滞蓄能力和坡度的关系。
由图3a和3b可知，当考虑土壤深层渗漏时，不同坡面坡度下的允许喷灌强度随着滞蓄能力的增大先增大后保持基本恒定，这是因为地表滞蓄的水层越深，湿润锋推进的深度也越大，超过土壤计划湿润层的深层渗漏水也越多，所以选择的允许喷灌强度不能过大；当不考虑土壤深层渗漏时，不同坡面坡度下的允许喷灌强度随着地表滞蓄能力的增大而增大，这是因为地表滞蓄能力越大，地表越不容易产生径流，允许喷灌强度就越大。
由图4a和4b可知，无论是否考虑土壤深层渗漏，不同滞蓄能力下的允许喷灌强度均随着坡面坡度的增大而减小。
应用最小二乘法，拟合得到的考虑土壤深层渗漏和不考虑土壤深层渗漏下的允许喷灌强度与滞蓄能力和坡面坡度的定量关系分别为式(9)和(10)：
i＝2.011ZXNL0.026-0.072α+11.57 R2＝0.95 (9)
i＝0.203ZXNL1.429-0.094α+12.343 R2＝0.98 (10)
式中，i为允许喷灌强度，mm·h-1；ZXNL为地表植被滞蓄能力，mm；α为坡地坡度，度。
式(9)和(10)的相关系数分别为0.95和0.98，说明拟合效果较好，式(9)和(10)的代表性很强，能够通过这两个公式初步估算类似本模拟试验条件下的允许喷灌强度。值得注意的是，本试验条件下的沿斜坡方向喷灌强度相同，喷灌面积上的水量均匀分布，但事实上，坡地喷灌强度和喷洒水量分布的不均匀性是客观存在的，那么沿坡地不同位置上的允许喷灌强度也应有所差异。在坡地喷灌中，喷头的间距、管路的间距、喷头布置形式、单喷头的水量分布图形和地面坡度是影响坡地喷灌强度和喷灌水量分布的重要因素，本文没有研究这些因素与坡地允许喷灌强度之间的关系，需要今后进一步研究。另外，灌水定额、土壤质地和作物种类也是确定坡地允许喷灌强度需要考虑的因素，而本文受试验条件和试验资料限制仅以冬小麦和固定灌水定额为对象，初步研究了地表作物滞蓄和坡度对坡地允许喷灌强度的影响，相关成果尚需进一步论证。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种确定允许喷灌强度的方法，其特征在于，所述方法包括：
第一步：确定坡地的坡面、下边界、坡顶边界和坡脚边界，测量坡地的坡度α、坡顶边界长度H和坡长L；建立以所述坡地的顶点位置为坐标原点，以垂直坡面且向下方向为z轴正向，沿坡面向下方向为x轴正向的直角坐标系；
第二步：沿x轴方向以预设第一步长△x以及沿z轴方向以预设第二步长△z，对所述坡地的截面进行网格化，使所述坡地形成m*v个土壤块，m＝L/△x，v＝H/△z；所述m*v个土壤块包括M个内土壤块和N个外土壤块，所述外土壤块包括位于所述坡面上的土壤块，位于所述下边界上的土壤块、位于所述坡顶边界上的土壤块和位于坡脚边界上的土壤块，M＝(m-2)*(v-2)，N＝2(m+v-2)；
第三步：测量在所述坡地包括的每个土壤块(i,j)在第0单位时间内的土壤体积含水率其中i＝0、1……m，j＝0、1……v；
第四步：根据所述M个内土壤块中的每个内土壤块(i,j)，构建(m-1)×(v-1)个如公式(1)所示的差分方程，i＝1、2……m-1，j＝1、2……v-1；
在上述公式(1)中， 为土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i-1,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i+1,j)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j-1)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j+1)在第k+1个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j-1)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i,j+1)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i-1,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头，为土壤块(i+1,j)在第k个单位时间内的土壤负压水头；为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i+1,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i-1,j)和(i,j)在第k个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j)和(i,j+1)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率，为土壤块(i,j-1)和(i,j)在第k+1个单位时间内的平均土壤导水率；为土壤块(i,j)在第k+1个单位时间内的土壤容水度，Δt为预设的单位时间的时长，Ks为预先测量的土壤饱和导水率；h为土壤负压水头；为土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤体积含水率，θs为预先测量的饱和含水率，θr为残余含水率；a、n为参数，k为单位时间的序号，k＝0、1、2……T，T为预设数值；
第五步：当地表无积水时，根据位于所述坡面上的每个外土壤块(i,0)，构建m+1个如公式(2)所示的差分方程，i＝0、1……m；
其中，在公式(2)中，I为预设的喷灌强度；
当地表有积水时，根据位于所述坡面上的每个外土壤块(i,0)，构建m+1个如公式(3)所示的差分方程，i＝0、1……m；
其中，在公式(3)中， I为预设的喷灌强度；
第六步：根据位于所述下边界上的每个外土壤块(i,v)，构建m+1个如公式(4)所示的差分方程，i＝0、1……m；
第七步：根据位于所述坡顶边界上的每个外土壤块(0,j)，构建v-1个如公式(5)所示的差分方程，j＝1……v-1；
其中，在公式(5)中，b0,j＝-c0,j＝1/Δx，s0,j＝-sinα；
第八步：根据位于所述坡脚边界上的每个外土壤块(m,j)，构建v-1个如公式(6)所示的差分方程，j＝1……v-1；
其中，在公式(6)中，am,j＝-bm,j＝1/Δx，sm,j＝-sinα；
第九步：根据每个内土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第k个单位时间内的土壤体积含水率
第十步：当k达到预设数值T时，构建式(7)可得到所有单位时间内的地表土壤块(i，0)的负压水头最大值hmax，若hmax小于预设的地表滞蓄能力ZXNL，则将喷灌强度I增加一个预设值ΔI达到喷灌强度(I+ΔI)，返回第四步重新计算得到hmax，直至hmax大于或等于ZXNL为止，此时的喷灌强度(I+xy×ΔI)即为所要确定的允许喷灌强度，xy为反复计算的次数；
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第九步包括：
对于第1个单位时间，确定第1个单位时间内的每个土壤块的第一含水率i＝0、1……m，j＝0、1……v；
根据每个土壤块的第一含水率和每个土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率计算出系数aij、bij、cij；
根据所述系数系数aij、bij、cij并通过上述(m-1)×(v-1)个公式(1)、m+1个公式(2)或(3)、m+1个公式(4)、(v+1)个公式(5)和(v+1)公式(6)，计算出每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率
确定所述每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率是否满足如下公式(8)所示的条件，ε为允许的相对误差，为预设数值；
如果满足公式(8)所示的条件，则确定所述每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的土壤体积含水率等于第二含水率
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果不满足公式(8)所示的条件，则将每个土壤块(i,j)在第1个单位时间内的第二含水率分别确定为在第1个单位时间内的第一含水率然后执行所述根据每个土壤块的第一含水率和每个土壤块在第0单位时间内的土壤体积含水率计算出系数aij、bij、cij的操作。
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