CN116090744B - 山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法、计算机装置及存储介质 - Google Patents

山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法、计算机装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法、计算机装置及存储介质，包括建立基于水循环的水资源配置模型，通过水资源配置模型进行子流域与计算单元划分、降雨量空间插值、单元产汇流计算、子流域汇流计算和流域河系汇流计算，进行水稻灌溉需水量预报、旱作物灌溉需水量预报、参考作物需水量预报和生活工业需水量预报，以及进行供需分析计算，确定灌溉用水供需配置等步骤。本发明通过使用基于水循环的水资源配置模型分别进行子流域与计算单元划分和降雨量空间插值等计算，最终能够确定灌溉用水供需配置，能够综合利用多个水源的灌溉能力，为不同的用户合理分配灌溉资源，实现灌溉资源的高效利用。本发明广泛应用于灌溉控制技术领域。

Description

山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法、计算机装置及存储 介质
技术领域
本发明涉及灌溉控制技术领域，尤其是一种山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法、计算机装置及存储介质。
背景技术
山地丘陵区(山丘区)小型灌区水资源系统中水源工程包括小型水库、山塘和河道取水堰坝等，用水户包括农灌用水户、农饮水用户、工业用水户和生态环境用水户等，从而构成了具有多水源多用户特征的复杂水资源系统。每个水源对灌溉的支持能力不尽相同，每个用户对灌溉的需求也不尽相同，从而产生了如何为合理调配各个水源的灌溉能力，满足不同用户的灌溉需求的问题，即实现山地丘陵区小型灌区灌溉用水合理配置的问题。
发明内容
针对目前存在的对山地丘陵区小型灌区灌溉用水进行配置的技术问题，本发明的目的在于提供一种山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法、计算机装置及存储介质。
一方面，本发明实施例包括一种山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法，包括：
建立基于水循环的水资源配置模型；所述基于水循环的水资源配置模型包括水文产汇流模块、需水量预报模块和水资源配置模块；
通过所述水文产汇流模块进行子流域与计算单元划分、降雨量空间插值、单元产汇流计算、子流域汇流计算和流域河系汇流计算；
通过所述需水量预报模块进行水稻灌溉需水量预报、旱作物灌溉需水量预报、参考作物需水量预报和生活工业需水量预报；
通过所述水资源配置模块进行供需分析计算，确定灌溉用水供需配置。
进一步地，所述子流域与计算单元划分，包括：
将研究区域划分为若干个子流域或区间；
在每个子流域上再进行矩形网格划分；
将汇流时间相等的网格单元进行合并作为一个水文响应单元；
对每个水文响应单元进行产汇流计算；
所述降雨量空间插值，包括：
建立统一的基础空间数据库，实现对统一区域对象的地理、水文、气象综合描述；所述基础空间数据库包括统一的网格、单元、区域、子流域划分及编码；
进行多源降雨信息的同化及整合，生成网格上的空间分布数据；
单个计算单元面平均雨量采用泰森多边形法和空间线性插值法推求。
进一步地，所述单元产汇流计算，包括：
针对每个计算单元，分别建立新安江模型进行产汇流计算；所述新安江模型包括蒸散发计算、产流量计算、分水源计算和坡面汇流计算；
所述蒸散发计算包括：
采用三层土壤蒸散发模型进行蒸散发计算，所用公式为：
当上层张力水蓄量足够时，上层蒸散发EU为
EU＝K·EM
当上层已干，而下层蓄量足够时，下层蒸散发EL为：
EL＝K·EM·WL/LM
当下层蓄量亦不足，要触及深层时，蒸散发ED为
ED＝C·K·EM
其中参数为上层张力水容量UM，下层张力水容量LM，深层蒸散发系
数C，蒸散发折算系数K；
所述产流量包括：
用蓄满产流概念，所用公式为：
当P-K·EM≤0，则R＝0；不然，则:
当P-K·EM+A<MM，则
不然，则
R＝P-K·EM-WM+W
式中R为产流量，其中，参数为包气带张力水容量WM，张力水蓄水容量曲线的方次B，不透水面积的比值IM；
所述分水源计算包括：
在两水源的模型中应用霍尔顿概念，所用公式为：
MS＝(1+EX)·SM
RG＝S·KG·FR
RI＝S·KI·FR
当P-K·EM≤0，则RS＝0；不然，则
当P-K×EM+AU<MS，则
不然,则
RS＝(P-K·EM+S-SM)·FR
式中RS是地面径流的产流量，RG是地下径流的产流量；RI是壤中流的产流量，表层土自由水蓄水容量SM，表层土自由水蓄水容量曲线的方次EX，自由水蓄水容量对地下水的出流系数KG，自由水蓄水容量对壤中流的出流系数KI；
所述坡面汇流计算包括：
计算公式为：
QG(i)＝QG(i-1)·CG+RG(i)·(1-CG)·U
QI(i)＝QI(i-1)·CI+RI(i)·(1-CI)·U
QS(i)＝RS(i)·U
QT(i)＝QS(i)+QI(i)+QG(i),i＝1,2,…
式中，QG(i)、QI(i)、QS(i)分别为单元面积上的地下径流、壤中流和地表径流流量；QT(i)为单元面积入河网总径流流量；U＝单元面积(km2)/3.6/△t(h)是单位转换系数；地下径流用线性水库模拟，其消退系数为CG，出流进入河网；表层自由水以KG向下出流后再向地下水库汇流的时间不另计，包括在CG之内；表层自由水以KI侧向出流后成为表层壤中流，进入河网；深层自由水也用线性水库模拟，其消退系数为CI。
进一步地，所述子流域汇流计算，包括：
汇流时间计算公式如下：
式中，T为汇流时间；V为坡地流速度；L为水力学意义上的汇流路径长；
V＝kS0 12
式中，V为坡地流速度；k为坡地流速度常数；S0为坡地流平均坡度；所述(1)流域河系汇流计算，包括：
采用马斯京根分段连续演算法进行计算，马斯京根演算基本公式为：
Q2＝C0I2+C1I1+C2Q1
其中：
C0+C1+C2＝1
式中：I为河段入流，Q为河段出流；脚码1表示时段初，脚码2表示时段末；C0、C1、C2是马斯京根法参数K和x的参数。
进一步地，所述水稻灌溉需水量预报，包括：
进行水稻田灌排调节计算；根据作物灌溉制度模型，水稻田灌排调节计算公式为：
H＝H1+P-E-Rf
E＝KrK1Ep
当H>Hp时，
H2＝Hmax Rs＝H-Hmax D＝0
当Hmin≤H≤Hp时，
H2＝H Rs＝0D＝0
当H<Hmin时，
H2＝Hmax Rs＝0D＝Hmax-H
其中，P为日降雨量(mm)；Ep为日蒸发皿蒸发量(mm)；E为日水稻生长需水量(mm)；K1为折算系数，K1Ep为大水面日蒸发量；Kr为水稻生长需水系数；Rf为水稻田的日下渗量(mm)；H1、H2为水稻田时段初和时段末的水深(mm)；Hmin、Hmax、Hp为水稻生长的适宜水深下限、适宜水深和最大(耐淹)水深(mm)，按参考灌溉试验站数据取值；Rs为水稻田的日径流深(mm)；D为水稻田的每日灌溉量(mm)；
进行水稻田插秧泡田用水计算；水稻田插秧泡田用水计算原理如下：设泡田期均匀灌水至目标水深，每天最大灌水量限制为：
ΔV＝(WM-W0+Hp)/d+(Rf+Re)
其中，ΔV为泡田期每天最大灌水量(mm)；WM为田间持水量(mm)；W0为泡田期初土壤含水量(mm)；Hp为泡田期末田间蓄水深(mm)；d为泡田期天数；Rf为泡田期平均每天渗漏量(mm)；Re为泡田期平均每天水面蒸发能力量(mm)；
泡田期每天灌水计算公式为：
V＝W1+H1+Pt-Et-Rft
分两种情形：
①若V≤WM+Hp,则
V2＝V+Dt
当V2≤WM时,
W2＝V2 H2＝0
否则,
W2＝WM H2＝V2-WM
②若V>WM+Hp,则
Dt＝0W2＝WM H2＝V-WM
上式中，W1、W2为时段初、末土壤湿润层储水量(mm)；H1、H2为水稻田时段初和时段末的水深(mm)；Pt为日降雨量(mm)；Et为日水面蒸发量(mm)；Rft为泡田期日渗漏量(mm)；Dt为泡田期日田间灌水量(mm)；
水稻烤田期水量平衡方程如下：
V＝W1+H1+P-E-Rf
若V>WM，则
W2＝WM R＝V-WM H2＝0.0D＝0.0
否则，
W2＝V R＝0.0H2＝0.0D＝0.0。
进一步地，所述旱作物灌溉需水量预报，包括：
旱作物田间土壤湿润层水量平衡方程为：
W2＝W1+P′+Eg+D-kc·k1·Ep
其中，W1为时段初土壤湿润层储水量(mm)；W2为时段末土壤湿润层储水量(mm)；P′为时段内降有效降雨量(mm)，当土壤湿润层储水量小于田间储水量时，有P′＝σP，Eg为潜水蒸发补给量(mm)，Kc为旱作物生长需水系数；Ep为日蒸发皿蒸发量(mm)；D为旱作物日灌溉用水量(mm)；
旱作物田间灌溉用水量计算公式如下：
W＝W1+P-k·Ep
W2＝W+D-R
当W<Wmin时，
W2＝Wmax D＝Wmax-W R＝0
当Wmin≤W≤WM时，
W2＝W D＝0 R＝0
当W>WM时，
W2＝WM D＝0 R＝W-WM
上式中，k为流域综合蒸散发折算系数；R为降雨径流量(mm)；WM为田间持水量(mm)；Wmin为土壤湿润层旱作物生长最小含水量(mm)，Wmax为土壤湿润层旱作物生长适宜含水量(mm)，田间持水量的比例表示土壤相对含水量，土壤湿润层旱作物生长最小含水量和适宜含水量公式如下：
Wmax＝βmax·WM
Wmin＝βmin·WM
上式中，β为土壤湿润层相对于田间持水量的相对含水量；βmin为农作物生长土壤湿润层最小相对水量；βmax为农作物生长土壤湿润层适宜相对含水量。
进一步地，所述参考作物需水量预报，包括：
式中，ET0为潜在蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为温度～饱和水气压关系曲线上在处的切线斜率，kpa/℃；
式中，T为平均气温，℃；ea为饱和水气压，kpa；
式中，Rn为净辐射，MJ/m2·d；
Rn＝Rns-Rnl
式中，Rns为净短波辐射，MJ/m2·d；Rnl为净长波辐射，MJ/m2·d；
式中，n为实际日照对数，d；N为最大可能日照对数，d；
N＝7.46Ws
式中，Ws为日照时数角，rad；
式中，为地理纬度，rad；δ为日倾角，rad；
δ＝0.409sin(0.0172J-1.39)
式中，J为日序数；Ra为大气边缘太阳辐射，MJ/m2·d；
式中，dr为日地相对距离；
dr＝1+0.033cos(0.0172J)
式中，ed为实际水汽压，kPa；
式中，RHmean为平均相对湿度，％；ea(Tmin)为Tmin时的饱和水气压，kpa；Tkx为最高绝对温度，K；Tkn为最低绝对温度，K；
Tkx＝Tmax+273
Tkn＝Tmin+273
式中，G为土壤通热量，MJ/m2·d；
对于逐日估算ET0，则第d日土壤通热量为：
G＝0.38(Td-Td-1)
式中，Td、Td-1分别为d，d-1日气温，℃；Г为湿度表常数，kpa/℃；
γ＝0.00163P/λ
式中，P为气压，kpa；
式中，Z为计算地点海拔高程，m；λ为潜热，MJ·kg-1；
λ＝2.501-(2.361×10-3)·T
式中，U2为2m高处风速，m/s；
u2＝4.87·uh/ln(67.8h-5.42)
式中，h为风标高度，m；uh为实际风速，m/s；
所述生活工业需水量预报，包括：
采用定额法对生活用水量进行预测，预测公式如下：
W＝P(1+η)n·Ki
式中：W为生活需水量；P为现状人口；η为人口增长率；n为增长年数；Ki为人均需水定额；
采用万元工业增加值用水量法或万元工业产值用水量指标法对一般工业用水量进行预测，预测公式如下：
V＝G·B
式中：V为一般工业需水量；G为工业增加值或工业产值；B为万元工业增加值用水量或万元工业产值需水量。
进一步地，所述供需分析计算，包括：
①河道水源供需计算，公式如下：
式中：为河道第i时段供需分析计算结果；为河道第i时段来水量；为河道第i时段生态基流量；为河道第i时段工业需水量；为河道第i时段农业灌溉需水量；kriv为河道供需计算校正系数；
②水库水源供需计算，公式如下：
式中：为水库第i时段蓄水量；为水库第i+1时段入库径流量；为水库第i+1时段生态基流量；为水库第i+1时段城乡需水量；为水库第i+1时段工业需水量；为水库第i+1时段灌溉需水量；VL为水库兴利库容；krev为水库供需计算校正系数；
③单一用户多水源供需，公式如下：
式中：为用户第i时段供需分析计算结果；为用户第i时段需水量；为用户j个水源第i时段的供水量。
另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法。
另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法。
本发明的有益效果是：实施例中的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法，通过使用基于水循环的水资源配置模型分别进行子流域与计算单元划分和降雨量空间插值等计算，最终能够确定灌溉用水供需配置，能够综合利用多个水源的灌溉能力，为不同的用户合理分配灌溉资源，实现灌溉资源的高效利用。
附图说明
图1为实施例中山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法的步骤图；
图2为实施例中基于水循环的水资源配置模型结构图；
图3为实施例中天然径流量计算流程图；
图4为实施例中新安江模型计算流程图；
图5为实施例中等流时线与等流时面积示意图。
具体实施方式
本实施例中，参照图1，山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法包括以下步骤：
S1.建立基于水循环的水资源配置模型；基于水循环的水资源配置模型包括水文产汇流模块、需水量预报模块和水资源配置模块；
S2.通过水文产汇流模块进行子流域与计算单元划分、降雨量空间插值、单元产汇流计算、子流域汇流计算和流域河系汇流计算；
S3.通过需水量预报模块进行水稻灌溉需水量预报、旱作物灌溉需水量预报、参考作物需水量预报和生活工业需水量预报；
S4.通过水资源配置模块进行供需分析计算，确定灌溉用水供需配置。
本实施例中，山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法可以应用于对山地丘陵区小型灌区灌溉用水进行配置。灌区水资源系统具有以下特征：山地丘陵区(山丘区)小型灌区水资源系统中水源工程包括小型水库、山塘和河道取水堰坝等，用水户包括农灌用水户、农饮水用户、工业用水户和生态环境用水户等，从而构成了具有多水源多用户特征的复杂水资源系统。各子系统的供用水格局描述如下：
农灌子系统：是小型灌区中存在的主要用水子系统，灌溉水源包括小型水库、山塘和河道取水堰坝等，供水工程为灌溉水源的输水渠系及附属水工建筑物，包括干渠、支渠、斗渠等各级渠系及进水闸、分水闸及退水闸等各类控制性工程。灌溉水源利用其配套输水工程向灌区内各小型灌片灌水，多余水量从灌溉渠系末端回到河道中。
农饮子系统：当灌区灌溉水源同时具有农村饮用水供水功能时，存在农饮子系统。该系统与农灌子系统共同从水库山塘取水，通过农饮水工程从水源端取水，向灌区内居民提供生活用水。
工业取水子系统：该系统与农灌子系统共同从河道取水，通过工业自备取水工程向企业提供工业用水。
水电子系统：主要指灌溉渠系上水力发电站，灌溉期时利用灌溉用水发电，非灌溉期时单独从水源取水发电，发电尾水或进入下级渠道或回到河道。
根据山丘区小型灌区水资源系统特征分析可知，灌区内灌溉水源同时向农灌、农饮、工业、生态环境和水电站等多类用水户供水，水源供水量中在不同用水时期会掺混各类用水量，难以精确计量和区分。基于此，本次采用基于水循环的水资源配置模型思路，在对区域产汇流模拟和区域用水户需水量预报的基础上，根据灌区水资源系统中各子系统供用水格局和取用排水规律，采用水资源供需模拟的手段构建水资源配置模型，对各区域各行业用水户的取用排水过程进行模拟，进而从模拟结果中分离出灌溉用水量。
本实施例中，步骤S1所建立的基于水循环的水资源配置模型是采用VB.NET语言在Microsoft Visual Studio2022平台下开发完成的。基于水循环的水资源配置模型包括水文产汇流模块、需水量预报模块、水资源配置模块。
水文产汇流模块基于新安江模型部署的半分布式模型结构，在对研究区域开展子流域划分的基础上，刻画降水、植被截留、蒸散发、地表产流、土壤水、地下水和河系汇流等天然水循环过程，是整个模型水循环的纽带，与经济社会用水、排水过程形成双向反馈机制。
需水量预报模块是对区域农业、生活、工业需水量进行预测，是开展水资源配置模拟的基础。
水资源配置模块通过链接水文产汇流模块和需水量预报模块，按照灌区农业、生活、工业、水电站等各行业用水户的取供排水格局，先对各行业用水户的取供水过程进行模拟，再将用水户排水退回到流域水循环过程，实现水资源利用侧枝水循环与天然水循环的双向耦合。
基于水循环的水资源配置模型结构如图2所示。
山丘区水文预报计算根据新安江模型原理，采用半分布式水文模型设计。按照计算单元划分、降水量空间插值、计算单元产汇流计算、子流域汇流计算和河网水系汇流计算等流程逐步开展计算，计量流程如图3所示。
(1)子流域与计算单元划分
计算单元划分是对研究流域进行分布式产汇流模拟的基础，本模型计算兼顾矩形网格划分法和自然子流域-水文响应单元划分法两种计算单元划分方法：即将研究区域划分为若干个子流域或区间，在每个子流域上再进行矩形网格划分；将汇流时间相等的网格单元进行合并，作为一个水文响应单元，对每个水文响应单元进行产汇流计算。
(2)降雨量空间插值
降雨量空间插值分析的主要任务是把流域内雨量站的资料利用空间插值方法，合理地插值到分布式水文模型所应用的空间网格上，以便于利用历史和实时自动测报雨量进行模型率定和模拟验证，其输出结果以数据库或数据文本方式储存。降水空间插值分析的实现途径如下：
①建立统一的基础空间数据库，包括统一的网格、单元、区域、子流域划分及编码，实现对统一区域对象的地理、水文、气象综合描述；
②多源降雨信息的同化及整合。无论是自动测报实时雨量，还是历史数据(包括月、日等时段)，模型均可以生成网格上的空间分布数据；
③单个计算单元面平均雨量采用泰森多边形法和空间线性插值法推求。
(3)计算单元产汇流计算
针对每个计算单元，分别建立新安江模型进行产汇流计算。新安江模型是一个分单元、分水源、分阶段，具有分布参数的完整的概念性降雨径流模型，适用于湿润与半湿润地区，具有概念清晰、结构合理、调参方便和计算精度较高等优点，在我国被广泛应用。模型计算主要分为蒸散发、产流、分水源和汇流4个阶段：蒸散发计算采用3层蒸散发模型；产流计算采用蓄满产流模型；径流划分为地表径流、壤中流和地下径流3种水源，径流划分采用了自由水蓄水库法；汇流计算中，地表径流汇流计算采用无因次单位线法，壤中流和地下径流汇流计算采用线性水库法。新安江模型计算流程如图4所示。
图4中，新安江模型的输入为实测雨量P，实测水面蒸发EM，输出为流域出口流量Q，流域蒸散发E。方框内写的是状态，是变量。方框外写的是参数，是常量。模型的结构可分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算及水流计算四部分。
①蒸散发计算
新安江模型采用三层土壤蒸散发模型进行蒸散发计算。其参数为上层张力水容量UM，下层张力水容量LM，深层蒸散发系数C，蒸散发折算系数K。所用公式为：
当上层张力水蓄量足够时，上层蒸散发EU为
EU＝K·EM
当上层已干，而下层蓄量足够时，下层蒸散发EL为：
EL＝K·EM·WL/LM
当下层蓄量亦不足，要触及深层时，蒸散发ED为
ED＝C·K·EM
②产流量计算
用蓄满产流概念。其参数为包气带张力水容量WM，张力水蓄水容量曲线的方次B，不透水面积的比值IM。所用公式为：
当P-K·EM≤0，则R＝0；不然，则:
当P-K·EM+A<MM，则
不然，则
R＝P-K·EM-WM+W
式中R为产流量。
③分水源计算
在两水源的模型中应用霍尔顿概念，具有参数FC，稳定入渗率。在三水源的模型中应用山坡水文学的概念，去掉了FC，增加了表层土自由水蓄水容量SM，表层土自由水蓄水容量曲线的方次EX，自由水蓄水容量对地下水的出流系数KG，自由水蓄水容量对壤中流的出流系数KI。所用公式为：
MS＝(1+EX)·SM
RG＝S·KG·FR
RI＝S·KI·FR
当P-K·EM≤0，则RS＝0；不然，则
当P-K×EM+AU<MS，则
不然,则
RS＝(P-K·EM+S-SM)·FR
式中RS、RG、RI是地面径流、地下径流、壤中流的产流量。
④坡面汇流计算
地下径流用线性水库模拟，其消退系数为CG，出流进入河网。表层自由水以KG向下出流后再向地下水库汇流的时间不另计，包括在CG之内。表层自由水以KI侧向出流后成为表层壤中流，进入河网。但如果土层较厚，表层自由水尚可渗入深层土。经过深层土的调蓄作用，才进入河网。深层自由水也用线性水库模拟，其消退系数为CI。地面径流的坡地汇流不计直接进入河网。计算公式为：
QG(i)＝QG(i-1)·CG+RG(i)·(1-CG)·U
QI(i)＝QI(i-1)·CI+RI(i)·(1-CI)·U
QS(i)＝RS(i)·U
QT(i)＝QS(i)+QI(i)+QG(i),i＝1,2,…
式中，QG(i)、QI(i)、QS(i)分别为单元面积上的地下径流、壤中流和地表径流流量；QT(i)为单元面积入河网总径流流量；U＝单元面积(km2)/3.6/△t(h)是单位转换系数。
(4)子流域汇流计算
子流域汇流计算基于各计算单元产汇流计算结果，采用等流时线法汇流模型。等流时线是指同时降落到流域的水滴，凡是能同时到达出口断面的水滴的连线；两条相邻等流时线间的流域面积称为等流时面积，示意如图5所示。
等流时线法假定流域流速分布均匀，单元流域出流断面在第i时段出流量是由第一块面积ω1上的本时段净雨，第二块面积ω2上一时段净雨……等所合成的：
式中：Qi为单元流域出流断面在第i时段出流量(m3/s)；
hi为第i时段地面净雨(mm)；
ωj为单元流域第j块等流时面积(km2)；
Δt为时段长(h)。
等流时线汇流是根据时间-面积曲线计算流量过程的一种方法，它假定流域各处汇流速度不随时间改变，即不存在断面流速分布不均匀的现象，以获得流域上假定的固定不变的等流时体系。等流时线概念说明出流流量是各块面积上的净雨，经过一定汇流时间后组成的，这是一个概念性模型，没有考虑河网调节作用，它认为在一定等流时线上的水质点，能同时到达出流断面。而事实上由于断面流速分布的不均匀性以及各种蓄水滞水的作用，这些水质点不能同时达到。即等流时线法只考虑了洪水波运动中的平移作用，而没有考虑其坦化作用。这一点则用线性水库来弥补，即滞后演算法，其概念是把洪水波运动中的平移与坦化两种作用，分开而且一次处理。滞后一段时间代表平移，用一个线性水库作一次演算就代表坦化。引入两个参数进行调算，即平移时间T和水库的蓄泄系数K(W＝KQ)。
汇流时间计算公式如下：
式中，T为汇流时间；V为坡地流速度；L为水力学意义上的汇流路径长
由于虚拟河网中糙率对径流路径影响的不可知性，实际计算中只考虑了径流过程坡度的影响，即认为L为水流从网格中心点流至流域出口断面处的地球表面路径长(依据两点坐标和它们之间的高差计算)。要确定汇流时间，对于有实测资料的河道汇流而言，可以用水力学方法进行计算，即根据河道的糙率、水力半径、坡度等求流速，进一步求取汇流时间；但对于坡地汇流和由其它方法生成的河道(以下简称虚拟河道)而言，用严格的水力学方法是不切实际的。于是国外一些学者提出了介于两者之间的方法为SCS(the SoilConservation Service)方法，采用下式计算：
V＝kS0 12
式中，V为坡地流速度；k为坡地流速度常数；S0为坡地流平均坡度。
(5)流域河系汇流计算
流域河系的汇流计算是将各子流域出口流量演算至流域总出口。模型采用马斯京根分段连续演算法进行计算。将马斯京根槽蓄方程与水量平衡方程联解，可以得到马斯京根演算基本公式：
Q2＝C0I2+C1I1+C2Q1
其中：
C0+C1+C2＝1
式中：I、Q为河段入流、出流；脚码1、2时段初、时段末。C0、C1、C2是马斯京根法参数K和x的参数。
马斯京根分段连续演算是将演算河段划分为n个单元河段，用马斯京根法连续进行n次演算，以求得出流过程。也就是说，马斯京根分段流量演算法的计算需要确定每一个分段的参数K、x及分段个数n的值。
本实施例中，需水量预报模块进行农田灌溉需水量预报和生活工业需水量预报。
(1)农田灌溉需水量预报
一、水稻灌溉需水量预报
a.水稻田灌排调节计算。根据作物灌溉制度模型，水稻田灌排调节计算公式为：
H＝H1+P-E-Rf
E＝KrK1Ep
当H>Hp时，
H2＝Hmax Rs＝H-Hmax D＝0
当Hmin≤H≤Hp时，
H2＝H Rs＝0D＝0
当H<Hmin时，
H2＝Hmax Rs＝0D＝Hmax-H
其中，P为日降雨量(mm)；Ep为日蒸发皿蒸发量(mm)；E为日水稻生长需水量(mm)；K1为折算系数，K1Ep为大水面日蒸发量；Kr为水稻生长需水系数；Rf为水稻田的日下渗量(mm)；H1、H2为水稻田时段初和时段末的水深(mm)；Hmin、Hmax、Hp为水稻生长的适宜水深下限、适宜水深和最大(耐淹)水深(mm)，按参考灌溉试验站数据取值；Rs为水稻田的日径流深(mm)；D为水稻田的每日灌溉量(mm)。
b.水稻田插秧泡田用水计算。水稻田插秧泡田用水计算原理如下：设泡田期均匀灌水至目标水深，每天最大灌水量限制为：
ΔV＝(WM-W0+Hp)/d+(Rf+Re)
其中，ΔV为泡田期每天最大灌水量(mm)；WM为田间持水量(mm)；W0为泡田期初土壤含水量(mm)；Hp为泡田期末田间蓄水深(mm)；d为泡田期天数；Rf为泡田期平均每天渗漏量(mm)；Re为泡田期平均每天水面蒸发能力量(mm)。
(一)泡田期每天灌水计算公式为：
V＝W1+H1+Pt-Et-Rft
分两种情形：
①若V≤WM+Hp,则
V2＝V+Dt
当V2≤WM时,
W2＝V2 H2＝0
否则,
W2＝WM H2＝V2-WM
②若V>WM+Hp,则
Dt＝0 W2＝WM H2＝V-WM
上式中，W1、W2为时段初、末土壤湿润层储水量(mm)；H1、H2为水稻田时段初和时段末的水深(mm)；Pt为日降雨量(mm)；Et为日水面蒸发量(mm)；Rft为泡田期日渗漏量(mm)；Dt为泡田期日田间灌水量(mm)；
(二)水稻烤田期水量平衡方程如下：
V＝W1+H1+P-E-Rf
若V>WM，则
W2＝WM R＝V-WM H2＝0.0 D＝0.0
否则，
W2＝V R＝0.0 H2＝0.0 D＝0.0
二、旱作物灌溉需水量预报
旱作物田间土壤湿润层水量平衡方程为：
W2＝W1+P′+Eg+D-kc·k1·Ep
其中，W1为时段初土壤湿润层储水量(mm)；W2为时段末土壤湿润层储水量(mm)；P′为时段内降有效降雨量(mm)，当土壤湿润层储水量小于田间储水量时，有P′＝σP，这里为降雨有效利用系数，它与降雨总量、降雨强度、土壤性质等因素有关，一般应通过试验测定，一般可取σ＝0.7～0.8。Eg潜水蒸发补给量(mm)，与地下水埋藏深度、土壤性质、作物种类有关，某些地区经验表明，地下水埋深在1～2m之内，可考虑地下水利用量占总耗水量20％左右，地下水埋深超过3m可不予考虑。Kc旱作物生长需水系数；Ep日蒸发皿蒸发量(mm)；D旱作物日灌溉用水量(mm)；
对于蓄满产流为主的南方湿润地区，旱作物田间灌溉用水量计算公式概化如下：
W＝W1+P-k·Ep
W2＝W+D-R
当W<Wmin时，
W2＝Wmax D＝Wmax-W R＝0
当Wmin≤W≤WM时，
W2＝W D＝0R＝0
当W>WM时，
W2＝WM D＝0R＝W-WM
上式中，k为流域综合蒸散发折算系数；R为降雨径流量(mm)；WM为田间持水量(mm)；Wmin为土壤湿润层旱作物生长最小含水量(mm)，大于凋萎含水量，土壤湿润层含水量低于该值就应灌溉；Wmax为土壤湿润层旱作物生长适宜含水量(mm)；田间持水量的比例表示土壤相对含水量，土壤湿润层旱作物生长最小含水量和适宜含水量公式如下：
Wmax＝βmax·WM
Wmin＝βmin·WM
上式中，β为土壤湿润层相对于田间持水量的相对含水量；βmin为农作物生长土壤湿润层最小相对水量；βmax为农作物生长土壤湿润层适宜相对含水量。
三、参考作物需水量计算
上述公式中的作物生长需水量E也可采用Penman-Monteith公式计算，见式(4-7)。
式中，ET0为潜在蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为温度～饱和水气压关系曲线上在处的切线斜率，kpa/℃；
式中，T为平均气温，℃；ea为饱和水气压，kpa；
式中，Rn为净辐射，MJ/m2·d；
Rn＝Rns-Rnl
式中，Rns为净短波辐射，MJ/m2·d；Rnl为净长波辐射，MJ/m2·d；
式中，n为实际日照对数，d；N为最大可能日照对数，d；
N＝7.46Ws
式中，Ws为日照时数角，rad；
式中，为地理纬度，rad；δ为日倾角，rad；
δ＝0.409sin(0.0172J-1.39)
式中，J为日序数；Ra为大气边缘太阳辐射，MJ/m2·d；
式中，dr为日地相对距离；
dr＝1+0.033cos(0.0172J)
式中，ed为实际水汽压，kPa。
式中，RHmean为平均相对湿度，％；ea(Tmin)为Tmin时的饱和水气压，kpa；Tkx为最高绝对温度，K；Tkn为最低绝对温度，K；
Tkx＝Tmax+273
Tkn＝Tmin+273
式中，G为土壤通热量，MJ/m2·d；
对于逐日估算ET0，则第d日土壤通热量为：
G＝0.38(Td-Td-1)
式中，Td、Td-1分别为d，d-1日气温，℃；Г为湿度表常数，kpa/℃；
γ＝0.00163P/λ
式中，P为气压，kpa；
式中，Z为计算地点海拔高程，m；λ为潜热，MJ·kg-1；
λ＝2.501-(2.361×10-3)·T
式中，U2为2m高处风速，m/s；
u2＝4.87·uh/ln(67.8h-5.42)
式中，h为风标高度，m；uh为实际风速，m/s。
(2)生活工业需水量预报
采用定额法对生活用水量进行预测，预测公式如下：
W＝P(1+η)n·Ki
式中：W为生活需水量；P为现状人口；η为人口增长率；n为增长年数；Ki为人均需水定额。
采用万元工业增加值用水量法或万元工业产值用水量指标法对一般工业用水量进行预测，预测公式如下：
V＝G·B
式中：V为一般工业需水量；G为工业增加值或工业产值；B为万元工业增加值用水量或万元工业产值需水量。
本实施例中，水资源配置模块在安排供需分析计算次序后，进行供需分析计算。
模型中水资源配置模块的主要功能是基于灌区各用水户取供排水格局，对各用户的取供排水过程进行模拟。因此，采用基于现状配置规则的方法开展水资源供需平衡分析计算。
(1)供需分析计算次序
①优质水水源(小型供水水库)的供水次序：先保证生态流量，再依次向优质水用户、一般水用户、农业水用户和环境水用户等供水；
②一般水水源(河道与小型工业供水水库)的供水次序：依次向一般水用户、农业水用户和环境水用户供水；
③农业水水源(河道与小型农灌水库)的供水次序：依次向农业水用户和环境水用户供水；
④优质水用户的取水次序：依次从本地小型供水水库取水；
⑤一般水用户的取水次序：依次从河道、工业供水水库取水；
⑥农业水用户的取水次序：依次从河道、农灌水库、工业供水水库取水。
(2)供需分析计算方法
①河道水源供需计算
河道水源没有调蓄能力，其供需平衡状况等于河道来水量减去生态基流量、工业用水量及农业用水量等各类用户需水量，公式如下：
式中：为河道第i时段供需分析计算结果；为河道第i时段来水量；为河道第i时段生态基流量；为河道第i时段工业需水量；为河道第i时段农业灌溉需水量；kriv为河道供需计算校正系数。
②水库水源供需计算
水库水源兴利调节计算受兴利库容限制，其供需平衡计算与水库来水量、蓄水量和各行业需水量有关，计算公式如下：
式中：为水库第i时段蓄水量；为水库第i+1时段入库径流量；为水库第i+1时段生态基流量；为水库第i+1时段城乡需水量；为水库第i+1时段工业需水量；为水库第i+1时段灌溉需水量；VL为水库兴利库容；krev为水库供需计算校正系数。
③单一用户多水源供需
单一用户的多水源供需采用逐级调算方法演算，按上述供需分析计算次序依次选用相应水源进行供需演算，直至用户需水量得到满足或所有水源供需结束，输出用户供需平衡计算结果，计算公式如下：
式中：为用户第i时段供需分析计算结果；为用户第i时段需水量；为用户j个水源第i时段的供水量。
可以通过编写执行本实施例中的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法的计算机程序，将该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本实施例中的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法，从而实现与实施例中的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法相同的技术效果。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (4)

1.一种山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法，其特征在于，所述山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法包括：
建立基于水循环的水资源配置模型；所述基于水循环的水资源配置模型包括水文产汇流模块、需水量预报模块和水资源配置模块；
通过所述水文产汇流模块进行子流域与计算单元划分、降雨量空间插值、单元产汇流计算、子流域汇流计算和流域河系汇流计算；
通过所述需水量预报模块进行水稻灌溉需水量预报、旱作物灌溉需水量预报、参考作物需水量预报和生活工业需水量预报；
通过所述水资源配置模块进行供需分析计算，确定灌溉用水供需配置；
所述子流域汇流计算，包括：
汇流时间计算公式如下：
式中，为汇流时间；为坡地流速度；为水力学意义上的汇流路径长；
式中，为坡地流速度；为坡地流速度常数；为坡地流平均坡度；所述流域河系汇流计算，包括：
采用马斯京根分段连续演算法进行计算，马斯京根演算基本公式为：
其中：
式中：为河段入流，为河段出流；脚码1表示时段初，脚码2表示时段末；、、是马斯京根法参数和的参数；
所述单元产汇流计算，包括：
针对每个计算单元，分别建立新安江模型进行产汇流计算；所述新安江模型包括蒸散发计算、产流量计算、分水源计算和坡面汇流计算。
2.根据权利要求1所述的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法，其特征在于：
所述子流域与计算单元划分，包括：
将研究区域划分为若干个子流域或区间；
在每个子流域上再进行矩形网格划分；
将汇流时间相等的网格单元进行合并作为一个水文响应单元；
对每个水文响应单元进行产汇流计算；
所述降雨量空间插值，包括：
建立统一的基础空间数据库，实现对统一区域对象的地理、水文、气象综合描述；所述基础空间数据库包括统一的网格、单元、区域、子流域划分及编码；
进行多源降雨信息的同化及整合，生成网格上的空间分布数据；
单个计算单元面平均雨量采用泰森多边形法和空间线性插值法推求。
3.一种计算机装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求1或2所述的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法。
4.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行权利要求1或2所述的山地丘陵区小型灌区灌溉用水配置方法。
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