雷國慶　樊貴盛

摘要：為了改善畦灌灌水質(zhì)量，基于畦灌的水流運(yùn)動過程及入滲水分的空間分布，分析了畦灌灌水效果評價指標(biāo)灌水效率E_a、儲水效率E_s和灌水均勻度E_d間的相關(guān)關(guān)系，并以灌水效率與灌水均勻度之和E_ad為目標(biāo)函數(shù)，利用灌水效率E_a、畦長L及比例系數(shù)k構(gòu)造約束條件，建立了畦灌灌水技術(shù)參數(shù)的實(shí)用優(yōu)化模型。在此基礎(chǔ)上，以山西省汾東灌區(qū)北長壽灌水試驗(yàn)點(diǎn)為例，將優(yōu)化模型與地面灌溉模擬軟件WinSRFR結(jié)合使用，對優(yōu)化模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過對優(yōu)化灌水技術(shù)參數(shù)組合下灌水效果指標(biāo)進(jìn)行分析，表明該實(shí)用優(yōu)化模型可實(shí)現(xiàn)灌水技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化選取。

關(guān)鍵詞：畦灌；灌水技術(shù)參數(shù)；灌水效率；優(yōu)化模型

中圖分類號：S275.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2017.07.033

畦灌發(fā)展歷史較為悠久，其田間工程設(shè)施簡單、能源消耗低、灌水技術(shù)易被廣大農(nóng)民掌握和實(shí)施，目前仍是世界范圍內(nèi)尤其是發(fā)展中國家廣泛采用的一種灌水方法?？梢灶A(yù)測，在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，畦灌仍將在灌水技術(shù)方法中占據(jù)重要位置。然而，由于畦灌灌水效率E_a、儲水效率E_s和灌水均勻度E_d等灌水質(zhì)量指標(biāo)的評價角度不同，因此如何正確選用及計(jì)算灌水評價指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上確立最優(yōu)灌水技術(shù)參數(shù)組合，一直是專家學(xué)者積極探尋解決的問題。20世紀(jì)80年代之前，學(xué)者們試圖通過田間灌水試驗(yàn)的方法，尋找具有較高灌水效率的優(yōu)化灌水技術(shù)參數(shù)組合（單寬流量q、畦長L等），但由于影響畦灌灌水質(zhì)量的自然因素和灌水技術(shù)因素較多（包括土壤人滲參數(shù)、田面縱坡比降i、畦長L、單寬流量q等），因此灌水效果的改善程度有限。鑒于此，20世紀(jì)80年代后期，在灌溉技術(shù)較先進(jìn)的國家和地區(qū)開始了地面灌溉水流運(yùn)動模擬和灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化等的研究，開發(fā)了較為可靠的灌水模擬軟件，如winSRFR、SIRMOD、COBASIM等，實(shí)現(xiàn)了以土壤入滲參數(shù)、田面縱坡比降i、畦長L和單寬流量q等為輸入?yún)?shù)，對田面水流運(yùn)動和土壤水分入滲情況進(jìn)行模擬，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的灌水質(zhì)量評價指標(biāo)。然而各灌水質(zhì)量評價指標(biāo)間關(guān)系較為復(fù)雜，想要在兼顧各評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上確定各灌水技術(shù)參數(shù)，仍有待進(jìn)一步研究。本文基于畦灌的灌水過程及其入滲水分的分布特征，在分析和證明畦灌灌水效果評價指標(biāo)灌水效率E_a、儲水效率E_s和灌水均勻度E_d之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立畦灌灌水技術(shù)參數(shù)的實(shí)用優(yōu)化模型，以山西省汾東灌區(qū)為試驗(yàn)對象，

由式（5）可知，儲水效率E_s與灌水效率E_a成正相關(guān)關(guān)系。但是，在確定實(shí)際灌溉水量W_f時，即當(dāng)k值發(fā)生變化時，灌水效率和儲水效率有較大的變化。當(dāng)

2畦灌灌水技術(shù)參數(shù)實(shí)用優(yōu)化模型

2.1畦灌灌水技術(shù)參數(shù)實(shí)用優(yōu)化模型的建立

根據(jù)式（11）選取灌水效率E_a為評價指標(biāo)，只有滿足該條件的灌水技術(shù)參數(shù)組合才能成為優(yōu)化結(jié)果。式（12）要求灌溉水流的推進(jìn)距離必須到達(dá)畦尾，否則灌水均勻度和儲水效率無從談起。式（13）可有效保證灌水效率E_a與儲水效率E_s的優(yōu)化選取。式（10）則是地面灌溉技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，考慮到灌水均勻度E_a與灌水效率E_a的關(guān)系還與比例系數(shù)P的取值有關(guān)，為提高優(yōu)化結(jié)果的可靠性，將E_a、E_d兩者之和作為目標(biāo)函數(shù)。

2.2實(shí)用優(yōu)化模型的驗(yàn)證

為進(jìn)一步對提出的實(shí)用優(yōu)化模型進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)以山西省汾東灌區(qū)為背景，結(jié)合地面灌溉模擬軟件Win-SRFR，選用修正后的Kostiakov入滲模型和零慣量田面水流運(yùn)動模型，對該灌區(qū)的灌水技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以北長壽試驗(yàn)點(diǎn)麥田為例，取該試驗(yàn)點(diǎn)田面縱坡比降i、土壤入滲參數(shù)（入滲指數(shù)a、入滲系數(shù)K、相對穩(wěn)定入滲率fn）、田間糙率n的平均值為輸入?yún)?shù)，取值見表1。其中田間糙率n通過李力等建立的作物地的田面糙率回歸方程確定。

根據(jù)灌區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合提出的優(yōu)化模型，對不同畦田長度L下的單寬流量q進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果見表2。

該灌區(qū)畦長變化范圍較小，因而其優(yōu)化流量的變化范圍也較小，比例系數(shù)k值根據(jù)模型約束控制為[0.95，1.15]。由表2可知，在實(shí)用優(yōu)化模型確立的最優(yōu)灌水技術(shù)參數(shù)組合條件下，可獲取較高的灌水效果評價指標(biāo)值。因此，本研究所建立的畦灌灌水技術(shù)參數(shù)實(shí)用優(yōu)化模型是可行的。

3結(jié)語

畦灌灌水技術(shù)參數(shù)組合的確定是一個較為復(fù)雜的問題，既涉及畦田土壤入滲參數(shù)的正確獲取，與灌水過程的準(zhǔn)確模擬有關(guān)，還與灌水效果評價指標(biāo)的正確選取和計(jì)算方法密切相關(guān)。筆者基于土壤水分入滲、灌水過程模擬和技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的研究和實(shí)踐，推導(dǎo)出了畦灌灌溉效果評價指標(biāo)灌水效率E_a、儲水效率E_s和灌水均勻度E_d之間的相關(guān)關(guān)系，提出了以灌水效率E_a與灌水均勻度E_d之和為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，建立了包括畦長L、灌水效率E_a、實(shí)際輸入畦田的水量W_f與設(shè)計(jì)灌水定額對應(yīng)水量W_n的比值k在內(nèi)的畦灌灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化模型，簡化了畦灌灌水技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化過程。

[責(zé)任編輯 許立新]