区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法及模拟装置

1.本发明属于农业排水模拟的技术领域，具体涉及一种区域明沟排水对农田影响的调控方法及装置。

背景技术：

2.旱涝渍灾害是世界上影响最严重的自然灾害之一，特别是对农业生产具有严重的威胁。极端旱涝事件增多，影响作物的生长发育，从而危害全球粮食生产和粮食安全。控制排水是对传统自由排水方式的改良，通过工程和管理措施控制田间明沟系统，实现在涝渍期降低地下水位，又在受旱期通过抬高地下水位补充土壤水降低作物受旱的胁迫。根据大部分生产实践，农田控制排水设施在防御农业旱涝渍灾害、促进农作物正常生长、合理利用水资源、促进经济发展等方面起着积极的作用。控制排水方式主要有明沟和暗管两种。明沟控制排水研究中的重点是明沟的工程布局和调控方案，明沟位置、埋深、间距、断面大小和出口堰高的确定，是明沟排水系统设计的关键技术和主要任务。
3.目前确定区域涝渍调控方式有田间试验和计算机模拟两种方法。田间试验是在田间设置不同的明沟布局和调控方式，通过测定特定的指标如排水量、地下水位、作物产量及品质等确定明沟最优调控方式。但这种方法受试验田的面积和试验所需的人力物力等条件的限制，仅能针对特定情况，如某一特定的作物、特定的地区及特定的排水方式开展试验，且试验周期一般较长，费用较高，指标测定复杂。现有的计算机模拟程序大多针对理想或者简化的排水方式及土壤参数来开展，针对规模小、数量少的田间明沟进行模拟，无法反映大规模骨干明沟与田间明沟共同布局条件下降雨从田间进入田间小沟、中沟再汇入大沟的水流全过程，和整个区域土壤水、地下水位的情况，也无法确定整个区域上明沟系统调控的排水增产效果。
4.为了确定合适的明沟调控水位、明沟控制建筑物和明沟调控方案，得出区域范围内明沟水位调控下的地表水、土壤水、地下水动态和作物产量，保证明沟调控的控水增产效果，需要开发更为高效和准确的模拟方法。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，该方法以整个区域明沟排水系统的排水量、区域涝渍状况和作物效果为设计目标调控明沟排水，从而有效保证大范围明沟排水条件下的排水效果。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一个目的是提供一种区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，包括如下步骤：
8.步骤1.收集研究区域基础水文气象及田间数据；
9.步骤2.基于步骤1收集的基础水文气象及田间数据，建立研究区域的水流模型和作物生长模型；
10.步骤3.结合基础水文气象及田间数据，对步骤2得水流模型进行时间和空间离散，构建地表水与地下水数据交互模块并定义模块边界，在模块中输入初始地下水位和土壤含水率和上边界源汇模拟得到地下水和地表水数据，根据模拟的地下水以及地表水的数据结合步骤2的作物生长模型模拟作物地上生物量的逐日累计过程和产量；
11.步骤4.利用实测数据结合步骤3率定验证步骤2建立的水流模型和作物生长模型；
12.步骤5.基于明沟数据和明沟上建筑物数据，建立模拟明沟排水模型；
13.步骤6.利用步骤5中的模型模拟明沟排水条件下区域水分动态，输出各级明沟排水量、各田块旱涝强度，并根据明沟排水量结合步骤4率定的作物生长模型模拟各田块的作物产量；
14.步骤7.以作物产量最大、各级明沟排水量最低、各田块旱涝强度最低其中之一或全部要求为设计目标，调整明沟参数、闸堰位置及其调控方案，模拟得到每次调整后的输出变量，即作物产量、排水量和旱涝强度，根据输出变量是否达到设计目标，确定最优的明沟参数、闸堰位置及其调控方案，否则修改调整明沟参数、闸堰位置及其调控方案进行再次模拟，直至输出变量达到设计目标。
15.进一步地，步骤1中基础水文气象及田间数据包括但不限于空间地理数据、气象数据、水文地质数据、土壤数据、灌水数据、排水系统数据、田间管理数据。
16.进一步地，步骤2中的水流模型包括地表水水流模型、明沟水流模型、土壤水流模型以及地下水水流模型。
17.进一步地，地表水水流模型为：
[0018][0019]
式中：q
surf
为地表产流量；p为当日降水量；ia为地表有积水前的初损量；s为径流开始后地表可能最大蓄水量；
[0020]
明沟水流模型为：
[0021][0022]
式中：q是明沟中的流量，m3/s；s是水流运动方向的距离，m；a是明沟横断面的面积，m2；b是明沟水面宽度，m；h是明沟水位，m；q是进入明沟的净流量，m2/s；α是流量校正系数，无量纲；g是重力加速度，m/s2；sf是摩阻力比降；vs是q沿着水流方向的速度，m/s；
[0023]
土壤水流模型为：
[0024][0025]
式中，θ为土壤体积含水率，无量纲；t为时间，d；z是土壤数值方向z轴坐标，以地面
为0点，向上为正方向，cm；s代表源汇项；k(h)为土壤非饱和水力传导度，是土壤水势h的函数，根据土壤水分特征曲线确定；h土壤水势；
[0026]
地下水水流模型为：
[0027][0028]
式中，k为饱和渗透系数，m/s；k
xx
、k
yy
、k
zz
为渗透系数在x、y、z轴方向的分量，m/s；h为水头，m；w为外部源汇项，1/s；ss为含水层贮水率，1/m；ω为模拟范围，m；s1、s2为模拟边界；φ为定水头边界，m；ψ为定流量边界，m/s。
[0029]
进一步地，作物生长模型为：
[0030][0031]
式中：yld是作物收获时的产量，kg/hm2；hi是收获指数；ba是植物的地上生物量，kg/hm2；i是第i天的序号；δb
p
是作物在第i天的潜在生长量，kg/hm2；f
min
是作物受到胁迫因子的最小值，fw、f
wd
和f
t
分别是植物的干旱、涝渍和温度胁迫因子，无量纲；be是作物将能量转化为生物量的转化因子，(kg/hm2)/(mj/m2)；par是作物获得的太阳辐射，mj/m2。
[0032]
进一步地，步骤4中对水流模型的渗透系数、给水度、cn值、小沟和大沟的渗透系数k以及糙率进行率定，对作物生长模型的作物最大收获指数hi以及生物量-能量转化率进行率定。
[0033]
进一步地，步骤5中，明沟数据包括底部高程、间距、底宽、边坡系数、出口控制程度、各级明沟控制面积；明沟上建筑物数据包括明沟上水工建筑物位置以及建筑物类型、宽度、孔径、底部高程、高度。
[0034]
进一步地，根据地下水模块计算的地下水位结果，步骤6中，采用下式计算各点的累计旱涝强度acdwi来评价区域内各点的旱涝状况：
[0035][0036]
式中：sew
x
为累计超标准地下水深，是评价作物受渍的指标；sewy为累计小于标准地下水深，是评价作物受旱的指标；n是模拟的总年数；m1表示实际地下水位埋深小于标准受渍地下水埋深的天数，m2表示实际地下水位埋深大于标准受旱地下水埋深的天数；d
t
为研
究时段内中第t日地下水埋深；x为地下水适宜埋深的上限；y为地下水适宜埋深的下限；h
max
为地下水极限埋深。
[0037]
本发明的另一个目的是提供一种用于实现上述的区域明沟排水对农田影响的调控方法的装置，包括基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部、执行部以及控制部；
[0038]
基础数据获取部，其用于获取研究区域基础数据；
[0039]
建模部，其与基础数据获取部通信相连，基于基础数据获取部收集的基础数据，建立研究区域水流模型和作物生长模型；
[0040]
率定验证部，其与基础数据获取部和建模部通信相连，对水流模型和作物生长模型进行率定验证，得到率定验证后的模型；
[0041]
布设部，其与基础数据获取部和率定验证部均通信相连，在模型指定的明沟排水区及其他区域细化网格，并基于明沟分布历史资料确定区域上合理的明沟水工建筑物布局、明沟水位调控方案、田间明沟参数，然后在区域上布置明沟排水系统；
[0042]
模拟部，其与布设部通信相连，模拟明沟排水条件下区域水分动态、旱涝状况与作物生长情况，输出排水量、旱涝指标和作物产量；
[0043]
调整部，其与布设部和模拟部均通信相连，根据设计目标和区域实际情况调整明沟布局及调控参数以达到明沟系统设计目标；
[0044]
控制部，与基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部均通信相连，控制它们的运行。
[0045]
进一步地，还包括：
[0046]
输入显示部，其与基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部和控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并显示相应信息；
[0047]
图像生成部，其与布设部、模拟部、调整部、输入显示部、控制部均通信相连，根据布设部布置的明沟排水系统生成相应的明沟布局图，根据模拟部模拟的水分动态、旱涝指标和作物生长过程生成相应的水分动态与旱涝指标等变化图表，根据调整部的调整情况生成调整后的明沟布局图；其中，输入显示部对图像生成部生成的图像进行显示；
[0048]
执行部，与布设部、模拟部、调整部、控制部均通信相连，包含多个明沟挖掘整治机器人，根据调整部确定的达到明沟排水系统设计目标的明沟布局参数和布置方式在相应区域实地建设或整治明沟系统；
[0049]
此外，图像生成部还与执行部通信相连，根据执行部的实地布设情况，生成施工进度图。
[0050]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0051]
本发明根据区域的土壤、地物分类、水文地质及明沟位置、断面参数、出口控制参数、控制建筑物位置和控制方案，模拟出在明沟排水条件下，整个区域的水分动态和作物生长动态，反映大规模明沟控制排水(包含自由排水)条件下整个区域上地表水、明沟水、土壤水和地下水情况，而且还能够确定整个区域明沟排水系统的排水量、区域涝渍状况和作物效果，弥补了现有模型中只考虑田间明沟以及没有考虑明沟水与其他水循环部分之间交换量的不足，为区域明沟排水模拟提供了新途径，为研究大区域明沟布局条件下水分动态和作物生长模拟提供了更加精确和高效的方式；
[0052]
此外，本发明还可以生成满足相应排水效果目标的区域明沟布局图和调控方案，为实际明沟布设和调控提供了更加直观的技术支持，根据该区域明沟布局图进行施工和调控方案进行管理能够有效保证大范围明沟排水条件下的排水效果。
附图说明
[0053]
图1为本发明提供的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法的流程图；
[0054]
图2为本发明实施例中涉及的安徽利辛试验区地理位置图、灌溉降雨蒸发数据图；其中，(a)为利辛试验区在中国安徽省及利辛县中的位置，(b)为利辛试验区中沟道及观测井的位置，(c)为利辛试验区灌溉降雨蒸发数据图；
[0055]
图3为本发明实施例中涉及的利辛试验区明沟水位、地下水位实测值与模拟值对比结果图；其中，(a)为模型率定期模拟的车辙沟水位与实测值对比图，(b)为模型验证期模拟的车辙沟水位与实测值对比图，(c)为模型率定期模拟的地下水位与实测值对比图，(d)为模型验证期模拟的地下水位与实测值对比图；
[0056]
图4为本发明实施例中涉及的利辛试验区各观测井地下水实测值与模拟值对比结果图；
[0057]
图5为本发明实施例中涉及的利辛试验区作物产量空间分布图；其中，(a)为小麦；(b)为玉米，(c)为大豆。
[0058]
图6为小沟间距为250m时研究区各田块的累计旱涝强度；
[0059]
图7为本发明实施例中涉及的安徽淮北平原研究区不同明沟布局图；其中，(a)小沟间距100m(b)小沟间距250m(c)小沟间距400m。
具体实施方式
[0060]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0062]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0063]
如图1所示，本发明公开了一种区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，包括以下步骤：
[0064]
步骤1、收集研究区域基础数据，包括空间地理数据、气象数据、水文地质数据、土壤数据、灌水数据、排水系统数据、田间管理数据等；
[0065]
本实施例中，试验区域在安徽省亳州市利辛县内，淮北平原中南部，地处东经116
°8′
17〞～116
°
14
′
37〞，北纬33
°5′
55〞～33
°
18
′
19〞，试验区地理位置如图2(a)和(b)所示，南北长约22.1km，东西宽约7.0km，面积70km2，试验区地表高程在28m
–
3 0m，地势较为平坦，地层在垂向上可分为两层，上层的平均厚度为6m，主要含水层约35m。试验区降雨、蒸发数据如图2(c)所示。
[0066]
步骤2.基于步骤1收集的基础水文气象及田间数据，建立研究区域的水流模型和
作物生长模型；
[0067]
其中，水流模型包括地表水流模型、明沟水流模型、土壤水流模型以及地下水水流模型；在本实施例中，可以进行不同的网格划分和细化方式对地表水和地下水两者之间通过相互重叠面积进行水量交换，以提高模型的精度。地下水采用矩形网格进行模拟，可以采用modflow常规加密或modflow-lgr进行局部加密后模拟，结合地物分类结果可以采用是任意形状(三角形，四边形或者多边形等)进行地表网格划分，并转换为shp格式的gis文件输入地表水流模型进行地表水的产流过程模拟。模拟的地表水流模型为：
[0068][0069]
式中：q
surf
为地表产流量，mm；p为当日降水量，mm；ia为地表有积水前的初损量，mm；s为径流开始后地表可能最大蓄水量，mm。初损量包括径流开始前的所有损失，包括地表洼地蓄水、植被截留、蒸发和入渗。cn值是个经验参数，该参数综合了土壤层特性、地表覆盖和初始土壤含水量信息。
[0070]
通过虚拟的线单元进行地表水汇入明沟后的水流过程模拟，通过明沟的线单元，可以模拟计算田间排水(包括降雨径流和地下渗流)从田间小沟到中沟再到大沟中的全过程，实现了多级明沟排水的模拟。在该过程中，可以模拟各级渠道之间的互相影响及明沟水与地下水之间的相互交换，其中，明沟水流模型为：
[0071][0072]
式中：q是明沟中的流量，m3/s；s是水流运动方向的距离，m；a是明沟横断面的面积，m2；b是明沟水面宽度，m；h是明沟水位，m；q是进入明沟的净流量，m2/s；α是流量校正系数，无量纲；g是重力加速度，m/s2；sf是摩阻力比降；vs是q沿着水流方向的速度，m/s；
[0073]
在地表水与明沟水流计算中，模拟上级明沟(小沟或中沟)进入下级明沟(中沟或大沟)的流量可以解决现有排水系统模拟方法中无法反映出明沟出口水位对于明沟流量顶托影响的不足，以及下级明沟对上级明沟的补水效果。在计算时，如果下级明沟的水位小于上级明沟水位，下级明沟(大沟或中沟)通过如下公式计算对上级明沟(中沟、小沟)出口流量产生影响：
[0074][0075]
式中：q是上级明沟进入下级明沟的流量，m3/s；σ是下级明沟对上级明沟的顶托系数，无量纲；h是上级明沟水深，m；m是上级明沟边坡系数，无量纲；b是上级明沟底宽，m；r是
上级明沟的水力半径，m；n是上级明沟糙率，无量纲；i是上级明沟纵坡坡降，无量纲；x是下级明沟水位超过上级明沟出口高程的高度与上级明沟水深的比值，无量纲。而当下级明沟的水位超过上级明沟水深，且两者都大于上级明沟的沟底高程时，采用下式计算q：
[0076][0077]
式中：z1是下级明沟水位，m；z2是上级明沟水位，m；n是明沟糙率，无量纲；l是上级明沟长度的一半，m；r是水力半径，m；a2是上级明沟中点的过水断面面积，m2；a1是上级明沟出口的过水断面面积，m2；a
12
是a1和a2的均值，m2。
[0078]
土壤水流模型为：
[0079][0080]
式中，θ为土壤体积含水率，无量纲；t为时间，d；z是土壤数值方向z轴坐标，以地面为0点，向上为正方向，cm；s代表源汇项，本研究为根系吸水项，1/cm k(h)为土壤非饱和水力传导度，是土壤水势h的函数，根据土壤水分特征曲线确定；h土壤水势；
[0081]
地下水水流模型为：
[0082][0083]
式中，k为饱和渗透系数，m/s；k
xx
、k
yy
、k
zz
为渗透系数在x、y、z轴方向的分量，m/s；h为水头，m；w为外部源汇项，1/s；ss为含水层贮水率，1/m；ω为模拟范围，m；s1、s2为模拟边界；φ为定水头边界，m；ψ为定流量边界，m/s。
[0084]
建立的作物生长模型为：
[0085][0086]
式中：yld是作物收获时的产量，kg/hm2；hi是收获指数；ba是植物的地上生物量，kg/hm2；i是第i天的序号；δb
p
是作物在第i天的潜在生长量，kg/hm2；f
min
是作物受到胁迫因子的最小值，fw、f
wd
和f
t
分别是植物的干旱、涝渍和温度胁迫因子，无量纲；be是作物将能量转化为生物量的转化因子，(kg/hm2)/(mj/m2)；par是作物获得的太阳辐射，mj/m2。
[0087]
步骤3、结合基础水文气象及田间数据，对步骤2得水流模型进行时间和空间离散，构建地表水与地下水数据交互模块并定义模块边界，在模块中输入初始地下水位和土壤含
水率和上边界源汇模拟得到地下水和地表水数据，根据模拟的地下水以及地表水的数据结合步骤2的作物生长模型计算作物地上生物量的逐日累计过程和产量；
[0088]
在本实施例中，时间和空间离散具体为：空间上地下水模拟中，水平方向将区域模型划分为272行
×
94列，共25568个网格，其中有效网格13447个，网格大小为100m
×
100m、100m
×
50m和50m
×
50m，垂向模拟深度为35m，分为2个数值层，第1层代表弱透水层，厚度设为6m，第二代表主要含水层，厚度取为29m。地表水模拟中，区域内共2066个田块，784个小沟控制区，182个中沟控制区和5个大沟控制区。率定期为2017年1月1日-2019年6月1日，验证期为率定期为2019年6月2日-2021年6月1日，时间步长为1天。
[0089]
定义模型边界：研究区内北高南低，地面坡度约为1:5100；东西方向相对平坦，自西向东分别为西红丝沟、中红丝沟、东红丝沟、车辙沟和驻马沟，其中西红丝沟和驻马沟均起源于距离阜蒙新河约20km的农田，车辙沟发源于距离阜蒙新河约30km的楚店镇。研究区南边以阜蒙新河为界，北边分别以西红丝沟、驻马沟的起点与车辙沟的交界处为边界，由于东西方向相对平坦，根据大沟控制排水的范围认为两条相邻大沟在同一中沟的中点处是分水岭，中沟在该处两边的水流方向相反，再根据各大沟实际调查的汇流情况对上述结果进行调整。在计算地下水时，将研究区北部，东部和西部边界设定为不透水边界，南部的阜蒙新河由于河道较深且规模比较大，采用已知水头边界。
[0090]
在定义模型边界后，在模型中输入初始地下水位和土壤含水率和上边界源汇模拟得到逐日的地下水和地表水数据，根据模拟的地下水以及地表水的数据结合步骤2的作物生长模型计算作物地上生物量的逐日累计过程和产量。
[0091]
步骤4.利用实测数据结合后步骤3模拟结果率定验证步骤2建立的水流模型和作物生长模型；
[0092]
土壤水力参数根据实测的数据给定初值进行参数拟合，表1中给出了率定后的土壤水模型中各个土壤水力参数值。地下水模块主要对渗透系数以及给水度进行率定，结果可见表1。作物参数采用美国epic的作物参数数据库的数据，由于该数据来源于美国，需要进行校正微调，率定后的作物生长模型的参数数据可见表2。地表水模型主要是利用scs产流模型，主要率定的参数为cn值，通过率定后数据可见表3。明沟水模型主要是对小沟和大沟的渗透系数k以及糙率等参数进行率定，率定结果见表4。另外，若结果不可以接受，则可以通过调整水文地质参数和计算源汇项的系数提高模拟精度，主要包括渗透系数、给水度、潜水蒸发系数等。
[0093]
表1土壤水与地下水模型主要参数
[0094]
深度(m)0-0.20.2-0.40.4-0.80.8-66-35θr(cm3cm-3
)0.010.020.010.010.01θs(cm3cm-3
)0.370.40.380.380.38α(cm-1
)0.0110.0110.0060.0030.003n1.581.451.151.11.1ks(m/d)2.58101515给水度0.050.050.050.10.1
[0095]
表2作物生长模型主要参数
[0096][0097]
表3地表水模型主要参数
[0098]
土地利用cn
2-acn
2-bcn
2-ccn
2-d建筑用地77869194草地49697984林地45667783作物62738184裸地45667783水体92929292
[0099]
注：表中a、b、c、d指四种土壤透水条件，cn2为标准水分条件下的cn值
[0100]
表4明沟水流模型主要参数
[0101][0102][0103]
图3和图4为率定验证结果，其中，图3为利辛试验区明沟水位实测值与模拟值在率定期和验证期的对比结果图，图3(a)～(b)为率定期和验证期的明沟水位模拟值与实测值随时间变化的情况，图3(c)～(d)为率定期和验证期的明沟水位模拟值与实测值的散点图；图4为利辛试验区地下水实测值与模拟值对比结果图，其中s1、s2等为图2中各个测井的编号。整个率定期水位的模拟值和实测值之间r2为0.57，rmse、rmae和me也分别小于0.239、0.592和0.014；模型验证期的水位的r2为0.74，rmse、rmae和me分别小于0.327、0.692和0.121。地下水位模拟值与实测值的变化趋势基本一致，近沟点s1、m1和n1的模拟值与实测值的误差相对较小，而远沟点的s10、n5等相差比较大，但是整体rmse小于0.418。大多数观测井的rmse仍在0.5m以内，模型具有一定的可靠性。
[0104]
步骤5.基于明沟数据和明沟上建筑物数据，建立模拟明沟排水的模型；在明沟布置区细化地表水的计算网格，基于收集到的或者设定的明沟数据与明沟上建筑物的数据，进行模型的数据输入；其中，上述数据包括：(1)明沟数据，包括底部高程、间距、底宽、边坡系数、出口控制程度、各级明沟控制面积，以此在区域上布置明沟排水系统。(2)明沟上水工建筑物位置、建筑物类型(闸门、涵洞、桥梁、溢流堰等)、宽度、孔径、底部高程、高度等；
[0105]
在地下水位观测井断面上局部细化网格，网格大小为50m
×
50m。根据现场勘查的以及从google earth中获取的明沟资料为模型提供明沟布置数据，包括明沟埋深、间距、堰高比、断面大小、大中小沟控制区面积、大中小沟流向、沟底高程、明沟建筑物等，根据得到的数据建立明沟排水模型，即在区域上布置明沟排水系统。以2017年为基准年，采用模型进行模拟，模拟期从1月开始，初始水头由2017年1月1日实测值插值得到，时间步长为1天，模拟时间共1613天。
[0106]
步骤6.利用步骤5中的模型模拟明沟排水时区域水分动态(包括各网格地下水位、各网格分层土壤含水率)，进而计算各田块旱涝强度和作物产量，最终输出各级明沟排水量、各田块旱涝强度和作物产量；
[0107]
在本实例中主要以各网格的逐日地下水位计算区域的旱涝强度，以各网格分层的土壤含水率计算作物生长的胁迫因子，用于计算当日的作物产量增加量。本实施例采用累计旱涝强度acdwi来评价当区域内旱灾和涝渍灾害并存时区域的旱涝状况，除作物产量外该指标也可以反映排水系统对旱涝的调控效果，且避免了现有指标中只包含涝渍灾害影响的不足，该指标根据步骤2模型中的地下水模块进行计算，具体地，累计旱涝强度acdwi公式为：
[0108]
acdwi＝(sew
x
+sewy)/n
[0109][0110][0111]
式中：sew
x
为累计超标准地下水深，是评价作物受渍的指标，cm
·
d；sewy为累计小于标准地下水深，是评价作物受旱的指标，cm
·
d，n是模拟的总年数；m1表示实际地下水位埋深小于标准受渍地下水埋深的天数，m2表示实际地下水位埋深大于标准受旱地下水埋深的天数；d
t
为研究时段内中第t日地下水埋深，cm；x为地下水适宜埋深的上限(对玉米和小麦而言，x分别为40cm和60cm，d
t
＜x时，作物受渍。式中，当d
t
＞x时，取d
t
＝x，当d
t
＜0时，取d
t
＝0。现有研究中多采用x＝30cm，也有采用x＝50cm和60cm。y为地下水适宜埋深的下限(对玉米和小麦而言，y分别为100cm和150cm，d
t
＞y时，作物受旱。然而，当地下水埋深过深大(达到地下水极限埋深h
max
)时，土壤蒸发和作物蒸腾消耗的水分无法从地下潜水中得到补给，故当地下水埋深d
t
大于h
max
，取d
t
＝h
max
。对某种作物而言acdwi值越小，说明该作物生长期间的累积旱涝强度越小。并且可以根据步骤4率定后的作物生长模型计算各田块作物产量，获得研究区域的产量和累计旱涝强度空间分布情况，图5为研究区内各田块小麦、玉米和大豆的产量空间分布图。从图5中可以看出，研究区的农田大部分集中在中部和北部地区，秋粮以玉米为主，大豆种植面积很小。小麦产量在0～7200kg/ha之间，产量减小的区域主要在驻马沟和西红丝沟的控制区上游，中间越靠近车轴沟的区域小麦产量越高，作物生长受到的胁迫越小，图5(b)玉米的产量空间分布也呈同样特点。图6为各田块的累计旱涝强度，由于该值主要受地下水埋深的影响，与地面高程有较大关系，空间特征并不明显，整体上呈中间区域大，周边区域相对较小的特点。
[0112]
步骤7.以作物产量最大、各级明沟排水量最低、各田块旱涝强度最低其中之一或
全部要求为设计目标，调整明沟参数(深度、间距、断面参数、出口堰高)、闸堰位置及调控方案，模拟得到每次调整后的输出变量(作物产量、排水量和旱涝强度)，根据输出变量是否达到设计目标，确定最优的明沟参数和闸堰位置及其调控方案等，否则修改明沟参数和闸堰位置及其调控方案进行再次模拟直至输出变量达到设计目标。
[0113]
在本实施例中，计算在大沟位置和调控方案相同的条件下小沟间距分别为100m、250m和400m(见图7)时区域的作物产量、旱涝强度和排水量，从而得出最优的明沟参数，在本实施例中，即为小沟间距。具体地，以小麦、大豆和玉米产值(产量乘以价格)最大为目标，各方案得出的区域三种平均产量和产值见表5，可以确定本实例中最优的小沟间距为400m。
[0114]
表5本实例中模拟的三种小沟间距条件下作物产量与总产值
[0115]
方案小麦产量/万吨玉米产量/万吨大豆产量/万吨总产值/亿元小沟间距100m3.863.87146.411.85小沟间距250m3.863.94146.111.86小沟间距400m3.863.95147.071.87
[0116]
注：标注小麦、玉米和大豆的单价分别为2430元/吨、2240元/吨和5950元/吨，数据来源于中国粮油信息网(https://www.chinagrain/)。
[0117]
本实施例中还提供了能够自动实现上述方法的模拟装置，包括：基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部、执行部、图像生成部、输入显示部以及控制部；
[0118]
基础数据获取部，其用于获取研究区域基础数据，基础数据空间地理数据、气象数据、水文地质数据、土壤数据、灌水数据、排水系统数据、田间管理数据等；
[0119]
建模部，其与基础数据获取部通信相连，基于基础数据获取部收集的基础数据，建立研究区域地表水、明沟水、土壤水、地下水的水流模型和作物生长模型；然后，结合基础数据，建立研究区水流运动与作物生长的数值模型，并对上述水流模型进行时间和空间离散，定义模型边界，并输入初始土壤含水率、地下水位和明沟水位、地质参数和上边界源汇；
[0120]
率定验证部，其与基础数据获取部和建模部通信相连，对水流模型和作物生长模型进行率定验证，得到率定验证后的模型；
[0121]
布设部，其与基础数据获取部和率定验证部均通信相连，在模型指定的明沟排水区及其他区域细化网格，并基于明沟分布历史资料确定区域上合理的明沟水工建筑物布局、明沟水位调控方案、田间明沟参数(深度、间距、断面参数、出口堰高)，然后在区域上布置明沟排水系统；
[0122]
模拟部，其与布设部通信相连，模拟明沟排水条件下区域水分动态、旱涝状况与作物生长情况，输出排水量、旱涝指标和作物产量；
[0123]
调整部，其与布设部和模拟部均通信相连，根据设计目标和区域实际情况调整明沟布局及调控参数以达到明沟系统设计目标；
[0124]
执行部，其与布设部、模拟部、调整部均通信相连，它包含多个明沟挖掘整治机器人，能够根据调整部确定的达到明沟排水系统设计目标的明沟布局参数和布置方式在相应区域实地建设或整治明沟系统；
[0125]
图像生成部，其与布设部、模拟部、调整部、执行部均通信相连，能够根据布设部布置的明沟排水系统生成相应的明沟布局图，根据模拟部模拟的水分动态、旱涝指标和作物
生长过程生成相应的水分动态与旱涝指标等变化图表，根据调整部的调整情况生成调整后的明沟布局图，还与能够根据执行部的实地布设情况，生成施工进度图；
[0126]
输入显示部，其与基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部、执行部、图像生成部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并显示相应信息，例如，输入显示部能够对基础数据获取部获取的基础数据以列表形式进行显示，对建模部构建的地表水、明沟水、土壤水、地下水流和作物生长数学模型和数值模型进行显示，并对率定验证部的率定验证情况进行显示，对布设部布设的所有明沟排水系统方案进行显示，对调整部的调整情况和确定的满足目标的所有方案进行显示，还能够对图像生成部生成的图像进行显示。
[0127]
控制部，其与基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部、执行部、图像生成部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
[0128]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.收集研究区域基础水文气象及田间数据；步骤2.基于步骤1收集的基础水文气象及田间数据，建立研究区域的水流模型和作物生长模型；步骤3.结合基础水文气象及田间数据，对步骤2得水流模型进行时间和空间离散，构建地表水与地下水数据交互模块并定义模块边界，在模块中输入初始地下水位和土壤含水率和上边界源汇模拟得到地下水和地表水数据，根据模拟的地下水以及地表水的数据结合步骤2的作物生长模型模拟作物地上生物量的逐日累计过程和产量；步骤4.利用实测数据结合步骤3率定验证步骤2建立的水流模型和作物生长模型；步骤5.基于明沟数据和明沟上建筑物数据，建立模拟明沟排水模型；步骤6.利用步骤5中的模型模拟明沟排水条件下区域水分动态，输出各级明沟排水量、各田块旱涝强度，并根据明沟排水量结合步骤4率定的作物生长模型模拟各田块的作物产量；步骤7.以作物产量最大、各级明沟排水量最低、各田块旱涝强度最低其中之一或全部要求为设计目标，调整明沟参数、闸堰位置及其调控方案，模拟得到每次调整后的输出变量，即作物产量、排水量和旱涝强度，根据输出变量是否达到设计目标，确定最优的明沟参数、闸堰位置及其调控方案，否则修改调整明沟参数、闸堰位置及其调控方案进行再次模拟，直至输出变量达到设计目标。2.根据权利要求1所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，步骤1中基础水文气象及田间数据包括但不限于空间地理数据、气象数据、水文地质数据、土壤数据、灌水数据、排水系统数据、田间管理数据。3.根据权利要求1所述的区域明沟排水对农田影响的调控方法，其特征在于，步骤2中的水流模型包括地表水水流模型、明沟水流模型、土壤水流模型以及地下水水流模型。4.根据权利要求3所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，地表水水流模型为：式中：q
surf
为地表产流量；p为当日降水量；i
a
为地表有积水前的初损量；s为径流开始后地表可能最大蓄水量；明沟水流模型为：式中：q是明沟中的流量，m3/s；s是水流运动方向的距离，m；a是明沟横断面的面积，m2；b
是明沟水面宽度，m；h是明沟水位，m；q是进入明沟的净流量，m2/s；α是流量校正系数，无量纲；g是重力加速度，m/s2；s
f
是摩阻力比降；v
s
是q沿着水流方向的速度，m/s；土壤水流模型为：式中，θ为土壤体积含水率，无量纲；t为时间，d；z是土壤数值方向z轴坐标，以地面为0点，向上为正方向，cm；s代表源汇项；k(h)为土壤非饱和水力传导度，是土壤水势h的函数，根据土壤水分特征曲线确定；h土壤水势；地下水水流模型为：式中，k为饱和渗透系数，m/s；k
xx
、k
yy
、k
zz
为渗透系数在x、y、z轴方向的分量，m/s；h为水头，m；w为外部源汇项，1/s；s
s
为含水层贮水率，1/m；ω为模拟范围，m；s1、s2为模拟边界；φ为定水头边界，m；ψ为定流量边界，m/s。5.根据权利要求1所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，作物生长模型为：式中：yld是作物收获时的产量，kg/hm2；hi是收获指数；ba是植物的地上生物量，kg/hm2；i是第i天的序号；δb
p
是作物在第i天的潜在生长量，kg/hm2；f
min
是作物受到胁迫因子的最小值，f
w
、f
wd
和f
t
分别是植物的干旱、涝渍和温度胁迫因子，无量纲；be是作物将能量转化为生物量的转化因子，(kg/hm2)/(mj/m2)；par是作物获得的太阳辐射，mj/m2。6.根据权利要求1所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，步骤4中对水流模型的渗透系数、给水度、cn值、小沟和大沟的渗透系数k以及糙率进行率定，对作物生长模型的作物最大收获指数hi以及生物量-能量转化率进行率定。7.根据权利要求1所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，步骤5中，明沟数据包括底部高程、间距、底宽、边坡系数、出口控制程度、各级明沟控制面积；明沟上建筑物数据包括明沟上水工建筑物位置以及建筑物类型、宽度、孔径、底部高程、高度。8.根据权利要求1所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法，其特征在于，根据地下水模块计算的地下水位结果，步骤6中，采用下式计算各点的累计旱涝强度acdwi来评价区域内各点的旱涝状况：
式中：sew
x
为累计超标准地下水深，是评价作物受渍的指标；sew
y
为累计小于标准地下水深，是评价作物受旱的指标；n是模拟的总年数；m1表示实际地下水位埋深小于标准受渍地下水埋深的天数，m2表示实际地下水位埋深大于标准受旱地下水埋深的天数；d
t
为研究时段内中第t日地下水埋深；x为地下水适宜埋深的上限；y为地下水适宜埋深的下限；h
max
为地下水极限埋深。9.一种用于实现根据权利要求1-8任意一项所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法的模拟装置，其特征在于，包括基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部、执行部以及控制部；基础数据获取部，其用于获取研究区域基础数据；建模部，其与基础数据获取部通信相连，基于基础数据获取部收集的基础数据，建立研究区域水流模型和作物生长模型；率定验证部，其与基础数据获取部和建模部通信相连，对水流模型和作物生长模型进行率定验证，得到率定验证后的模型；布设部，其与基础数据获取部和率定验证部均通信相连，在模型指定的明沟排水区及其他区域细化网格，并基于明沟分布历史资料确定区域上合理的明沟水工建筑物布局、明沟水位调控方案、田间明沟参数，然后在区域上布置明沟排水系统；模拟部，其与布设部通信相连，模拟明沟排水条件下区域水分动态、旱涝状况与作物生长情况，输出排水量、旱涝指标和作物产量；调整部，其与布设部和模拟部均通信相连，根据设计目标和区域实际情况调整明沟布局及调控参数以达到明沟系统设计目标；控制部，与基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部均通信相连，控制它们的运行。10.根据权利要求9所述的区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法的模拟装置，其特征在于，还包括：输入显示部，其与基础数据获取部、建模部、率定验证部、布设部、模拟部、调整部和控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并显示相应信息；图像生成部，其与布设部、模拟部、调整部、输入显示部、控制部均通信相连，根据布设部布置的明沟排水系统生成相应的明沟布局图，根据模拟部模拟的水分动态、旱涝指标和作物生长过程生成相应的水分动态与旱涝指标等变化图表，根据调整部的调整情况生成调整后的明沟布局图；其中，输入显示部对图像生成部生成的图像进行显示；执行部，与布设部、模拟部、调整部、控制部均通信相连，包含多个明沟挖掘整治机器人，根据调整部确定的达到明沟排水系统设计目标的明沟布局参数和布置方式在相应区域实地建设或整治明沟系统；此外，图像生成部还与执行部通信相连，根据执行部的实地布设情况，生成施工进度图。

技术总结

本发明公开了一种区域明沟排水对农田影响的调控模拟方法及模拟装置，包括：收集研究区域基础水文气象及田间数据；建立研究区域的水流模型和作物生长模型；对水流模型进行时间和空间离散，构建地表水与地下水数据交互模块并定义模块边界，结合作物生长模型计算作物地上生物量的逐日累计过程和产量；率定验证步骤2建立的水流模型和作物生长模型；基于明沟数据和明沟上建筑物数据，建立模拟明沟排水模型；模拟明沟排水条件下区域水分动态，输出各级明沟排水量和各田块旱涝强度；确定设计目标，调整明沟参数、闸堰位置及调控方案以达到设计目标。本发明为研究大区域明沟布局条件下水分动态和作物生长模拟提供了更加精确和高效的方式。效的方式。效的方式。