基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法

1.本发明涉及农业水管理领域，特别是基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法。


背景技术：

2.随着人口的增长，粮食的需求显著提升，保证粮食生产安全成为了农业发展的主要问题。粮食的生产受到气候变化的影响显著，气候变化具有一定的随机性，尤其是在春冬交替之际，这就可能会形成一定范围的春旱和春涝灾害，从而影响粮食安全。春旱的形成是因为气候变化导致春季气温回暖加快，由此产生了较强程度的蒸发，从而加快土壤水分的消耗。但此时的季风强度较弱，在春耕时未能带来足够的降水，从而造成的干旱现象。而春涝的形成是冬季降水量过大，耕地表面凹凸不平形成低洼的闭塞空间，气候变化导致春季回温过快，冬季降水未能及时排出，增加了土壤的含水量。此时季风强度较强，带来的强降雨，从而造成春涝灾害。如何在保证粮食安全的同时防止春旱春涝灾害对农业的影响，实现农业可持续发展至关重要。
3.春旱春涝灾害对于农业生产安全有着显著影响，而寒区更是加剧了春旱春涝治理的复杂性。寒区地处高寒纬度，具有季节性冻融的特点，外界温度的变化使得冬季的降水形式为降雪和降霜。由于寒区冬季的温度普遍低于0℃，使得冬季降雪大多浪费，并未能补充土壤水分的亏缺。对融雪水加以利用可以补充农业水资源灌溉消耗，提高水资源的利用效率，缓解春旱造成的影响，融雪水似乎是被忽视的巨大潜力资源。然而由于融雪水成面状分布，地形的凹凸不平也造成了融雪水难收集，不好利用的特点。如何在预防春旱春涝灾害的同时，对融雪水进行高效的收集和利用，成为研究的热点问题。
4.土壤温度也是影响农业作物生长和发育的重要因素之一，作物根系生长对土壤温度变化非常敏感，主要影响种子萌发、根系生长和吸收水分及养分。土壤温度越高，种子萌发越快。但是由于寒区的气候特点，使得地温流失严重，从而抑制作物的生长发育。不仅如此，作物生长发育阶段需要地表水和地下水的灌溉，需要通过机械设备取水，再通过管道/渠道输送到农灌区，这不可避免的会消耗很多电能。一方面提升土壤对温度的储存对于作物的生长有着促进作用，另一方面降低农业作物生长消耗的能源消耗，对于能源的节约有一定的积极意义。以往的研究对于农业能源的优化仅仅考虑作物生长发育期间的电能消耗，很少对土壤温度增长所带来的热能潜力的探索。因此，亟需考虑对寒区农业春旱春涝的防护和对土壤温度的提升，发明一种基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，通过构建的经济效益模型、灌溉水量模型和能值消耗模型得到最佳的灌溉水方案，从而在节水节能的基础上实现农业的可持续发展。
6.基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：构建寒区农业系统监测平台；
8.步骤s2：利用监测平台收集基础数据；
9.步骤s3：根据基础数据构建经济效益目标；
10.步骤s4：根据平台监测数据以及设置参数，通过试验消耗额水量与回收的融雪水量相加与原来消耗水量相比节约的水量是水资源节约值，构建灌溉水量函数；
11.步骤s5：根据灌溉水量函数，量化灌溉过程中能量的消耗和土壤温度热值的积累量构建能量消耗函数；
12.步骤s6：根据建经济效益目标、灌溉水量函数以及能量消耗函数，设定基础数据模型边界。
13.优选地，步骤s2基础数据包括：气象水文数据、社会经济数据、环境数据和监测数据。
14.优选地，步骤s3的经济效益目标函数为：
15.maxe＝r-c
成本
16.式中，e是净收益的目标函数；r是作物收益；c
cost
是作物种植成本。
17.优选地，步骤s4的灌溉水量函数为：
[0018][0019]
式中，δiq是实施试验后灌溉水量较原有消耗水量的节约值；[
·
]
pro
是通过试验处理后的各个参数值；[
·
]
ori
是未通过试验处理的各个参数值；a是灌区种植面积；iq
smw
是融雪水收集量；
[0020][0021]
式中，iq
cr
是11月份上冻期灌溉总水量；是单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量；是单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量。
[0022]
优选地，步骤s5的能量消耗函数为：
[0023]
minp＝(w
sur
+w
gro
)
·
γ
电能-h
·
γ
热能
[0024][0025][0026]
hf＝i
×
l
[0027]
i＝10.294
×
n2×
q2÷d5.333
[0028]
h＝qu
·c·
(gt
pro-gt
ori
)
[0029]
式子，p是总能值消耗；w
sur
是地表水输水耗能值；w
gro
是地下水输水耗能值；γ
电能
是电能转化为能值系数；h是地热储存的能值增长量；γ
热能
是热能转化为能值系数；m
sur
是地表水输水质量；g是重力加速度；hf是沿程水头损失；i是单位管长水头损失；l是计算管段的长度；n是粗糙率；q是管段流量；d是管道内径；qu是研究区土壤质量；c是研究区土壤比热容；gt
ori
是未通过试验处理的土壤温度；
[0030]
其中，地下水农业灌溉能量消耗：
[0031][0032][0033]
式中，h是地下水埋深；ε为泵站效率；η为沿途损失；
[0034]
其中，水泵扬程l计算公式为：
[0035]
l＝0.906h+21.75
[0036]
h表示高度。
[0037]
优选地，步骤s6的模型边界的约束条件包括：地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、土壤含水率约束和决策变量不应为负约束。
[0038]
优选地，地表水可利用量的约束为：
[0039][0040]
式中，swa是地表水可用量；r是河流调水比例；q是净流量；η
sur
是地表水利用效率；
[0041]
地下水可利用量约束约束为：
[0042][0043]
式中，tgwa是地下水总可供水量；β是农业灌溉的地下水供应量。
[0044]
所述粮食供给约束为：
[0045]y·
a≥po
·
fd
[0046]
式中，po是人口；fd是粮食需求；
[0047]
所述土壤含水率约束为：
[0048][0049][0050][0051]
其中，w(t)是作物生育期开始时的土壤含水率；w(t-1)是生育期结束时的土壤含水量；w
min
和w
max
是生育阶段内最小和最大含水量；h是土层深度；γs(t)是不同作物第t生育阶段内土壤容重，θ
rfc
和θ
rwp
是最大和最小土壤含水率；
[0052]
所述决策变量不应为负的约束为：
[0053][0054]
swa≥0
[0055]
其中，表示单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量，表示单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量，表示单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量，表示是单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量。
[0056]
本发明基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法的有益效果如
下：
[0057]
1.本发明建立了地温-灌溉水量-产量内在关联的回归线性模型。
[0058]
2.本发明构建了融雪水利用方式，并耦合到了灌溉水目标函数。
[0059]
3.本发明构建的能源消耗函数包括增长土壤对温度的贮存能力，以及灌溉过程中能源的消耗，将二者通过能值函数耦合在一起。
附图说明
[0060]
图1为本发明的监测图。
具体实施方式
[0061]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0062]
本发明创造的技术方案是这样的：
[0063]
基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，包含如下步骤：s1：构建寒区农业系统监测平台：监测平台系统如图1所示。在11月-12月向地处寒区的研究地块放水，所放水量达到地沟的0.5cm。通过灌溉水层上冻形成薄薄的冰层，一方面保存土壤温度的消散，二是使得凹凸平的地块表面更加光滑，使得融雪水更多的流入水库中保存，从而融雪水加以收集和利用。选取11月-12月是因为这个时间在寒区已经普遍进入零下温度，但是由于上冻的时间不长，所以在这个时间将表面覆以冰层从而保存土壤温度流失。在试验地的四周布设4个智墒土壤墒情监测仪，以监测地下0.1-1米的土壤温度，土壤含水量数据。再在排水口处布设融雪水当量监测装置，监测融雪水的收集量。将得到的数据输入到构建的模型计算平台，通过输入的参数得到最佳灌溉方案。
[0064]
s2：基础数据收集：气象水文数据包括有效降雨量、灌溉水利用系数、作物需水量；社会经济数据包括作物价格、种植成本、灌溉面积以及单位面积的化肥、农药、农机、农膜用量、沿程水头损失、单位管长水头损失、计算管段的长度、管粗糙率、管段流量、管段流量、泵站效率、沿途损失；环境数据包括地表水可供水量、地下水可供水量、径流量、含水层渗透系数、蒸散量；监测数据包括：0.1-1m土壤温度、土壤含水量数据、收集的融雪水数据。
[0065]
s3：构建经济效益目标，效益通过作物的售卖价格减去作物的种植成本；其中，经济效益函数为：
[0066]
maxe＝r-c
成本
[0067]
式中，e是净收益的目标函数；r是作物收益；c
cost
是作物种植成本。
[0068]
产量函数与地表浅层温度和灌溉水量存在密切关系，研究通过在研究区布置智墒土壤墒情监测仪，得到的长年序列11-4月土壤温度值和冻融期土壤含水量数值。对研究区进行实地调研得到与土壤温度和土壤含水量同时期的长序列单位面积产量。将土壤温度和土壤含水量数值作为回归分析的自变量，对水稻产量进行了回归分析，建立了水稻单产估算模型。产量的差值目标函数可以表示为：
[0069][0070]
式中，y表示水稻的产量；gt是土地表层温度，℃；iq
sur
是单位面积地表水灌溉水量；iq
gro
是单位面积地下水灌溉水量；a、b和ξ是回归方程的系数。
[0071]c成本
＝ecf+wcf+ec
[0072]
式中，ecf是粮食的种植成本；wcf是粮食用水成本。
[0073]
粮食生产的能源成本主要体现在化肥、农药、农业机械、薄膜、种子和劳动力的使用上，可以表示为：
[0074]
ecf＝a
·
(δ
fer
+δ
pes
+δ
mac
+δ
film
+δ
seed
+δ
labour
)
[0075]
式中，δ
fer
是作物肥料成本；δ
pes
是农作物农药成本；δ
mac
是农作物农机柴油成本；δ
film
是农作物的农膜成本；δ
seed
是作物种子成本；δ
labour
是农作物的人工成本。
[0076]
粮食生产的水成本用地表水和地下水灌溉的水价来量化，并表示为:
[0077][0078]
式中，wp
sur
是地表水价格，元/m3；wp
gro
是地下水价格，元/m3。
[0079]
ec＝(w
sur
+w
gro
)
·
ep
[0080]
式中，ec是能源成本；w
sur
是地表水消耗的能源；w
gro
是地下水消耗的电能；ep是单位电量所需的电价。
[0081]
s4：构建灌溉水量函数，通过试验消耗额水量与回收的融雪水量相加与原来消耗水量相比节约的水量是水资源节约值，所述灌溉水量函数为：
[0082][0083]
式中，δiq是实施试验后灌溉水量较原有消耗水量的节约值，m3；[
·
]
pro
是通过试验处理后的各个参数值；[
·
]
ori
是未通过试验处理的各个参数值；a是灌区种植面积，hm2；iq
smw
是融雪水收集量。
[0084][0085]
式中，iq
cr
是11月份上冻期灌溉总水量，m3；是单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量；是单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量。
[0086]
s5：构建能量消耗函数，量化灌溉过程中能量的消耗和土壤温度热值的积累量。其中，所述能量消耗函数为：
[0087]
min p＝(w
sur
+w
gro
)
·
γ
电能-h
·
γ
热能
[0088][0089][0090]
hf＝i
×
l
[0091]
i＝10.294
×
n2×
q2÷d5.333
[0092]
h＝qu
·c·
(gt
pro-gt
ori
)
[0093]
式子，p是总能值消耗；w
sur
是地表水输水耗能值；w
gro
是地下水输水耗能值；γ
电能
是电能转化为能值系数；h是地热储存的能值增长量；γ
热能
是热能转化为能值系数；m
sur
是地表
水输水质量；g是重力加速度；hf是沿程水头损失，；i是单位管长水头损失；l是计算管段的长度；n是粗糙率；q是管段流量；d是管道内径；qu是研究区土壤质量，以1m深度为标准；c是研究区土壤比热容，j/(kg
·
℃)；gt
ori
是未通过试验处理的土壤温度。
[0094]
地下水农业灌溉能量消耗：
[0095][0096][0097]
式中，h是地下水埋深；ε为泵站效率；η沿途损失。
[0098]
提取地下水来农田灌溉，需要考虑水泵扬程l，其中，包括静扬程，抽水降深、流出水头、地上灌溉管道水头损失和地下井管水头损失，计算公式为：
[0099]
l＝0.906h+21.75
[0100]
h表示
[0101]
s6：设定模型边界：模型边界约束条件包括地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、土壤含水率约束和决策变量不应为负约束；所述地表水可利用量约束：
[0102]
地表水可利用量：地表水分配不应大于每个分区的地表水供应。
[0103][0104]
swa≤r
·q[0105]
式中，swa是地表水可用量；r是河流调水比例；q是净流量；η
sur
是地表水利用效率；
[0106]
地下水可利用量：与地表水相似，分配给每个分区的稻田和旱地的地下水不应大于井抽水灌溉农业的地下水可利用量。
[0107][0108]
tgwa是地下水总可供水量；β是农业灌溉的地下水供应量，η
gro
表示。
[0109]
粮食安全：每个分区的粮食产量都应满足与人口有关的粮食需求，以保证粮食安全。该约束可以表示为：
[0110]y·
a≥po
·
fd
[0111]
式中，po是人口,人；fd是粮食需求，kg/人。y表示，a表示，po表示，pd表示
[0112]
土壤含水率约束：不同生育阶段田间配水量不应超过该生育阶段t水分可分配量与上一生育阶段t-1的深层渗漏量之和，约束可以表示为：
[0113][0114][0115][0116]
其中，w(t)是作物生育期开始时的土壤含水率，mm；w(t-1)是生育期结束时的土壤
含水量，mm；w
min
和w
max
是生育阶段内最小和最大含水量，mm；h是土层深度，cm；γs(t)是不同作物第t生育阶段内土壤容重，g/cm3。θ
rfc
和θ
rwp
是最大和最小土壤含水率。
[0117]
决策变量不应为负。
[0118][0119]
swa≥0。

技术特征：
1.基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：构建寒区农业系统监测平台；步骤s2：利用监测平台收集基础数据；步骤s3：根据基础数据构建经济效益目标；步骤s4：根据平台监测数据以及设置参数，通过试验消耗额水量与回收的融雪水量相加与原来消耗水量相比节约的水量是水资源节约值，构建灌溉水量函数；步骤s5：根据灌溉水量函数，量化灌溉水量过程中能量的消耗和土壤温度热值的积累量构建能量消耗函数；步骤s6：根据建经济效益目标、灌溉水量函数以及能量消耗函数，设定基础数据模型边界。2.根据权利要求1所述的基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，所述步骤s2基础数据包括：气象水文数据、社会经济数据、环境数据和监测数据。3.根据权利要求1所述的基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，所述步骤s3的经济效益目标函数为：maxe＝r-c
成本
式中，e是净收益的目标函数；r是作物收益；c
cost
是作物种植成本。4.根据权利要求1所述的基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，所述步骤s4的灌溉水量函数为：式中，δiq是实施试验后灌溉水量较原有消耗水量的节约值；[
·
]
pro
是通过试验处理后的各个参数值；[
·
]
ori
是未通过试验处理的各个参数值；a是灌区种植面积；iq
smw
是融雪水收集量；式中，iq
cr
是11月份上冻期灌溉总水量；是单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量；是单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量。5.根据权利要求1所述的基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，所述步骤s5的能量消耗函数为：minp＝(w
sur
+w
gro
)
·
γ
电能-h
·
γ
热能热能
h
f
＝i
×
li＝10.294
×
n2×
q2÷
d
5.333
h＝qu
·
c
·
(gt
pro-gt
ori
)式子，p是总能值消耗；w
sur
是地表水输水耗能值；w
gro
是地下水输水耗能值；γ
电能
是电能
转化为能值系数；h是地热储存的能值增长量；γ
热能
是热能转化为能值系数；m
sur
是地表水输水质量；g是重力加速度；h
f
是沿程水头损失；i是单位管长水头损失；l是计算管段的长度；n是粗糙率；q是管段流量；d是管道内径；qu是研究区土壤质量；c是研究区土壤比热容；gt
ori
是未通过试验处理的土壤温度；其中，地下水农业灌溉能量消耗：其中，地下水农业灌溉能量消耗：式中，h是地下水埋深；ε为泵站效率；η为沿途损失；其中，水泵扬程l计算公式为：l＝0.906h+21.75h表示高度。6.根据权利要求1所述的基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，所述步骤s6的模型边界的约束条件包括：地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、土壤含水率约束和决策变量不应为负约束。7.根据权利要求6所述的基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，其特征在于，所述地表水可利用量的约束为：式中，swa是地表水可用量；r是河流调水比例；q是净流量；η
sur
是地表水利用效率；地下水可利用量约束约束为：式中，tgwa是地下水总可供水量；β是农业灌溉的地下水供应量；所述粮食供给约束为：y
·
a≥po
·
fd式中，po是人口；fd是粮食需求；所述土壤含水率约束为：所述土壤含水率约束为：所述土壤含水率约束为：其中，w(t)是作物生育期开始时的土壤含水率；w(t-1)是生育期结束时的土壤含水量；w
min
和w
max
是生育阶段内最小和最大含水量；h是土层深度；γ
s
(t)是不同作物第t生育阶段内土壤容重，θ
rfc
和θ
rwp
是最大和最小土壤含水率；所述决策变量不应为负的约束为：
swa≥0其中，表示单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量，表示单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量，表示单位面积前年11月份冻期地表水灌溉水量，表示是单位面积11月份上冻期地下水灌溉水量。

技术总结
本发明公开了基于融雪水利用的寒区防止旱涝灾害可持续高效调控方法，包括以下步骤：步骤S1：构建寒区农业系统监测平台；步骤S2：利用监测平台收集基础数据；步骤S3：根据基础数据构建经济效益目标；步骤S4：根据平台监测数据以及设置参数，通过试验消耗额水量与回收的融雪水量相加与原来消耗水量相比节约的水量是水资源节约值，构建灌溉水量函数；步骤S5：根据灌溉水量函数，量化灌溉水量过程中能量的消耗和土壤温度热值的积累量构建能量消耗函数；步骤S6：根据建经济效益目标、灌溉水量函数以及能量消耗函数，设定基础数据模型边界；本发明在节水节能的基础上实现农业的可持续发展。明在节水节能的基础上实现农业的可持续发展。明在节水节能的基础上实现农业的可持续发展。


技术研发人员：李茉 陈颖珊 付强 许耀文 李海燕 薛敏
受保护的技术使用者：东北农业大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/16