CN111401750B - 一种水库灌区的田间水资源优化调配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库灌区的田间水资源优化调配方法，包括以下步骤：S1：确定水资源来源，并将其区分为骨干水库和小型水库；S2：对水库进行水量平衡模拟计算；S3：对水库进行采样，对采样水质进行标准检测，筛选合格水质；S4：对田间作物供水进行合格水质的供水过程模拟计算，确定灌溉水量；S5：构建水量最优调配模型，确定水量调配时间；S6：预测降雨量；S7：确定调配水量，完成水库灌区的田间水资源优化调配。本发明将骨干水库和小型水库联合供水，共同组成一个水库群，同时考虑田间降雨的随机性，使得灌区水资源产生最大化的经济效益，达到环保节约目的的同时也能保证灌区所需水质正常，保证水资源得到充分利用。
Description
技术领域
本发明属于农业资源调配技术领域，具体涉及一种水库灌区的田间水资源优化调配方法。
背景技术
实施水库调度和田间配水的目的在于在适当的时候将适量的水资源分配给各个田块和各种作物，使有限的水资源能产生最大的经济效益。若能将水库优化调度和田间优化配水有机地结合起来，将会使水资源得到真正合理有效的分配。但大多数整合优化调度模型只考虑了骨干水库供水，极少数考虑骨干水库和本地小型水源联合供水，使得田间水资源无法得到最优化使用。所以本发明提出了一种水库灌区的田间水资源优化调配方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决田间水资源调配的问题，提出了一种水库灌区的田间水资源优化调配方法。
本发明的技术方案是：一种水库灌区的田间水资源优化调配方法包括以下步骤：
S1：确定水库灌区的水资源来源，并将其区分为骨干水库和小型水库；
S2：分别对骨干水库和小型水库进行水量平衡模拟计算，得到骨干水库和小型水库的足够水量；
S3：基于骨干水库和小型水库的足够水量，分别对骨干水库和小型水库进行采样，对采样水质进行标准检测，筛选合格水质；
S4：对田间作物供水进行合格水质的供水过程模拟计算，确定灌溉水量；
S5：根据灌溉水量，构建水量最优调配模型，确定水量调配时间；
S6：基于水量调配时间，预测田间作物所属区域的降雨量；
S7：根据水量调配时间及降雨量对水库的影响结果，确定骨干水库和小型水库的调配水量，完成水库灌区的田间水资源优化调配。
本发明的有益效果是：本发明将骨干水库和小型水库联合供水，共同组成一个水库群，同时考虑田间降雨的随机性，将水库的优化调配和田间的优化配水过程有机结合，使得灌区水资源产生最大化的经济效益，达到环保节约目的的同时也能保证灌区所需水质正常，保证水资源得到充分利用。
进一步地，步骤S1中，区分骨干水库和小型水库的标准为：与田间作物的距离大于10km且水库蓄水量大于1000m3的水库为骨干水库，与田间作物的距离小于10km且水库蓄水量小于1000m3的水库为小型水库。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，区分骨干水库和小型水库可以在实际操作中，根据田间作物所需水量实时调配两种水库，保证水资源得到充分利用，减少浪费。
进一步地，步骤S2中，对骨干水库和小型水库进行水量平衡模拟计算，其水库的总库容水量V的计算公式为：
其中，B为水库的河谷宽度，L为水库蓄水后库区延伸长度，H为水库的最大坝前水深，K1为库尾蓄水断面系数，K0为坝址蓄水断面系数。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，模拟计算两种水库的水量便于调配时选择使用何种水库，且计算水库水量的公式简单易操作。
进一步地，步骤S3包括以下子步骤：
S31：基于骨干水库和小型水库的足够水量，采用重铬酸盐法检测水库采样水质的化学需氧量；
S32：若水库采样水质的化学需氧量正常，对水库采样水质的悬浮物含量C进行检测，其检测公式为：
其中，A为悬浮物与滤膜的重量，B为滤膜与称量瓶的重量，V为采样体积；
S33：若水库采样水质的悬浮物含量正常，采用亚甲基蓝-氯试验法检测采样水质的表面活性剂离子性，完成采样水质的标准检测，筛选出合格水质。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，检测水质是否达到灌溉标准可以减少有害水质对田间作物的伤害，排除有害水质，使得水资源对田间作物可以起到最大限度的灌溉滋润作用。
进一步地，步骤S4包括以下子步骤：
S41：对田间作物利用Jensen模型进行作物水分生产函数模拟计算，其函数表达式为：
其中，n为划分的作物生育期阶段数，i为作为生育阶段编号，ETai为第i生育阶段的实际蒸腾量，ETmi为第i生育阶段的潜在蒸腾量，Ya为实际蒸腾量对应的作物实际产量，Ym为潜在蒸腾量对应的作物潜在产量，λi为第i生育阶段的水分敏感指数；
S42：根据作物水分生产函数的计算结果，利用GreenLab模型对田间作物进行根系生长模拟；
S43：根据田间作物的根系生长模拟结果，计算田间作物的实际腾发量ET，其计算公式为：
其中，g1(a)为气候因素，g2(b)为作物种类因素，g3(c)为土壤因素，η为气候因素、作物种类因素和土壤因素中影响因素比例最大所占百分比；
S44：利用田间作物的作物水分生产函数、根系生长模拟结果和实际腾发量确定灌溉水量R，其灌溉水量R的计算公式为：
其中，确定加权系数c为0.65，
为作物水分生产函数的计算结果值，ET为田间作物的实际腾发量。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，对田间作为进行作物水分生产函数模拟计算可以有效地反映作物产量与供水状况之间的关系；对田间作物进行根系生长模拟时，以根系基本生长单元为基础，模拟根系的拓扑结构；计算田间作物的实际腾发量可以根据实际情况考虑各种外在因素对田间作物的影响。
进一步地，步骤S5包括以下子步骤：
S51：根据灌溉水量确定水量最优调配模型，水量最优调配模型的数学表述为最优调配时间min(T)，其计算公式为：
min(T)＝C1(Sm,Vm)+C2(S′m,V′m)
其中，C1为骨干水库第m时段的容水量，(Sm,Vm)为骨干水库第m时段末的效益损伤函数，C2为小型水库第m时段的容水量，S′m,V′m为小型水库第m时段末的效益损伤函数；
S52：对最优调配时间构造拉格朗日函数，得到函数L，其计算公式为：
L＝αC1(Sm,Vm)+βC2(S′m,V′m)+λR
其中，α为骨干水库的拉格朗日乘数，C1为骨干水库第m时段的容水量，(Sm,Vm)为骨干水库第m时段末的效益损伤函数，β为小型水库的拉格朗日乘数，C2为小型水库第m时段的容水量，S′m,V′m为小型水库第m时段末的效益损伤函数，R所需水量，λ为所需水量的拉格朗日乘数；
S53：对拉格朗日函数进行求解，使函数L的值最小；
S54：将函数L值最小时的时段作为水量调配时间。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，计算得到骨干水库和小型水库的具体调配时间，便于在适当的时间进行调配，既能保证田间作物得到及时灌溉，又能避免水资源的浪费。
进一步地，步骤S6包括以下子步骤：
S61：调取田间作物所属区域的历史降雨数据；
S62：对历史降雨数据进行离散，得到降雨离散数据；
S63：将降雨离散数据进行马尔科夫模拟计算，预测田间作物所属区域的降雨量。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，对田间作物所属区域的降雨量进行预测，考虑到农业降雨的随机性，避免了气候因素对水资源调配的影响；同时可节约部分水资源。
进一步地，步骤S7中，骨干水库的调配水量Rm，其计算公式为：
小型水库的调配水量R′m，其计算公式为：
其中，j为调配时段，j＝1,2,…,n，C1为骨干水库第m时段的容水量，C2为小型水库第m时段的容水量。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，对骨干水库和小型水量的调配水量进行精确计算，可避免资源浪费，使得灌区水资源产生最大的经济效益。
附图说明
图1为田间水资源优化调配方法的流程图；
图2为步骤S3的流程图；
图3为步骤S4的流程图；
图4为步骤S5的流程图；
图5为步骤S6的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种水库灌区的田间水资源优化调配方法包括以下步骤：
S1：确定水库灌区的水资源来源，并将其区分为骨干水库和小型水库；
S2：分别对骨干水库和小型水库进行水量平衡模拟计算，得到骨干水库和小型水库的足够水量；
S3：基于骨干水库和小型水库的足够水量，分别对骨干水库和小型水库进行采样，对采样水质进行标准检测，筛选合格水质；
S4：对田间作物供水进行合格水质的供水过程模拟计算，确定灌溉水量；
S5：根据灌溉水量，构建水量最优调配模型，确定水量调配时间；
S6：基于水量调配时间，预测田间作物所属区域的降雨量；
S7：根据水量调配时间及降雨量对水库的影响结果，确定骨干水库和小型水库的调配水量，完成水库灌区的田间水资源优化调配。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S1中，区分骨干水库和小型水库的标准为：与田间作物的距离大于10km且水库蓄水量大于1000m3的水库为骨干水库，与田间作物的距离小于10km且水库蓄水量小于1000m3的水库为小型水库。
以北京地区的某田间种植的西蓝花作物为例，距离此田间20km处的水库为骨干水库，距离此田间5km处的水库为小型水库。
在本发明中，区分骨干水库和小型水库可以在实际操作中，根据田间作物所需水量实时调配两种水库，保证水资源得到充分利用，减少浪费。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2中，对骨干水库和小型水库进行水量平衡模拟计算，其水库的总库容水量V的计算公式为：
其中，B为水库的河谷宽度，L为水库蓄水后库区延伸长度，H为水库的最大坝前水深，K1为库尾蓄水断面系数，K0为坝址蓄水断面系数。
对此田间的两种水库进行水量计算，骨干水库的水量为30000m3，小型水库的水量为900m3。
在本发明中，模拟计算两种水库的水量便于调配时选择使用何种水库，且计算水库水量的公式简单易操作。
在本发明实施例中，如图2所示，步骤S3包括以下子步骤：
S31：基于骨干水库和小型水库的足够水量，采用重铬酸盐法检测水库采样水质的化学需氧量；
S32：若水库采样水质的化学需氧量正常，对水库采样水质的悬浮物含量C进行检测，其检测公式为：
其中，A为悬浮物与滤膜的重量，B为滤膜与称量瓶的重量，V为采样体积；
S33：若水库采样水质的悬浮物含量正常，采用亚甲基蓝-氯试验法检测采样水质的表面活性剂离子性，完成采样水质的标准检测，筛选出合格水质。
在本发明中，检测水质是否达到灌溉标准可以减少有害水质对田间作物的伤害，排除有害水质，使得水资源对田间作物可以起到最大限度的灌溉滋润作用。
在本发明实施例中，如图3所示，步骤S4包括以下子步骤：
S41：对田间作物利用Jensen模型进行作物水分生产函数模拟计算，其函数表达式为：
其中，n为划分的作物生育期阶段数，i为作为生育阶段编号，ETai为第i生育阶段的实际蒸腾量，ETmi为第i生育阶段的潜在蒸腾量，Ya为实际蒸腾量对应的作物实际产量，Ym为潜在蒸腾量对应的作物潜在产量，λi为第i生育阶段的水分敏感指数；
S42：根据作物水分生产函数的计算结果，利用GreenLab模型对田间作物进行根系生长模拟；
S43：根据田间作物的根系生长模拟结果，计算田间作物的实际腾发量ET，其计算公式为：
其中，g1(a)为气候因素，g2(b)为作物种类因素，g3(c)为土壤因素，η为气候因素、作物种类因素和土壤因素中影响因素比例最大所占百分比，其值可根据实际情况而定；
S44：利用田间作物的作物水分生产函数、根系生长模拟结果和实际腾发量确定灌溉水量R，其灌溉水量R的计算公式为：
其中，确定加权系数c为0.65，
为作物水分生产函数的计算结果值，ET为田间作物的实际腾发量，不同作物的根系生长模拟结果不同，其可用于判断所需水量是否合适，若已达到根系生长模拟结果则表示水量合适，若未达到根系生长模拟结果则表示水量不足。
在本发明中，对田间作为进行作物水分生产函数模拟计算可以有效地反映作物产量与供水状况之间的关系；对田间作物进行根系生长模拟时，以根系基本生长单元为基础，模拟根系的拓扑结构；计算田间作物的实际腾发量可以根据实际情况考虑各种外在因素对田间作物的影响。
对此田间的西蓝花作物进行模拟计算，一季西蓝花需灌水三次，确定此田间的西蓝花作物一次所需灌水量为310m3，故此田间的西蓝花需要的灌水量为930m3，小型水库的水量无法满足灌溉需求。
在本发明实施例中，如图4所示，步骤S5包括以下子步骤：
S51：根据灌溉水量确定水量最优调配模型，水量最优调配模型的数学表述为最优调配时间min(T)，其计算公式为：
min(T)＝C1(Sm,Vm)+C2(S′m,V′m)
其中，C1为骨干水库第m时段的容水量，(Sm,Vm)为骨干水库第m时段末的效益损伤函数，C2为小型水库第m时段的容水量，S′m,V′m为小型水库第m时段末的效益损伤函数；
S52：对最优调配时间构造拉格朗日函数，得到函数L，其计算公式为：
L＝αC1(Sm,Vm)+βC2(S′m,V′m)+λR
其中，α为骨干水库的拉格朗日乘数，C1为骨干水库第m时段的容水量，(Sm,Vm)为骨干水库第m时段末的效益损伤函数，β为小型水库的拉格朗日乘数，C2为小型水库第m时段的容水量，S′m,V′m为小型水库第m时段末的效益损伤函数，R所需水量，λ为所需水量的拉格朗日乘数；
S53：对拉格朗日函数进行求解，使函数L的值最小；
S54：将函数L值最小时的时段作为水量调配时间。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，计算得到骨干水库和小型水库的具体调配时间，便于在适当的时间进行调配，既能保证田间作物得到及时灌溉，又能避免水资源的浪费。
在本发明实施例中，如图5所示，步骤S6包括以下子步骤：
S61：调取田间作物所属区域的历史降雨数据；
S62：对历史降雨数据进行离散，得到降雨离散数据；
S63：将降雨离散数据进行马尔科夫模拟计算，预测田间作物所属区域的降雨量。
对此田间所述区域进行降雨量预测，北京某田间该年的降雨量预测为448mm。结合小型水库和降雨共同对此田间进行灌溉，再从骨干水库调用30m3的水量继续补充灌溉。
在本发明中，对田间作物所属区域的降雨量进行预测，考虑到农业降雨的随机性，避免了气候因素对水资源调配的影响；同时可节约部分水资源。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S7中，骨干水库的调配水量Rm，其计算公式为：
小型水库的调配水量R′m，其计算公式为：
其中，j为调配时段，j＝1,2,…,n，C1为骨干水库第m时段的容水量，C2为小型水库第m时段的容水量。
对骨干水库和小型水量的调配水量进行精确计算，可避免资源浪费，使得灌区水资源产生最大的经济效益。
本发明的工作原理及过程为：本发明首先将灌区的水资源来源进行区分，将其区分为骨干水库和小型水库；然后对两种水库的水量和水质进行检测，保证进入田间的水质达到灌溉标准；再考虑降雨这一随机因素对田间作物的影响，保证水资源得到充分利用；最后根据水量分配结果，对两种水库进行有机调配。当降雨量和小型水库能满足灌溉需求时，则只调用小型水库进行引水；当降雨量和小型水库不能满足灌溉需求时，则将骨干水库的水引入小型水库进行灌溉，完成水库灌区的田间水资源优化调配。
本发明的有益效果为：本发明将骨干水库和小型水库联合供水，共同组成一个水库群，同时考虑田间降雨的随机性，将水库的优化调配和田间的优化配水过程有机结合，使得灌区水资源产生最大化的经济效益，达到环保节约目的的同时也能保证灌区所需水质正常，保证水资源得到充分利用。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定水库灌区的水资源来源，并将其区分为骨干水库和小型水库；
S2：分别对骨干水库和小型水库进行水量平衡模拟计算，得到骨干水库和小型水库的足够水量；
S3：基于骨干水库和小型水库的足够水量，分别对骨干水库和小型水库进行采样，对采样水质进行标准检测，筛选合格水质；
S4：对田间作物供水进行合格水质的供水过程模拟计算，确定灌溉水量；
S5：根据灌溉水量，构建水量最优调配模型，确定水量调配时间；
S6：基于水量调配时间，预测田间作物所属区域的降雨量；
S7：根据水量调配时间及降雨量对水库的影响结果，确定骨干水库和小型水库的调配水量，完成水库灌区的田间水资源优化调配。
2.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S1中，区分骨干水库和小型水库的标准为：与田间作物的距离大于10km且水库蓄水量大于1000m3的水库为骨干水库，与田间作物的距离小于10km且水库蓄水量小于1000m3的水库为小型水库。
3.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S2中，对骨干水库和小型水库进行水量平衡模拟计算，其水库的总库容水量V的计算公式为：
其中，B为水库的河谷宽度，L为水库蓄水后库区延伸长度，H为水库的最大坝前水深，K1为库尾蓄水断面系数，K0为坝址蓄水断面系数。
4.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31：基于骨干水库和小型水库的足够水量，采用重铬酸盐法检测水库采样水质的化学需氧量；
S32：若水库采样水质的化学需氧量正常，对水库采样水质的悬浮物含量C进行检测，其检测公式为：
其中，A为悬浮物与滤膜的重量，B为滤膜与称量瓶的重量，V1为采样体积；
S33：若水库采样水质的悬浮物含量正常，采用亚甲基蓝-氯试验法检测采样水质的表面活性剂离子性，完成采样水质的标准检测，筛选出合格水质。
5.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下子步骤：
S41：对田间作物利用Jensen模型进行作物水分生产函数模拟计算，其函数表达式为：
其中，n为划分的作物生育期阶段数，i为作为生育阶段编号，ETai为第i生育阶段的实际蒸腾量，ETmi为第i生育阶段的潜在蒸腾量，Ya为实际蒸腾量对应的作物实际产量，Ym为潜在蒸腾量对应的作物潜在产量，λi为第i生育阶段的水分敏感指数；
S42：根据作物水分生产函数的计算结果，利用GreenLab模型对田间作物进行根系生长模拟；
S43：根据田间作物的根系生长模拟结果，计算田间作物的实际腾发量ET，其计算公式为：
其中，g1(a)为气候因素，g2(b)为作物种类因素，g3(c)为土壤因素，η为气候因素、作物种类因素和土壤因素中影响因素比例最大所占百分比；
S44：利用田间作物的作物水分生产函数和实际腾发量确定灌溉水量R，其灌溉水量R的计算公式为：
其中，确定加权系数c为0.65，
为作物水分生产函数的计算结果值，ET为田间作物的实际腾发量。
6.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下子步骤：
S51：根据灌溉水量确定水量最优调配模型，水量最优调配模型的数学表述为最优调配时间min(T)，其计算公式为：
min(T)＝C1(Sm,Vm)+C2(S'm,V′m)
其中，C1为骨干水库第m时段的容水量，(Sm,Vm)为骨干水库第m时段末的效益损伤函数，C2为小型水库第m时段的容水量，(S'm,V′m)为小型水库第m时段末的效益损伤函数；
S52：对最优调配时间构造拉格朗日函数，得到函数L，其计算公式为：
L＝αC1(Sm,Vm)+βC2(S'm,V′m)+λR
其中，α为骨干水库的拉格朗日乘数，C1为骨干水库第m时段的容水量，(Sm,Vm)为骨干水库第m时段末的效益损伤函数，β为小型水库的拉格朗日乘数，C2为小型水库第m时段的容水量，(S'm,V′m)为小型水库第m时段末的效益损伤函数，R所需水量，λ为所需水量的拉格朗日乘数；
S53：对拉格朗日函数进行求解，使函数L的值最小；
S54：将函数L值最小时的时段作为水量调配时间。
7.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下子步骤：
S61：调取田间作物所属区域的历史降雨数据；
S62：对历史降雨数据进行离散，得到降雨离散数据；
S63：将降雨离散数据进行马尔科夫模拟计算，预测田间作物所属区域的降雨量。
8.根据权利要求1所述的水库灌区的田间水资源优化调配方法，其特征在于，所述步骤S7中，骨干水库的调配水量Rm，其计算公式为：
小型水库的调配水量R'm，其计算公式为：
其中，j为调配时段，j＝1,2,…,n，C1为骨干水库第m时段的容水量，C2为小型水库第m时段的容水量。
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