CN109376902A - 一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法，首先根据降水数据及作物生育期，确定典型作物枯水年，然后根据作物需水需求、蒸发数据及降水数据，确定关键场次降水，以此为依据，结合坡耕地农田水量平衡公式，对比理论垄沟洼地储流最大值与关键场次降水及降雨期间入渗量和蒸发量关系，进而确定垄沟布设相关参数，该方法充分考虑作物需水需求，重点关注作物枯水年降水特征，可显著提高干旱半干旱地区雨水利用率，提高作物产量。

Description

一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，特别是指一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法。

背景技术

气候变化和人类活动影响下，降雨计极端事件频繁发生，对雨养农业生产造成极大的不确定性。同时，我国坡耕地面积约占全国耕地面积的1/3，坡耕地由于地形等原因多数不能进行灌溉，因此，充分利用雨水资源是坡耕地农业研究的热点，针对这一问题国内外学者开展了大量研究。其中，垄沟布设是坡耕地雨养农业一项重要措施，但目前多数研究多集中在降低水土流失量、控制面源污染角度出发，缺少从作物需水过程出发，充分利用雨水资源的垄沟布设方案研究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法，通过综合考虑作物枯水年、作物关键场次降水、垄沟入渗量和蒸发量，构建坡耕地垄沟优化布局方法，充分利用关键场次降水，提高作物产量。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法，包括：

(1)对研究区日降水数据进行筛选，将作物生育期内的日降水数据提取并加和后作为年降水量，称为作物年降水量。

(2)对研究区作物年降水量数据进行排频计算并通过PⅢ曲线拟合得到研究区典型作物枯水年对应年份。

(3)根据典型作物枯水年的降水数据、蒸发数据，对坡耕地田块进行水量平衡计算：

式中，SW_i+1、SW_i表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤水量，mm；SWC_i+1、SWC_i表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤体积含水量，cm³/cm³；ds表示坡耕地耕作层厚度，mm；P_i表示第i天的降水量，mm；E_i表示第i天的降水量蒸发量，mm；j表示研究区典型作物枯水年的对应年份的天数。

(4)根据公式(1)绘制作物典型枯水年坡耕地农田水分变化曲线，确定关键场次降水P'，断定标准为连续三天耕作层土壤体积含水量低于田间持水量的50％后的首次降水。若整个作物生育期出现多次关键降水，以降水所处作物生育期为依据进行排序，选择排首位降水作为关键场次降水P'，将其作为为垄沟优化布局的依据。

(5)根据水量平衡原理，坡耕地农田水循环公式为：

P＝E+I+F+WD (2)

其中，P为坡耕地农田净降水量，mm；E为降水期间农田蒸散发量，mm；I为降水期间坡耕地农田入渗量，mm；F为降水期间坡耕地农田产流量，mm；WD为降水结束后坡耕地垄沟中洼地储流量，mm。

(6)面向作物需水过程的坡耕地垄沟优化布局方法的核心在于，通过优化垄沟参数，将关键场次降水的降水最大化的存储在垄沟中，将坡耕地垄沟概化为等腰梯形(图1)，据此计算坡耕地垄沟中理论洼地储流量WD'。图1中，α是坡耕地坡度，β田垄等腰梯形角度，n是田垄等腰梯形的底边长度，d是田垄等腰梯形的上边长度，p是田垄的间距，也是田沟底边的长度。则长度为l的垄沟理论洼地储流量为：

单位面积坡耕地上布设长度为1的田垄沟的条数为m，m计算公式为：

则单位面积上理论垄沟洼地储流量为：

(7)构建单目标优化模型，其中目标函数为：

约束函数为：其中，h_max、n_max、p_max分别为等腰梯形田垄高度、田垄底边和田沟底边的最大值，约束函数表示田垄的底角在0～90°之间，田垄的高度在0～h_max之间，田垄底边在0～n_max之间，田沟底边0～p_max之间。

求解上述多目标函数获得使WD'最大的垄沟布局参数。

(8)根据公式(2)，当WD'_max＞P'-I'-E'时，说明农田降水量不能将垄沟洼地填满，此时，以农田降水量为依据，进行坡耕地田垄沟参数的确定。当WD'_max≤P'-I'-E'，按照步骤(7)优化得到的参数进行坡耕地垄沟布设。其中，E'为关键场次降水P'降雨期间农田蒸散发量，mm；I'为关键场次降水P'降雨期间坡耕地农田入渗量。

附图说明

在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。

在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。

图1为根据本发明的坡耕地垄沟参数示意图，

其中：1：田垄；2：田沟；WD'：理论垄沟洼地储流量；α：坡耕地坡度，β：田垄等腰梯形角度，n：是田垄等腰梯形的底边长度，d：田垄等腰梯形的上边长度，p：田垄的间距(或田沟底边的长度)，据此计算坡耕地垄沟中理论洼地储流量。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。

一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法包括以下步骤：

1：构建坡耕地农田水量平衡模型。

根据水量平衡原理，坡耕地农田水循环公式为：

P＝E+I+F+WD (2)

其中，P为坡耕地农田净降水量，mm；E为降水期间农田蒸散发量，mm；I为降水期间坡耕地农田入渗量，mm；F为降水期间坡耕地农田产流量，mm；WD为降水结束后坡耕地垄沟中洼地储流量，mm。

2：优化得到理论垄沟洼地储流量最大值。

(1)面向作物需水过程的坡耕地垄沟优化布局方法的核心在于，通过优化垄沟参数，将关键场次降水的降水最大化的存储在垄沟中，将坡耕地垄沟概化为等腰梯形(图1)，据此计算坡耕地垄沟中理论洼地储流量WD'。图1中，α是坡耕地坡度，β田垄等腰梯形角度，n是田垄等腰梯形的底边长度，d是田垄等腰梯形的上边长度，p是田垄的间距，也是田沟底边的长度。则长度为l的垄沟理论洼地储流量为：

单位面积坡耕地上布设长度为1的田垄沟的条数为m，m计算公式为：

则单位面积上理论垄沟洼地储流量为：

(2)构建单目标优化模型，其中目标函数为：

约束函数为：其中，h_max、n_max、p_max分别为等腰梯形田垄高度、田垄底边和田沟底边的最大值，约束函数表示田垄的底角在0～90°之间，田垄的高度在0～h_max之间，田垄底边在0～n_max之间，田沟底边0～p_max之间。

求解上述多目标函数获得使WD'最大的垄沟布局参数。

3：获取研究区作物关键场次降水。

(1)对研究区日降水数据进行筛选，将作物生育期内的日降水数据提取并加和后作为年降水量，称为作物年降水量。

(2)对研究区作物年降水量数据进行排频计算并通过PⅢ曲线拟合得到研究区典型作物枯水年对应年份。

(3)根据典型作物枯水年的降水数据、蒸发数据，对坡耕地田块进行水量平衡计算：

式中，SW_i+1、SW_i表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤水量，mm；SWC_i+1、SWC_i表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤体积含水量，cm³/cm³；ds表示坡耕地耕作层厚度，mm；P_i表示第i天的降水量，mm；E_i表示第i天的降水量蒸发量，mm；j表示研究区典型作物枯水年的对应年份的天数。

(4)根据公式(1)绘制作物典型枯水年坡耕地农田水分变化曲线，确定关键场次降水P'，断定标准为连续三天耕作层土壤体积含水量低于田间持水量的50％后的首次降水。若整个作物生育期出现多次关键降水，以降水所处作物生育期为依据进行排序，选择排首位降水作为关键场次降水P'，将其作为为垄沟优化布局的依据。

4对比分析确定垄沟布局优化参数。

根据公式(2)，当WD'_max＞P'-I'-E'时，说明农田降水量不能将垄沟洼地填满，此时，以农田降水量为依据，进行坡耕地田垄沟参数的确定。当WD'_max≤P'-I'-E'，按照步骤(7)优化得到的参数进行坡耕地垄沟布设。其中，E'为关键场次降水P'降雨期间农田蒸散发量，mm；I'为关键场次降水P'降雨期间坡耕地农田入渗量。

Claims (1)

1.一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法，其特征在于，包括：

(1)对研究区日降水数据进行筛选，将作物生育期内的日降水数据提取并加和后得到作物年降水量；

(2)对作物年降水量数据进行排频计算并通过PⅢ曲线拟合得到研究区典型作物枯水年的对应年份；

(3)根据作物枯水年的降水数据、蒸发数据，对坡耕地田块进行水量平衡计算：

式中，SW_i+1、SW_i表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤水量，mm；SWC_i+1、SWC_i表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤体积含水量，cm³/cm³；ds表示坡耕地耕作层厚度，mm；P_i表示第i天的降水量，mm；E_i表示第i天的降水量蒸发量，mm；j表示研究区典型作物枯水年的对应年份的天数；

(4)根据公式(1)绘制作物典型枯水年坡耕地农田水分变化曲线，确定关键场次降水P'，断定标准为连续三天耕作层土壤体积含水量低于田间持水量的50％后的首次降水，若整个作物生育期出现多次关键降水，以降水所处作物生育期为依据进行排序，选择排首位降水作为关键场次降水P'，将其作为为垄沟优化布局的依据；

(5)根据水量平衡原理，坡耕地农田水循环公式为：

P＝E+I+F+WD (2)

其中，P为坡耕地农田净降水量，mm；E为降水期间农田蒸散发量，mm；I为降水期间坡耕地农田入渗量，mm；F为降水期间坡耕地农田产流量，mm；WD为降水结束后坡耕地垄沟中洼地储流量，mm；

(6)通过优化垄沟参数，将关键场次降水的降水最大化的存储在垄沟中，将坡耕地垄沟概化为等腰梯形，α是坡耕地坡度，β田垄等腰梯形角度，n是田垄等腰梯形的底边长度，h是田垄等腰梯形的高度；d是田垄等腰梯形的上边长度，p是田垄的间距，据此计算坡耕地垄沟中理论洼地储流量WD'，长度为l的垄沟理论洼地储流量为：

单位面积坡耕地上布设长度为1的田垄沟的条数为m，m计算公式为：

则单位面积上理论垄沟洼地储流量为：

(7)构建单目标优化模型，其中目标函数为：

约束函数为：其中，h_max、n_max、p_max分别为等腰梯形田垄高度、田垄底边和田沟底边的最大值，约束函数表示田垄的底角在0～90°之间，田垄的高度在0～h_max之间，田垄底边在0～n_max之间，田沟底边0～p_max之间；

求解上述多目标函数获得使WD'最大的垄沟布局参数；

(8)根据公式(2)，当WD'_max＞P'-I'-E'时，说明农田降水量不能将垄沟洼地填满，此时，以农田降水量为依据，进行坡耕地田垄沟参数的确定，当WD'_max≤P'-I'-E'，按照步骤(7)优化得到的参数进行坡耕地垄沟布设，其中，E'为关键场次降水P'降雨期间农田蒸散发量，mm；I'为关键场次降水P'降雨期间坡耕地农田入渗量。