CN113960699B - 一种田间旱涝急转等级判别方法 - Google Patents

一种田间旱涝急转等级判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种田间旱涝急转等级判别方法，包括以下步骤：S1、提出旱涝急转等级判定的计算方法；S2、通过模拟实验装置模拟旱涝急转情景，并获取实验数据，通过实验数据校验步骤S1的计算方法；S3、按照步骤S2中校验过的计算方法来判定旱涝急转等级。本发明通过理论计算和模拟实验校验结合的方式，建立旱涝急转中的旱与干旱持续天数、土壤相对湿度、空气流动速度、植物蒸腾速率的关系，涝与降雨量的关系，进而判定旱涝急转等级，为旱涝急转的理论和实验研究提供科学依据，计算结果数据化，能够更直观地表达旱涝急转等级。

Description

一种田间旱涝急转等级判别方法
技术领域
本发明涉及水文学及水资源技术领域，尤其涉及不同作物在气候变化情景下的旱涝急转等级判别方法。
背景技术
受到全球气候变化的影响，流域/区域的降水时间尺度上分布极端不均匀性更加凸显，旱涝急转事件发生频率、强度也显著增加，因此旱涝急转事件日益成为气象、水文、农业等相关领域研究的热点问题之一。
目前，相关研究主要关注气象学意义的旱涝急转事件，而实现气象-水文耦合系统分析旱涝急转特征以及旱涝急转事件对生态环境影响田间实验研究相对较少。《旱情等级标准》(SL424-2008)中对旱情等级的划分仅考虑干旱天数。
研究使用的结论多以轻度、中度、重度的干旱或洪涝来结合进行描述旱涝急转的情形，不同人对于轻度、中度、重度的理解没法统一；此外，该领域的模式试验装置结构单一，且无法反映真实情景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种田间旱涝急转等级判别方法，通过理论计算和模拟实验校验结合的方式，建立旱涝急转中的旱与干旱持续天数、土壤相对湿度、空气流动速度、植物蒸腾速率的关系，涝与降雨量的关系，判定旱涝急转等级，为旱涝急转的理论和实验研究提供科学依据。解决了旱涝急转等级判定方法中参数单一，判定准确度和参考价值较低的问题。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种田间旱涝急转等级判别方法，包括以下步骤：
S1、提出旱涝急转等级判定的计算方法；
S2、通过模拟实验装置模拟旱涝急转情景，并获取实验数据，通过实验数据校验步骤S1的计算方法；
S3、按照步骤S2中校验过的计算方法来判定旱涝急转等级。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1包括：
S1-1、获取干旱等级
Figure GDA0003848156350000011
的判定参数，获取条件为：
Figure GDA0003848156350000021
Figure GDA0003848156350000022
Figure GDA0003848156350000025
Figure GDA0003848156350000026
获取洪涝等级
Figure GDA00038481563500000235
的判定参数，获取条件为：
Figure GDA0003848156350000023
式中：i，干旱持续天数；j，开始降雨日；
Figure GDA0003848156350000027
有效降水量；
Figure GDA0003848156350000028
第m天的土壤相对湿度(％)，j-i≤m≤j；
Figure GDA0003848156350000029
第m天的土壤平均重量含水量(％)，Fc为土壤田间持水量(％)；
Figure GDA00038481563500000211
第m天的空气流动速度；
Figure GDA00038481563500000210
第m天的作物蒸腾速率；n，连续降水天数；
Figure GDA0003848156350000024
从开始降水日第j天持续n天的降水量总和；
Figure GDA00038481563500000212
和
Figure GDA00038481563500000213
分别代表干旱等级和洪涝等级；
用于判定干旱等级
Figure GDA00038481563500000214
的参数包括i、
Figure GDA00038481563500000215
和
Figure GDA00038481563500000216
用于判定洪涝等级
Figure GDA00038481563500000217
的参数为
Figure GDA00038481563500000218
S1-2、将
Figure GDA00038481563500000219
的判定参数代入按照公式(1)计算得到干旱等级
Figure GDA00038481563500000220
公式(1) 为
Figure GDA00038481563500000221
式中：A、B、C、D为加权系数，通过模拟实验装置确定各加权系数的值；通过洪涝等级
Figure GDA00038481563500000222
的判定参数
Figure GDA00038481563500000223
比对降雨量阈值得到洪涝等级
Figure GDA00038481563500000224
降水量阈值为年最大n日降水量的10-20年平均值；
对
Figure GDA00038481563500000225
和
Figure GDA00038481563500000226
的等级进行赋值，赋值范围为0-3；
S1-3、由干旱等级
Figure GDA00038481563500000227
的值和洪涝等级
Figure GDA00038481563500000228
的值相加得到旱涝急转等级DFAAL，同时得出旱涝急转事件干旱开始的日期、洪涝开始的日期，干旱持续时长，连续降水持续时长，即判定公式为
Figure GDA00038481563500000229
，DFAAL的表达式为
Figure GDA00038481563500000230
即DFAAL的值为
Figure GDA00038481563500000231
从干旱等级
Figure GDA00038481563500000233
转为洪涝等级
Figure GDA00038481563500000232
旱涝急转事件干旱开始的日期是第j-i天，洪涝开始的日期是第j天，干旱持续时长为i天，连续降水持续时长为n天；
作为本发明的一种优选技术方案，所述洪涝等级
Figure GDA00038481563500000234
依据干旱结束后5日内降水量来判定。n取值根据经验来定，一般是5。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中的模拟实验装置包括种植有植物的试验田、搭设在试验田上的通风棚、竖直埋设在试验田中的土壤水分检测管、设置在试验田内植物蒸腾速率测定仪、风速计和计时器，试验田边缘设置挡水土墙，试验田一侧的挡水土墙开设排水口，排水口连接至三角堰集水箱，试验田一侧布设风机，通风棚包括立柱和搭建在立柱上的棚顶骨架，棚顶骨架上设置有透光的气候调节板，通风棚内设置人工降雨装置，该人工降雨装置包括给水管道、连通在给水管道上的喷淋管网、设置在给水管道上的水阀、稳压泵和流量计，喷淋管网悬空布设在通风棚内，喷淋管网上均匀开设等孔径的水孔。
作为本发明的一种优选技术方案，所述气候调节板的正投影边界超出试验田边界外侧2.5米以上。
作为本发明的一种优选技术方案，所述气候调节板整体呈屋脊形状，气候调节板包括顶部的倒V形顶板和依次向V形顶板两侧呈叠瓦布设的侧板，V形顶板与侧板之间、侧板与侧板之间均存在间隙。
作为本发明的一种优选技术方案，所述气候调节板整体呈圆锥形，气候调节板包括顶部的锥顶和锥顶下方呈叠瓦布设的环形板，环形板为从上端口向下端口逐渐变粗的喇叭形，锥顶与环形板之间、相邻环形板之间均存在间隙。
作为本发明的一种优选技术方案，所述气候调节板整体呈平板形，气候调节板为长条形且相互平行排布，气候调节板通过转轴和轴承安装在棚顶骨架上，转轴由电机驱动，气候调节板的长边固接长条形的气囊，气囊的一端通过单向阀连接气泵，气囊的另一端设置放气阀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述气候调节板正投影的边界与试验田的边界之间向地表以下开挖至少0.5米深度的单向隔离槽，单向隔离槽内壁上内衬有衬板，衬板上均匀开设透水孔，衬板之间设置升降式隔水板。
作为本发明的一种优选技术方案，所述土壤水分检测管的上端口密封。
作为本发明的一种优选技术方案，通过模拟实验装置获取的试验数据包括由计时器记录的i、由土壤水分检测管检测的
Figure GDA0003848156350000031
由风速计检测的
Figure GDA0003848156350000032
由植物蒸腾速率测定仪检测的
Figure GDA0003848156350000033
和由流量计检测的
Figure GDA0003848156350000034
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过理论计算和模拟实验校验结合的方式，用理论计算建立旱涝急转中的旱与干旱持续天数、土壤相对湿度、空气流动速度、植物蒸腾速率的关系，涝与降雨量的关系，判定旱涝急转等级，为旱涝急转的理论和实验研究提供科学依据，本方法将旱涝急转等级数据化，结论更加直观。通过模拟试验装置能够便捷地获取所需校验数据，提高理论计算的准确性。解决了旱涝急转等级判定方法中参数单一，判定准确度和参考价值较低的问题。模拟实验装置不仅能够在模拟的干旱期间正常透射阳光、横向和纵向通风，而且在模拟干旱期间外界下雨时，能够避免雨水干扰试验田，更加准确地获取模拟数据的真实结果，进而使校正公式更加准确、可靠。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明第一种具体实施方式中模拟实验装置的结构示意图。
图2是本发明第二种具体实施方式中模拟实验装置的结构示意图。
图3是本发明第二种具体实施方式气候调节板的立体图。
图4是本发明第三种具体实施方式中模拟实验装置的结构示意图。
图5是本发明第三种具体实施方式气候调节板的立体图。
图中：1、试验田 2、土壤水分检测管 3、蒸腾速率测定仪 4、风速计 5、计时器 6、挡水土墙 7、排水口 8、三角堰集水箱 9、风机 10、立柱 11、棚顶骨架 12、气候调节板 13、给水管道 14、喷淋管网 15、水阀 16、稳压泵 17、流量计 18、水孔 19、单向隔离槽 20、衬板 21、升降式隔水板 22、转轴 23、气囊 24、轴承 25、电机 26、气泵 27、放气阀 121、V形顶板 122、侧板 123、锥顶 124、环形板。
具体实施方式
本发明的田间旱涝急转等级判别方法，包括以下步骤：
S1、提出旱涝急转等级判定的计算方法；
S2、通过模拟实验装置模拟旱涝急转情景，并获取实验数据，通过实验数据校验步骤S1的计算方法；
S3、按照步骤S2中校验过的计算方法来判定旱涝急转等级。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1包括：
S1-1、获取干旱等级
Figure GDA0003848156350000041
的判定参数，获取条件为：
Figure GDA0003848156350000051
Figure GDA0003848156350000052
Figure GDA0003848156350000055
Figure GDA0003848156350000056
获取洪涝等级
Figure GDA0003848156350000057
的判定参数，获取条件为：
Figure GDA0003848156350000053
式中：i，干旱持续天数；j，开始降雨日；
Figure GDA0003848156350000058
有效降水量；
Figure GDA0003848156350000059
第m天的土壤相对湿度(％)，j-i≤m≤j；
Figure GDA00038481563500000510
第m天的土壤平均重量含水量(％)，Fc为土壤田间持水量(％)；
Figure GDA00038481563500000511
第m天的空气流动速度；
Figure GDA00038481563500000512
第m天的作物蒸腾速率；n，连续降水天数；
Figure GDA0003848156350000054
从开始降水日第j天持续n天的降水量总和；
Figure GDA00038481563500000513
和
Figure GDA00038481563500000514
分别代表干旱等级和洪涝等级；
用于判定干旱等级
Figure GDA00038481563500000515
的参数包括i、
Figure GDA00038481563500000516
和
Figure GDA00038481563500000517
用于判定洪涝等级
Figure GDA00038481563500000518
的参数为
Figure GDA00038481563500000519
S1-2、将
Figure GDA00038481563500000520
的判定参数代入按照公式(1)计算得到干旱等级
Figure GDA00038481563500000521
公式(1) 为
Figure GDA00038481563500000522
式中：A、B、C、D为加权系数，通过模拟实验装置确定各加权系数的值；通过洪涝等级
Figure GDA00038481563500000523
的判定参数
Figure GDA00038481563500000524
比对降雨量阈值得到洪涝等级
Figure GDA00038481563500000525
降水量阈值为年最大n日降水量的10-20年平均值；
对
Figure GDA00038481563500000526
和
Figure GDA00038481563500000527
的等级进行赋值，赋值范围为0-3；
S1-3、由干旱等级
Figure GDA00038481563500000528
的值和洪涝等级
Figure GDA00038481563500000529
的值相加得到旱涝急转等级DFAAL，同时得出旱涝急转事件干旱开始的日期、洪涝开始的日期，干旱持续时长，连续降水持续时长，即判定公式为
Figure GDA00038481563500000530
，DFAAL的表达式为
Figure GDA00038481563500000531
即DFAAL的值为
Figure GDA00038481563500000532
从干旱等级
Figure GDA00038481563500000533
转为洪涝等级
Figure GDA00038481563500000534
旱涝急转事件干旱开始的日期是第j-i天，洪涝开始的日期是第j天，干旱持续时长为i天，连续降水持续时长为n天。
所述洪涝等级
Figure GDA00038481563500000535
依据干旱结束后5日内降水量来判定。n取值根据经验来定，一般是5。
参看附图1所示的第一种具体实施方式，所述步骤S2中的模拟实验装置包括种植有植物的试验田1、搭设在试验田1上的通风棚、竖直埋设在试验田1中的土壤水分检测管2、设置在试验田1内植物蒸腾速率测定仪3、风速计4和计时器5，试验田1边缘设置挡水土墙6，试验田1一侧的挡水土墙 6开设排水口7，排水口7连接至三角堰集水箱8，试验田1一侧布设风机9，通风棚包括立柱10和搭建在立柱10上的棚顶骨架11，棚顶骨架11上设置有透光的气候调节板12，通风棚内设置人工降雨装置，该人工降雨装置包括给水管道13、连通在给水管道13上的喷淋管网14、设置在给水管道13上的水阀15、稳压泵16和流量计17，喷淋管网14悬空布设在通风棚内，喷淋管网14上均匀开设等孔径的水孔18。三角堰集水箱8测量地表径流的水量。风机用于调节试验田内的空气流动速度。
所述气候调节板12的正投影边界超出试验田1边界外侧2.5米以上。防止外界雨水对试验田1的干扰。
所述气候调节板12正投影的边界与试验田1的边界之间向地表以下开挖至少0.5米深度的单向隔离槽19，单向隔离槽19内壁上内衬有衬板20，衬板20上均匀开设透水孔，衬板20之间设置升降式隔水板21。试验田1模拟干旱时，人工降雨装置不喷淋，但是当外界下雨时，升降式隔水板21下降到单向隔离槽19底部，阻隔外界雨水内渗到试验田1的土壤；试验田1模拟洪涝时，人工降雨装置对试验田喷淋，此时升降式隔水板21上升，试验田土壤中的水能够外渗；单向隔离槽19对其两侧渗水的单向控制，使试验田1中间部分能够模拟洪涝急转中心位置的情景，试验田1边界能够模拟洪涝急转边界地带的情景，实验数据更加丰富多样。
所述土壤水分检测管2的上端口密封。避免人工降雨装置的水进入土壤水分检测管2。
通过模拟实验装置获取的试验数据包括由计时器5记录的i、由土壤水分检测管2检测的
Figure GDA0003848156350000061
由风速计4检测的
Figure GDA0003848156350000062
由植物蒸腾速率测定仪 3检测的
Figure GDA0003848156350000064
和由流量计17检测的
Figure GDA0003848156350000063
流量计17设置在给水管道13的末端，避免给水管道13内滞留水对模拟降雨量数值准确度的影响。
参看图1所示的第一种具体实施方式，本实施方式的气候调节板12整体呈屋脊形状，气候调节板12包括顶部的倒V形顶板121和依次向V形顶板两侧呈叠瓦布设的侧板122，V形顶板121与侧板122之间、侧板122与侧板122之间均存在间隙。
参看附图2和3所示的第二种具体实施方式，本实施方式的气候调节板 12整体呈圆锥形，气候调节板12包括顶部的锥顶123和锥顶123下方呈叠瓦布设的环形板124，环形板124为从上端口向下端口逐渐变粗的喇叭形，锥顶123与环形板124之间、相邻环形板124之间均存在间隙。
第一种与第二种具体实施方式的气候调节板12多层错落排布且相邻两层之间存在间隙，既能防止外界雨水的干扰，又不妨碍投射阳光和空气流通，更加真实模拟大田环境。
参看附图4和5所示的第三种具体实施方式，本实施方式的气候调节板 12整体呈平板形，气候调节板12为长条形且相互平行排布，气候调节板12 通过转轴22和轴承24安装在棚顶骨架11上，转轴22由电机25驱动，气候调节板12的长边固接长条形的气囊23，气囊23的一端通过单向阀连接气泵 26，气囊23的另一端设置放气阀27。第三种具体实施方式的气候调节板12 相接处通过气囊23填充，增加拼接时的密闭性，外界降雨时能够将试验田1 上方完全密封，晴天则将气囊23放气，气候调节板12转到竖直状态，增加透光和通风，使试验田1的模拟情景与真实大田环境受到的旱涝因素相同。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (10)

1.一种田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提出旱涝急转等级判定的计算方法；
步骤S1包括：
S1-1、获取干旱等级
Figure FDA0003848156340000015
的判定参数，获取条件为：
Figure FDA0003848156340000011
Figure FDA0003848156340000012
Figure FDA0003848156340000016
Figure FDA0003848156340000017
获取洪涝等级
Figure FDA00038481563400000131
的判定参数，获取条件为：
Figure FDA0003848156340000013
式中：i，干旱持续天数；j，开始降雨日；
Figure FDA0003848156340000018
有效降水量；
Figure FDA0003848156340000019
第m天的土壤相对湿度(％)，j-i≤m≤j；
Figure FDA00038481563400000110
第m天的土壤平均重量含水量(％)，Fc为土壤田间持水量(％)；
Figure FDA00038481563400000111
第m天的空气流动速度；
Figure FDA00038481563400000112
第m天的作物蒸腾速率；n，连续降水天数；
Figure FDA0003848156340000014
从开始降水日第j天持续n天的降水量总和；
Figure FDA00038481563400000113
和
Figure FDA00038481563400000114
分别代表干旱等级和洪涝等级；
用于判定干旱等级
Figure FDA00038481563400000115
的参数包括i、
Figure FDA00038481563400000116
和
Figure FDA00038481563400000117
用于判定洪涝等级
Figure FDA00038481563400000118
的参数为
Figure FDA00038481563400000119
S1-2、将
Figure FDA00038481563400000120
的判定参数代入按照公式(1)计算得到干旱等级
Figure FDA00038481563400000121
公式(1)为
Figure FDA00038481563400000132
式中：A、B、C、D为加权系数，通过模拟实验装置确定各加权系数的值；通过洪涝等级
Figure FDA00038481563400000123
的判定参数
Figure FDA00038481563400000124
比对降雨量阈值得到洪涝等级
Figure FDA00038481563400000125
降水量阈值为年最大n日降水量的10-20年平均值；
对
Figure FDA00038481563400000127
和
Figure FDA00038481563400000126
的等级进行赋值，赋值范围为0-3；
S1-3、由干旱等级
Figure FDA00038481563400000129
的值和洪涝等级
Figure FDA00038481563400000128
的值相加得到旱涝急转等级DFAAL，同时得出旱涝急转事件干旱开始的日期、洪涝开始的日期，干旱持续时长，连续降水持续时长，即判定公式为
Figure FDA00038481563400000130
，DFAAL的表达式为
Figure FDA0003848156340000021
即DFAAL的值为
Figure FDA0003848156340000022
从干旱等级
Figure FDA0003848156340000023
转为洪涝等级
Figure FDA0003848156340000024
旱涝急转事件干旱开始的日期是第j-i天，洪涝开始的日期是第j天，干旱持续时长为i天，连续降水持续时长为n天；
S2、通过模拟实验装置模拟旱涝急转情景，并获取实验数据，通过实验数据校验步骤S1的计算方法；
S3、按照步骤S2中校验过的计算方法来判定旱涝急转等级。
2.根据权利要求1所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述洪涝等级
Figure FDA0003848156340000025
依据干旱结束后5日内降水量来判定。
3.根据权利要求1-2任一项所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述步骤S2中的模拟实验装置包括种植有植物的试验田、搭设在试验田上的通风棚、竖直埋设在试验田中的土壤水分检测管、设置在试验田内植物蒸腾速率测定仪、风速计和计时器，试验田边缘设置挡水土墙，试验田一侧的挡水土墙开设排水口，排水口连接至三角堰集水箱，试验田一侧布设风机，通风棚包括立柱和搭建在立柱上的棚顶骨架，棚顶骨架上设置有透光的气候调节板，通风棚内设置人工降雨装置，该人工降雨装置包括给水管道、连通在给水管道上的喷淋管网、设置在给水管道上的水阀、稳压泵和流量计，喷淋管网悬空布设在通风棚内，喷淋管网上均匀开设等孔径的水孔。
4.根据权利要求3所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述气候调节板的正投影边界超出试验田边界外侧2.5米以上。
5.根据权利要求4所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述气候调节板整体呈屋脊形状，气候调节板包括顶部的倒V形顶板和依次向V形顶板两侧呈叠瓦布设的侧板，V形顶板与侧板之间、侧板与侧板之间均存在间隙。
6.根据权利要求4所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述气候调节板整体呈圆锥形，气候调节板包括顶部的锥顶和锥顶下方呈叠瓦布设的环形板，环形板为从上端口向下端口逐渐变粗的喇叭形，锥顶与环形板之间、相邻环形板之间均存在间隙。
7.根据权利要求4所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述气候调节板整体呈平板形，气候调节板为长条形且相互平行排布，气候调节板通过转轴和轴承安装在棚顶骨架上，转轴由电机驱动，气候调节板的长边固接长条形的气囊，气囊的一端通过单向阀连接气泵，气囊的另一端设置放气阀。
8.根据权利要求4所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述气候调节板正投影的边界与试验田的边界之间向地表以下开挖至少0.5米深度的单向隔离槽，单向隔离槽内壁上内衬有衬板，衬板上均匀开设透水孔，衬板之间设置升降式隔水板。
9.根据权利要求4所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，所述土壤水分检测管的上端口密封。
10.根据权利要求5所述的田间旱涝急转等级判别方法，其特征在于，通过模拟实验装置获取的试验数据包括由计时器记录的i、由土壤水分检测管检测的
Figure FDA0003848156340000031
由风速计检测的
Figure FDA0003848156340000033
由植物蒸腾速率测定仪检测的
Figure FDA0003848156340000034
和由流量计检测的
Figure FDA0003848156340000032
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