CN113962067A - 一种基于drainmod数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，包括以下步骤：(1)设计暴雨，以暴雨雨后N至N+1天地下水降至田面以下最小埋深为目标，建立如下目标函数：(2)设置约束条件；(3)采用大系统试验选优方法，求解目标函数，包括：(a)数据准备；(b)参照大系统试验选优理论构建正交表；(c)对正交表中每一行试验方案，结合约束条件，采用DRAINMOD模型进行数值模拟；(d)根据模拟结果构造极差表，通过正交分析，获得理论最优参数组合；(e)将获得的理论最优参数组合，代入目标函数并结合约束条件，通过DRAINMOD模型重新进行数值模拟，获得地下水最小埋深h。本发明能够高效和准确确定暗管排水系统布置的最优参数。

Description

一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定 方法
技术领域
本发明涉及农田暗管布设技术领域，具体是涉及一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法。
背景技术
近年来，农村规模化种植的发展以及机械化水平的提高，与现有农田水利田间工程配套不相适应；加之气象条件多变，农田排水不畅导致作物生长季节渍害严重以及收获季节农业机械无法下田作业的情况，继而造成粮食欠收的不良现象。农田末级排水明沟承担农田排涝、降渍任务，田块长度均取决于末级排水明沟的间距，现有的明沟排水系统不利于机械化作业，阻碍了农业现代化发展的步伐。针对目前农业规模化、机械化和现代化发展要求，采用农田暗管降渍，将排涝、降渍系统分开，可为满足农田灌溉、排涝、降渍、农机作业等综合要求的高标准农田建设创造条件，以便形成连片土地，提高农机作业效率，进而促进农业生产。开展面向农业机械化的田间暗管排水工程模式研究，确定满足现代农业发展需要的暗管管径、埋深、间距、土地平整度等参数很有必要，为了确定合适的暗管埋深、间距、半径等参数，保证排水效果，需要开发更为高效和准确的计算机模拟方法。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，能够高效和准确确定暗管排水系统布置的最优参数。
技术方案：为解决上述问题，本发明提供一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，包括以下步骤：
(1)模型构建：设计暴雨，以暴雨雨后N至N+1天地下水降至田面以下最小埋深为目标，建立如下目标函数：
h＝min hw(D,H,P,S,T,F,γ,h1,h2,V,m,σ,R) (1)
式中，h为地下水最小埋深；hw为地下水埋深；D为暗管管径；H为暗管埋深；P为暗管间距；S为地表平整度；T为排水控制时段；F为土壤吸力；γ为土壤体积含水率；h1为最大地表蓄水深度；h2为Kirkham积水深度；V为土壤可排空体积；m为潜水上升通量；σ为排水模数；R为暗管有效半径；
(2)设置目标函数求解的约束条件；
(3)采用大系统试验选优方法，结合约束条件对目标函数求解，具体包括以下步骤：
(3.1)数据准备：测定田块面积A、田面高程Z1、农沟水位Z2；按照暴雨统计资料，推算设计暴雨过程；测定当地土壤水分特征参数值；设定排水系统特性参数；测定当地旱作物生长的盛期要求的地下水埋深数值；测定当地农沟水面离地面距离；
(3.2)根据暗管管径D、暗管埋设深度H、暗管间距P、地表平整度S四种因素，每种因素分别设置为J种水平，参照大系统试验选优理论构建4因素J水平正交表；
(3.3)对正交表中每一行试验方案，结合约束条件，采用DRAINMOD模型进行数值模拟；
(3.4)根据步骤(3.3)的模拟结果构造极差表，通过正交分析，获得理论最优暗管管径D*、暗管埋设深度H*、暗管间距P*、地表平整度S*；
(3.5)将步骤(3.4)获得的理论最优参数组合，代入目标函数并结合约束条件，通过DRAINMOD模型重新进行数值模拟，获得地下水最小埋深h。
进一步的，步骤(2)约束条件包括：
(2.1)地下水埋深约束：
h≥0.8 (2)
(2.2)排水控制时段约束：
N≤T≤N+1 (3)
(2.3)暗管埋深约束：
H≥hw (4)
H≤H农-0.1 (5)
式中，H农为农沟水面离地面距离，hw为旱作物生长的盛期要求的地下水埋深；
进一步的，步骤(3.3)包括具体以下步骤：
(3.3.1)设置DRAINMOD模型的输入参数，输入参数包括土壤水分特征参数、土壤排水特性参数、排水系统特征参数；
(3.3.2)对于正交表中每一个方案，结合地下水埋深约束、排水控制时段约束、暗管埋深约束条件，采用DRAINMOD模型，分别模拟暴雨雨后N至N+1天土壤地下水埋深变化过程，获得控制排水时段T内地下水埋深变化过程，以及控制排水时段T末的地下水埋深hw,i，i为正交表中试验方案编号(i＝1,2,…,J2)。
进一步的，步骤(1)所述的N取值为2。
进一步的，步骤(3.1)所述的当地土壤水分特征参数值包括：土壤吸力F、土壤体积含水率γ；
进一步的，步骤(3.1)所述的土壤排水特性参数包括：土壤可排空体积V、潜水上升通量m。
进一步的，步骤(3.1)所述的排水系统特性参数包括：不透水层深度C、排水模数σ、最大地表蓄水深度h1、Kirkham积水深度h2、控制排水堰深h3、排水控制时段T。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及在所述存储器上存储并可运行的程序，所述程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点：1、将大系统试验选优理论应用于解决暗管排水系统布置最优参数确定问题，针对多因素多水平非线性数学模型求解，可高效获取暗管布置优化参数，节省模型求解工作量，提高模型求解精度；2、结合平原河网地区实际，设置了满足平原河网地区要求的地下水埋深约束、排水控制时段约束以及满足旱作物正常生育需要和自流排水要求的暗管埋深约束，提高了模型求解结果的实用性。
附图说明
图1所示为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所述，本发明所述的一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，包括以下步骤：
第一步：进行模型的构件；
以20年一遇设计暴雨，暴雨过后2-3天地下水降至田面以下最小埋深为目标，建立如下目标函数：
h＝min hw(D,H,P,S,T,F,γ,h1,h2,V,m,σ,R) (1)
式中，h为地下水最小埋深；hw为地下水埋深；D为暗管管径；H为暗管埋深；P为暗管间距；S为地表平整度；T为排水控制时段；F为土壤吸力；γ为土壤体积含水率；h1为最大地表蓄水深度；h2为Kirkham积水深度；V为土壤可排空体积；m为潜水上升通量；σ为排水模数；R为暗管有效半径；
第二步，结合平原河网地区的实际情况，设计目标函数的约束条件；
1、地下水埋深h约束：
h≥0.8 (2)
2、排水控制时段T约束：
48≤T≤72 (3)
3、满足旱作物正常生育需要的暗管埋深H约束：
H≥hw (4)
4、满足自流排水要求的暗管埋深H约束：
H≤H农-0.1 (5)
式中，hw为旱作物生长的盛期要求的地下水埋深(m)；H农为农沟水面离地面距离(m)。
第三步，进行模型求解；
1、进行模型数据的准备，具体包括：
(1)测定田块面积A、田面高程Z1、农沟水位Z2；
(2)收集典型降雨资料，设计20年一遇设计暴雨过程；所述的设计暴雨为专有名词，按照过去若干年的长系列暴雨统计资料，按照水文学统计方法，排频计算出来；
(3)测定当地土壤水分特征参数值，包括：土壤吸力F、土壤体积含水率γ；测定土壤排水特性参数，包含：土壤可排空体积V、潜水上升通量m；
(4)设定排水系统特性参数，包含：不透水层深度D、排水模数σ、最大地表蓄水深度h1、Kirkham积水深度h2、控制排水堰深h3、排水控制时段T；
(5)测定当地旱作物生长的盛期要求的地下水埋深hw值，以及测定当地农沟水面离地面距离H农值。
2、采用大系统试验选优方法，根据约束条件对目标函数求解，具体包括以下步骤：
(1)考虑设置暗管管径D、暗管埋设深度H、暗管间距P、地表平整度S四种因素；并将暗管管径D设置为D1、D2、D3三种不同水平，将暗管埋设深度H设置为H1、H2、H3三种不同水平，将暗管间距P设置为P1、P2、P3三种不同水平，将地表平整度S设置为S1、S2、S3三种不同水平；
(2)参照大系统试验选优理论，构建4因素3水平正交表，如下表1：
表1 4因素3水平L9(34)正交表
Figure BDA0003284157130000051
(3)对正交表中的每一行试验方案，分别开展DRAINMOD数值模拟，结合约束条件，获取控制排水时段T末的地下水埋深，具体包括以下步骤：
(a)设置DRAINMOD模型输入参数，如表2所示：
表2 DRAINMOD模型主要输入参数
Figure BDA0003284157130000052
(b)对正交表中每一个方案，在20年一遇设计暴雨下，考虑地下水埋深约束、排水控制时段约束、暗管埋深约束条件，采用DRAINMOD模型，分别模拟20年一遇设计暴雨雨后2-3天土壤地下水埋深变化过程，获得该控制排水时段T内地下水埋深变化过程，以及控制排水时段T末的地下水埋深hw,i，其中i为正交表中试验方案编号，i＝1,2,…,9。
(4)根据每一行试验方案数值模拟结果，构造极差表。通过正交分析，获得全部组合(34)的理论最优暗管管径D*、暗管埋设深度H*、暗管间距P*、地表平整度S*。
(5)将此理论最优参数组合，代入目标函数(1)，结合约束条件(2)-(5)，通过DRAINMOD模型重新进行数值模拟，获得地下水最小埋深h。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。一种计算机设备，包括存储器、处理器及在所述存储器上存储并可运行的程序，所述程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

Claims (9)

1.一种基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)模型构建：设计暴雨，以暴雨雨后N至N+1天地下水降至田面以下最小埋深为目标，建立如下目标函数：
h＝min hw(D,H,P,S,T,F,γ,h1,h2,V,m,σ,R) (1)
式中，h为地下水最小埋深；hw为地下水埋深；D为暗管管径；H为暗管埋深；P为暗管间距；S为地表平整度；T为排水控制时段；F为土壤吸力；γ为土壤体积含水率；h1为最大地表蓄水深度；h2为Kirkham积水深度；V为土壤可排空体积；m为潜水上升通量；σ为排水模数；R为暗管有效半径；
(2)设置目标函数求解的约束条件；
(3)采用大系统试验选优方法，结合约束条件对目标函数求解，具体包括以下步骤：
(3.1)数据准备：测定田块面积A、田面高程Z1、农沟水位Z2；按照暴雨统计资料，推算设计暴雨过程；测定当地土壤水分特征参数值；设定排水系统特性参数；测定当地旱作物生长的盛期要求的地下水埋深数值；测定当地农沟水面离地面距离；
(3.2)根据暗管管径D、暗管埋设深度H、暗管间距P、地表平整度S四种因素，每种因素分别设置为J种水平，参照大系统试验选优理论构建4因素J水平正交表；
(3.3)对正交表中每一行试验方案，结合约束条件，采用DRAINMOD模型进行数值模拟；
(3.4)根据步骤(3.3)的模拟结果构造极差表，通过正交分析，获得理论最优暗管管径D*、暗管埋设深度H*、暗管间距P*、地表平整度S*；
(3.5)将步骤(3.4)获得的理论最优参数组合，代入目标函数并结合约束条件，通过DRAINMOD模型重新进行数值模拟，获得地下水最小埋深h。
2.根据权利要求1所述的基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，步骤(2)约束条件包括：
(2.1)地下水埋深约束：
h≥0.8 (2)
(2.2)排水控制时段约束：
N≤T≤N+1 (3)
(2.3)暗管埋深约束：
H≥hw (4)
H≤H农-0.1 (5)
式中，H农为农沟水面离地面距离，hw为旱作物生长的盛期要求的地下水埋深。
3.根据权利要求1所述的基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，步骤(3.3)包括具体以下步骤：
(3.3.1)设置DRAINMOD模型的输入参数，输入参数包括土壤水分特征参数、土壤排水特性参数、排水系统特征参数；
(3.3.2)对于正交表中每一个方案，结合地下水埋深约束、排水控制时段约束、暗管埋深约束条件，采用DRAINMOD模型，分别模拟暴雨雨后N至N+1天土壤地下水埋深变化过程，获得控制排水时段T内地下水埋深变化过程，以及控制排水时段T末的地下水埋深hw,i，i为正交表中试验方案编号(i＝1,2,…,J2)。
4.根据权利要求1所述的基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，步骤(1)所述的N取值为2。
5.根据权利要求1所述的基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，步骤(3.1)所述的当地土壤水分特征参数值包括：土壤吸力F、土壤体积含水率γ。
6.根据权利要求1所述的基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，步骤(3.1)所述的土壤排水特性参数包括：土壤可排空体积V、潜水上升通量m。
7.根据权利要求1所述的基于DRAINMOD数值模拟暗管排水系统布置最优参数确定方法，其特征在于，步骤(3.1)所述的排水系统特性参数包括：不透水层深度C、排水模数σ、最大地表蓄水深度h1、Kirkham积水深度h2、控制排水堰深h3、排水控制时段T。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述的方法步骤。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及在所述存储器上存储并可运行的程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述方法的步骤。
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