CN113887151A - 一种灌溉排水过程模拟及预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于灌溉技术领域，公开一种灌溉排水过程模拟及预测方法，包括：步骤1：针对灌区水循环特点构建灌区的水文模型；步骤2：确定所述水文模型需要率定的参数；步骤3：利用通过参数率定后的水文模型对情景方案进行模拟，得到灌溉排水过程及排水量；步骤4：分别采用水均衡法、分项法、引排比法计算灌区的排水量；步骤5：根据多方法协作优化策略耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法分别得出的排水量，得到校核后的排水总量；步骤6：选取水文模型的模拟灌溉排水过程作为典型排水过程，根据所述排水总量进行同倍比放大，得到灌区逐日排水过程。通过本发明得到的排水过程更符合实际情况。

Description

一种灌溉排水过程模拟及预测方法
技术领域
本发明属于灌溉技术领域，尤其涉及一种灌溉排水过程模拟及预测方法。
背景技术
灌区灌溉排水是农业灌溉中不可避免的伴生过程，研究灌溉排水规律及过程是提高农业水资源利用效率的有效途径之一。目前关于灌溉排水过程的研究多通过建立灌区分布式水文模型，模拟分析灌区水文循环过程。水文模型是研究流域或区域水文循环过程的重要方法，通过模型刻画出水分运动过程的物理过程，模拟降雨、蒸散发、坡面流、河道流、地下径流以及各个水文过程之间的交互作用，如图1所示。
一般来说水文模型由数个独立且相互联系的基于过程的模块构成，主要包括坡面流、河流和湖泊、不饱和带/包气带、蒸散发、饱和带等模块，每个子模块都表示对一个主要的水文过程的描述，根据不同的模拟要求，综合起来就可以描述流域的水文循环过程。
水文模型在模拟灌区水文循环过程中也存在一些局限性：
(1)对于水文模型来说，所需基础资料、参数众多又较为复杂，模型本身具有不确定性，模拟结果可能会有一些误差，水文模型的不确定性研究也是水文科学面临的重要问题，且目前国内对于水文模型的不确定性研究尚且较少；
(2)对于灌区来说，灌区灌溉排水过程受作物类型、灌溉过程、人为因素、排灌系统、气象因素、地下水运动条件、土壤属性等多种因素的共同作用，其形成过程及变化规律较为复杂，水文模型难以反映真实的灌溉排水过程。
发明内容
本发明针对单通过水文模型进行灌溉排水过程模拟及预测存在误差的问题，提出一种灌溉排水过程模拟及预测方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种灌溉排水过程模拟及预测方法，包括：
步骤1：针对灌区水循环特点构建灌区的水文模型；
步骤2：确定所述水文模型需要率定的参数；
步骤3：利用通过参数率定后的水文模型对情景方案进行模拟，得到灌溉排水过程及排水量；
步骤4：分别采用水均衡法、分项法、引排比法计算灌区的排水量；
步骤5：根据多方法协作优化策略耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法分别得出的排水量，得到校核后的排水总量；
步骤6：选取水文模型的模拟灌溉排水过程作为典型排水过程，根据所述排水总量进行同倍比放大，得到灌区逐日排水过程。
进一步地，所述需要率定的参数包括：
排水沟糙率、沟道渗漏系数、坡面流曼宁系数、非饱和带土壤饱和含水率和饱和导水率、饱和带的水力传导系数、排水时间常数。
进一步地，所述水均衡法包括：
确定灌区水平衡系统的输入项和输出项；所述输入项包括降雨量、灌溉水量、侧向补给量，所述输出项包括灌区退水量、潜水蒸发量、地下水开采量以及灌区排水量；
构建灌区水平衡方程：
ΔW地＝W降雨+W灌溉-W潜水蒸发-W排水±W侧向-W开采 (3)
式中，ΔW地为地下水蓄变量；W降雨为降雨量补给；W灌溉为灌溉入渗补给量；W潜水蒸发为蒸散发量；W排水为排水量；W侧向为侧向补排量差值，补给大于排泄为正，否则为负；W开采为地下水开采量。
进一步地，所述分项法包括：
根据降雨补给量、田间排水量、排水沟地下水补给量、蒸发损失量，计算得到灌区排水量，公式为：
W＝Wp+Wf+Q-WE (4)
式中，W为灌区排水量；Wp为降雨补给量；Wf为田间排水量；Q为排水沟地下水补给量；WE为蒸发损失量；
式中，
Figure BDA0003282845050000021
Figure BDA0003282845050000022
其中，Q为排水沟地下水补给量；K为渗透系数；L为集水廊道长度；H1为排水沟左右两侧水位均值；h为沟内水深；R为影响半径；S为地下水补给沟道方向的水位差，S＝△H-h；△H为沟底以上两侧地下水位稳定处，含水层的厚度；qr为引用流量；H为含水层厚度。
进一步地，所述引排比法包括：
根据灌区的历史引、排水情况计算得到灌区引排比β：
β＝耗水量/排水量
耗水量＝引水量-退水量
通过耗水量和灌区引排比β即可预测排水量。
进一步地，所述多方法协作优化策略包括：
Figure BDA0003282845050000031
式中，Pj为校核后的排水总量；Ps为水文模型模拟排水量；Ph为水均衡法计算排水量；Pf为分项法计算排水量；Py为引排比法计算排水量；a、b、c、d分别表示水文模型法、水均衡法、分项法、引排比法的相对重要程度，可取1～10间任意数值，数值越大代表重要程度越高，即a/sum(a,b,c,d)、b/sum(a,b,c,d)、c/sum(a,b,c,d)、d/sum(a,b,c,d)分别表示水文模型法、水均衡法、分项法、引排比法得出的排水量在校核后的排水总量中所占权重。
进一步地，所述步骤6包括：
选取水文模型的模拟灌溉排水过程作为典型排水过程，对选取的典型排水过程进行放大，使放大后的时段总排水量等于校核后的排水总量，即可得到优化后的灌溉排水过程；放大倍比的计算过程如下：
k＝Pj/Pd (7)
式中，k为放大倍比；Pj为校核后的排水总量；Pd为典型排水过程的排水总量。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提出了一种灌溉排水过程模拟及预测方法，具体包括两个策略：首先提出多方法协作优化策略，即通过耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法等多种既有或原创方法进行分析计算，运用异原理多方法进行排水总量校核，最大程度地减小了模拟结果误差；其次以水文模型模拟结果作为典型排水过程，利用同倍比法对典型排水过程进行“放大”，计算得到的排水过程更符合实际情况，可为灌区排水过程的模拟预测提供可靠的技术支撑。
附图说明
图1为流域水文循环示意图；
图2为本发明实施例一种灌溉排水过程模拟及预测方法的基本流程图；
图3为本发明实施例排水沟地下水补给概化图；
图4为本发明实施例灌区多年引排比变化情况；
图5为本发明实施例模型范围及地表高程；
图6为本发明实施例方案A、B逐日排水过程；
图7为本发明实施例方案B、C、D逐日排水过程。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
如图2所示，一种灌溉排水过程模拟及预测方法，包括：
步骤S101：针对灌区水循环特点构建灌区的水文模型；
具体地，所述水文模型包括：
1)坡面流
坡面流是降雨扣除蒸发、植被截留后，净雨率大于下渗率时，而产生的地表径流。随后不断累积，沿坡面汇入河网，并最终到达流域出口。坡面径流受降雨、地形、坡面粗糙度、下渗强度等因素影响。坡面流用来计算地表坡面漫流流向河道的水量，当建立MIKE11模型时，坡面流模块是必不可少的，因为坡面漫流提供了河道水流的横向补给。模型采用有限差分法模拟坡面流，输入参数分别是曼宁系数、滞蓄水深和初始地表水深。
2)河流和湖泊
河流和湖泊利用水动力模型进行模拟，模型能够做较为全面的计算，用圣维南方程进行一维的河道演算，包括水位和流量的计算。耦合后可以对对地表和地下的水流动力过程进行完整的、动态的耦合模拟。一维河道模型以简化的圣维南一维水动力学模型为原理，能够对河道的水量变化过程进行很好的模拟，并与流域产汇流之间进行相应的水量交换。圣维南一维水动力基本方程如下：
Figure BDA0003282845050000041
Figure BDA0003282845050000051
式中：x为距离坐标，t为时间坐标，A为过水断面面积，Q为流量，q为旁测入流量，n为河床糙率系数，R为水力半径，g为重力加速度。
3)非饱和带
非饱和带是指以地表为上边界，地下水位为下边界的非饱和水流区域，非饱和带土壤含水量和土壤水势的变化受非饱和水流运动过程的影响，此外，地表水下渗至非饱和带土壤中的水量以及非饱和带与饱和带之间的水量交换过程也受到非饱和带水流运动过程的控制。非饱和带上部受降水、蒸发和下渗的影响，土壤含水量波动较大，下边界受地下水位的波动发生相应的改变。水文模型在计算不饱和带模块主要采用三种方法：一是Richards方程；二是模拟简单的重力水出流过程；三是两层水量平衡模型。
4)蒸散发
在水文模型蒸散发模块的计算中，需要运用气象和植被覆盖数据对降雨蒸发进行预测。其中包括植物冠层对降雨量的吸收、由植物冠层降落到土壤层的水量以及植物冠层、土壤表面和根系的蒸发量等决定因素。
5)饱和带
饱和带模块用于计算流域中饱和地下水流运动。水文模型可以描述三维水流于异质含水层不定边界上的运动。模型对时空变换的独立参数，采用三维达西方程进行模拟，并用隐式有限差分进行数值求解。三维饱和流在饱和土壤孔隙中的水流控制方程如下：
Figure BDA0003282845050000052
其中，Kxx、Kyy、Kzz分别是模型沿x、y、z方向的水力传导率，他们都假设平行于水力传导率的主轴方向；h是地下水水头，Q表示的是单位面积上的流量的源漏项，S是贮水系数。
饱和带模块需要定义地质层和数值层，地质层包括各地层的属性，如含水层底标高、水平和垂直方向上的水力传导系数、给水度以及储水度，各水文地质参数一般采用经验值且需要率定。
步骤S102：确定所述水文模型需要率定的参数；
进一步地，所述需要率定的参数包括：
排水沟糙率、沟道渗漏系数、坡面流曼宁系数、非饱和带土壤饱和含水率和饱和导水率、饱和带的水力传导系数、排水时间常数。
步骤S103：利用通过参数率定后的水文模型对情景方案进行模拟，得到灌溉排水过程及排水量；
步骤S104：分别采用水均衡法、分项法、引排比法计算灌区的排水量；
具体地，所述水均衡法包括：
灌区水平衡系统的输入项包括降雨量、灌溉水量、侧向补给量等；输出项包括灌区退水量、潜水蒸发量、地下水开采量以及灌区排水量。根据上述分析，灌区水平衡方程可以表示为：
ΔW地＝W降雨+W灌溉-W潜水蒸发-W排水±W侧向-W开采 (3)
式中，ΔW地为地下水蓄变量(万m3)；W降雨为降雨量补给(万m3)；W灌溉为灌溉入渗补给量(万m3)；W潜水蒸发为蒸散发量(万m3)；W排水为排水量(万m3)；W侧向为侧向补排量差值(万m3)，补给大于排泄为正，否则为负；W开采为地下水开采量(万m3)。
具体地，所述分项法包括：
灌区排水主要由排水系统承接的降雨补给、田间灌溉水漫流和侧渗补给以及地下水补给组成；排水沟水量损失主要为蒸发、下渗，地下水水位较高时排水沟补给地下水的水量有限，基本可以忽略不计，主要的消耗项即为水面蒸发。
根据降雨补给量、田间排水量、排水沟地下水补给量、蒸发损失量，计算得到灌区排水量，公式为：
W＝Wp+Wf+Q-WE (4)
式中，W为灌区排水量(万m3)；Wp为降雨补给量(万m3)；；Wf为田间排水量(万m3)；Q为排水沟地下水补给量(万m3)；WE为蒸发损失量(万m3)。
大气降水补给通过排水沟接受产生灌区地表排水，根据降雨量、排水沟总面积等计算排水沟直接接受的降雨补给量。
田间排水量包括超过田埂的漫流排水与耕作层产生的深层渗漏水，漫流排水与田埂高度有关，深层渗漏水为灌水入田后，除去储存于耕作层内的多余水量，最终通过田间沟道形成排水。
排水沟地下水补给量(地下水对排水沟补给水量)的计算，目前没有现成的标准依据或方法，本实施例将排水沟概化为无压非完整双面进水式渗渠，其计算公式如下：
Figure BDA0003282845050000071
Figure BDA0003282845050000072
式中，Q为排水沟地下水补给量(出水量)(m3)；T为排水时长(d)；K为渗透系数(m/d)；L为集水廊道长度(m)；R为影响半径(m)；H为含水层厚度(m)；S为地下水补给沟道方向的水位差(m)，S＝△H-h；△H为沟底以上两侧地下水位稳定处，含水层的厚度(m)；h为沟内水深(m)。
地下水补给排水沟计算概化图如图3所示。
具体地，所述引排比法包括：
引排比可以反映灌区灌排比例情况，可根据灌区近年来引、排水情况计算得到灌区引排比β，由于灌溉退水未进入田间，不参与灌区水循环过程，显然排水与耗水的关系更为紧密，在此有灌区引排比β＝耗水量/排水量，耗水量＝引水量-退水量，而引水量和退水量为已知量，则通过耗水量和灌区引排比β即可预测排水量。引排比受灌区排水系统工程建设及运行情况影响，一般来说呈稳定变化趋势。某灌区多年引排比变化情况见图4所示。
步骤S105：根据多方法协作优化策略耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法分别得出的排水量，得到校核后的排水总量；
具体地，所述多方法协作优化策略包括：
通过耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法等多种方法进行分析计算，形成多方法协作优化策略，运用异原理多方法进行排水总量校核，策略表达如下：
Figure BDA0003282845050000073
式中，Pj为校核后的排水总量(万m3)；Ps为水文模型模拟排水量(万m3)；Ph为水均衡法计算排水量(万m3)；Pf为分项法计算排水量(万m3)；Py为引排比法计算排水量(万m3)；a、b、c、d分别表示水文模型法、水均衡法、分项法、引排比法的相对重要程度，可取1～10间任意数值，数值越大代表重要程度越高，即a/sum(a,b,c,d)、b/sum(a,b,c,d)、c/sum(a,b,c,d)、d/sum(a,b,c,d)分别表示水文模型法、水均衡法、分项法、引排比法得出的排水量在校核后的排水总量中所占权重。
步骤S106：选取水文模型的模拟灌溉排水过程作为典型排水过程，根据所述排水总量进行同倍比放大，得到灌区逐日排水过程。
具体地，同倍比法包括：
该策略要求对选取的典型排水过程进行“量比”放大，使放大后的时段总排水量等于校核后的排水总量，即可得到该策略优化后的灌溉排水过程，策略表达如下：
k＝Pj/Pd (7)
式中，k为放大倍比；Pj为上述校核后的排水总量(万m3)；Pd为典型排水过程的排水总量，在此将水文模型模拟结果作为典型排水过程(万m3)。
作为一种具体的可实施方式，将本实施例所提出的灌溉排水过程模拟及预测方法应用在内蒙古黄河南岸灌区，进行灌区排水过程模拟预测。以内蒙古南岸灌区为研究对象，在研究灌区排水规律及其影响因素的基础上，搭建模型数据库，建立了符合灌区实际的分布式水文模型，如图5所示。
模型配置完成后开始运行调参，参考相关文献并经过不断测试，通过观察模拟结果改变的大小程度，确定岀最终需要率定的主要参数。根据率定期模拟结果，选取率定参数主要包括河床糙率、沟道渗漏系数、坡面流曼宁系数、非饱和带土壤饱和含水率和饱和导水率、饱和带的水力传导系数、排水时间常数等。参数率定结果见表1。
表1模型参数率定结果
Figure BDA0003282845050000081
Figure BDA0003282845050000091
根据多方法协作优化策略，利用水文模型、水均衡法、分项法、引排比法等多种方法进行数值校核，本实施例例各方法重要程度均取1，即权重相同。各情景方案下各方法预测及校核结果见表2。
表2多方法预测及校核结果单位：万m3
Figure BDA0003282845050000092
按照校核结果，将水文模型模拟结果作为典型排水过程，根据排水总量进行同倍比放大。最终得到通过多方法协作优化策略及同倍比法分析计算后，灌区逐日排水过程(见图6～图7)。
由上可知，本实施例方法预测排水过程及总量更接近灌区实际情况。水文模型本身具有一定的不确定性，模型模拟结果可能会有一些误差。虽然模型参数率定可以提高准确程度，但相关系数R、均方差RMSE与纳什效率系数(E)等率定指标，侧重于评价整个排水过程的拟合程度，对于排水总量没有较好的约束及控制。由表2可见，水文模型模拟结果大多偏小，利用多方法协作优化策略校核后的结果误差相对更小，更接近灌区实际情况。由于水文模型模拟的排水过程与实际排水过程有较高的拟合程度，在此将模型模拟结果作为典型排水过程，利用同倍比法对典型排水过程进行“放大”，计算得到的排水过程也更符合实际排水过程。
对于土壤盐碱化严重、水资源禀赋较差的灌区，本实施例方法可应用在灌溉排水量预测及资源化评估等研究中。详细论证不同条件下的灌区排水量，评估分析其为工、农业生产及生态供水的可行性和可靠性，节流开源，为灌区排水资源化利用提供技术支撑，具有较好的实用效果和应用价值。
综上，本发明提出了一种灌溉排水过程模拟及预测方法，具体包括两个策略：首先提出多方法协作优化策略，即通过耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法等多种既有或原创方法进行分析计算，运用异原理多方法进行排水总量校核，最大程度地减小了模拟结果误差；其次以水文模型模拟结果作为典型排水过程，利用同倍比法对典型排水过程进行“放大”，计算得到的排水过程更符合实际情况，可为灌区排水过程的模拟预测提供可靠的技术支撑。
以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，包括：
步骤1：针对灌区水循环特点构建灌区的水文模型；
步骤2：确定所述水文模型需要率定的参数；
步骤3：利用通过参数率定后的水文模型对情景方案进行模拟，得到灌溉排水过程及排水量；
步骤4：分别采用水均衡法、分项法、引排比法计算灌区的排水量；
步骤5：根据多方法协作优化策略耦合水文模型、水均衡法、分项法、引排比法分别得出的排水量，得到校核后的排水总量；
步骤6：选取水文模型的模拟灌溉排水过程作为典型排水过程，根据所述排水总量进行同倍比放大，得到灌区逐日排水过程。
2.根据权利要求1所述的一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，所述需要率定的参数包括：
排水沟糙率、沟道渗漏系数、坡面流曼宁系数、非饱和带土壤饱和含水率和饱和导水率、饱和带的水力传导系数、排水时间常数。
3.根据权利要求1所述的一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，所述水均衡法包括：
确定灌区水平衡系统的输入项和输出项；所述输入项包括降雨量、灌溉水量、侧向补给量，所述输出项包括灌区退水量、潜水蒸发量、地下水开采量以及灌区排水量；
构建灌区水平衡方程：
ΔW地＝W降雨+W灌溉-W潜水蒸发-W排水±W侧向-W开采 (3)
式中，ΔW地为地下水蓄变量；W降雨为降雨量补给；W灌溉为灌溉入渗补给量；W潜水蒸发为蒸散发量；W排水为排水量；W侧向为侧向补排量差值，补给大于排泄为正，否则为负；W开采为地下水开采量。
4.根据权利要求1所述的一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，所述分项法包括：
根据降雨补给量、田间排水量、排水沟地下水补给量、蒸发损失量，计算得到灌区排水量，公式为：
W＝Wp+Wf+Q-WE (4)
式中，W为灌区排水量；Wp为降雨补给量；Wf为田间排水量；Q为排水沟地下水补给量；WE为蒸发损失量；
式中，
Figure FDA0003282845040000021
其中，Q为排水沟地下水补给量；K为渗透系数；L为集水廊道长度；H1为排水沟左右两侧水位均值；h为沟内水深；R为影响半径；S为地下水补给沟道方向的水位差，S＝△H-h；△H为沟底以上两侧地下水位稳定处，含水层的厚度；qr为引用流量；H为含水层厚度。
5.根据权利要求1所述的一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，所述引排比法包括：
根据灌区的历史引、排水情况计算得到灌区引排比β：
β＝耗水量/排水量
耗水量＝引水量-退水量
通过耗水量和灌区引排比β即可预测排水量。
6.根据权利要求1所述的一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，所述多方法协作优化策略包括：
Figure FDA0003282845040000022
式中，Pj为校核后的排水总量；Ps为水文模型模拟排水量；Ph为水均衡法计算排水量；Pf为分项法计算排水量；Py为引排比法计算排水量；a、b、c、d分别表示水文模型法、水均衡法、分项法、引排比法的相对重要程度，可取1～10间任意数值，数值越大代表重要程度越高，即a/sum(a,b,c,d)、b/sum(a,b,c,d)、c/sum(a,b,c,d)、d/sum(a,b,c,d)分别表示水文模型法、水均衡法、分项法、引排比法得出的排水量在校核后的排水总量中所占权重。
7.根据权利要求1所述的一种灌溉排水过程模拟及预测方法，其特征在于，所述步骤6包括：
选取水文模型的模拟灌溉排水过程作为典型排水过程，对选取的典型排水过程进行放大，使放大后的时段总排水量等于校核后的排水总量，即可得到优化后的灌溉排水过程；放大倍比的计算过程如下：
k＝Pj/Pd (7)
式中，k为放大倍比；Pj为校核后的排水总量；Pd为典型排水过程的排水总量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114266174A (zh) * 2022-03-02 2022-04-01 武汉大学 一种基于多水文变量的水文模型参数率定方法
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