平原河网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，尤其是一种平原河网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

灌区内河道具有水源、输配水、排水等多重功能，河道既是灌溉水源提供者也是灌片排水承接者。而现状运行管理方式下由于单个灌片的灌溉提水量远大于田间实际消耗水量，造成相当一部分水闸、陂头引水量或泵站提水作为回归水又重新回到河道中，在后续时段又被作为水源用于灌溉供水。如以灌片尺度进行灌溉水量统计，累加各灌片水闸、陂头引水量或泵站提水量，得到的灌溉水量远大于灌区内田间消耗所需的水量，甚至大于灌区内的天然径流量。但如以灌区尺度进行灌溉用水量统计，则灌片的灌溉回归水属于灌区内水的重复利用，因此灌区尺度统计的灌溉水量应不含该部分重复利用量。因此，平原河网区小型灌区存在灌溉水量不易控制的问题。

发明内容

针对目前平原河网区小型灌区存在的灌溉水量不易控制的技术问题，本发明的目的在于提供一种平原河网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平原河网区小型灌区灌溉用水配置方法，包括：

建立平原区灌区灌溉用水量推算模型；所述平原区灌区灌溉用水量推算模型包括平原区水文预报模块和灌区水资源配置模块；

通过所述平原区水文预报模块进行水域产流计算、陆域产汇流计算和平原圩区调蓄模拟；

通过所述灌区水资源配置模块，根据水资源系统概化成果，结合水资源量、需水量分析成果，进行灌区水资源配置模拟分析。

进一步地，所述水域产流计算，所使用的计算公式为：

R

式中，P为降水量(mm)；E

进一步地，所述陆域产汇流计算，包括：

蒸散发计算，所述蒸散发计算所用公式为：

当上层张力水蓄量WU足够时，上层蒸散发EU为：

EU＝K·EM

当上层已干，而下层张力水蓄量WL足够时，下层蒸散发EL为：

当下层蓄量亦不足，要触及深层张力水蓄量WD时，深层蒸散发ED为：

ED＝C·K·EM

式中，EM为蒸发皿蒸发量，上层张力水容量WUM，下层张力水容量WLM，深层蒸散发系数C，蒸散发折算系数K；

产流量计算，所述产流量计算所用公式为：

当P-K·EM≤0，则R＝0；不然，则：

当P-K·EM+A

不然，则：

R＝P-K·EM-WM+W

式中R为产流量，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；

分水源计算，所述分水源计算所用公式为：

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

不然，则：

RS＝(P-K·EM+S-SM)·FR

式中RS、RI是地面径流、壤中流的产流量，RG是地下径流产流量，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；

地下水调蓄，所述地下水调蓄所用公式为：

P

其中P

进一步地，所述平原圩区调蓄模拟，所使用的公式为：

Q

式中，Q

圩区调蓄计算模型用如下公式描述：

V＝V

V

V

式中，V

式中，F为圩区面积(km

进一步地，所述根据水资源系统概化成果，结合水资源量、需水量分析成果，进行灌区水资源配置模拟分析，包括：

依据水资源系统概化成果，构建水资源供需分析模拟模型进行灌区水循环模型模拟计算；

选用逐日水文系列作为灌区水资源配置模型模拟的时间序列，结合初始时段河网槽蓄量进行演算；

针对某一灌片用水户，按照给定的供水顺序依次选择水源进行灌溉和供水，直至满足灌片需水量，域内水源供水不足部分由域外水源补充。

进一步地，所述灌区水资源配置模块的目标函数为：

其中，WA(i,t)＝QA

式中：WA为灌区T时段内灌溉用水量；WA(i)为灌片T时段内灌溉用水量；WA(i,t)为第i灌片第t时段灌溉用水量，其中i＝1,2，…,N，t＝1,2,…,T；QA

进一步地，所述灌区水资源配置模块包括水量平衡方程，所述水量平衡方程包括灌片尺度水量平衡方程和灌区尺度水量平衡方程；

所述灌片尺度水量平衡方程是灌片单元水量平衡模拟，以第i个灌片第t时段为例，表述如下：

QA

其中：

QA

QDA(i,t)＝(1-α(t))·min(DA

DR(i,t)＝γ·(QA

DE(i,t)＝(1-γ)·(QA

式中：Δf(i,t)为第t时段灌片存蓄水量变化量；DR(i,t)为第t时段该灌片退水至河网槽蓄节点的水量；DE(i,t)为第t时段该灌片损失水量；DA

所述灌区尺度水量平衡方程是整个灌区水量平衡模拟，通过概化河网槽蓄节点水量平衡实现，以第t时段为例，表述如下：

其中，

式中：ΔV

进一步地，所述灌区水资源配置模块包括约束条件，所述约束条件包括工程状态约束、工程能力约束和各变量非负约束；

所述工程状态约束包括：

河网槽蓄t时段蓄水量应小于或等于河网蓄水容积：

V

式中：V

所述工程能力约束包括：

泵站工程的供水量不大于其最大供水能力，即：

QA

式中：QS(i)为第i灌片泵站工程最大供水能力；

所述各变量非负约束包括：

各决策变量大于等于零。

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平原河网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平原河网区小型灌区灌溉用水配置方法。

本发明的有益效果是：实施例中的平原河网区小型灌区灌溉用水配置方法，通过使用平原区灌区灌溉用水量推算模型分别进行水域产流计算、陆域产汇流计算和平原圩区调蓄模拟等处理，实现灌区水资源配置模拟分析，能够按照给定的供水顺序为不同的灌片用水户依次选择水源进行灌溉和供水，实现灌溉资源的高效利用。

附图说明

图1为实施例中灌区内回归水利用回路示意图；

图2为实施例中平原河网区小型灌区灌溉用水配置方法的步骤图；

图3为实施例中平原区灌区模型结构图；

图4为实施例中平原区陆域水文模型概化图；

图5为实施例中灌区水资源配置模型计算过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，平原区灌区内的平原河道既具有水源功能，又具有输配水、排水功能。灌溉河网呈现“水源渠道化”“排灌结合化”特征。在水源功能上，灌区内的河道汇集灌区内集雨面积上的降水、灌片退水以及过境水量，通过发挥河网自身的调蓄能力，满足灌区内灌溉用水需求。在输配水功能上，灌区内的河道相互连通，灌区内河道发挥灌溉输配水功能，将河道内水资源输送至灌溉泵站，满足提水要求。在排水功能上，灌区内河道发挥排涝通道功能，将灌区内洪涝水输送至灌区系统之外。

本实施例中，参照图2，平原河网区小型灌区灌溉用水配置方法包括以下步骤：

S1.建立平原区灌区灌溉用水量推算模型；平原区灌区灌溉用水量推算模型包括平原区水文预报模块和灌区水资源配置模块；

S2.通过平原区水文预报模块进行水域产流计算、陆域产汇流计算和平原圩区调蓄模拟；

S3.通过灌区水资源配置模块，根据水资源系统概化成果，结合水资源量、需水量分析成果，进行灌区水资源配置模拟分析。

步骤S1中，所建立的平原区灌区灌溉用水量推算模型构建采用水量平衡原理，即一定时期内研究区各项入流量等于出流量加上储存量的变化。水量平衡方法通过计算及分析水量平衡各组成要素、各要素间的相互关系，查清水资源的使用和消耗情况。模型是采用VB.NET语言在Microsoft Visual Studio2022平台下开发完成的。模型包括水文预报模块、需水量预报模块、水资源配置模块。其中需水量预报模块与山丘区模型相同。模型结构如图3所示。

在灌区水资源循环过程中，当以灌片为研究对象(仅以农业灌溉用水户为例)，某一时段t的水平衡方程式为：

P+IR+RD-ET-DL-RT＝ΔS

式中：P为降雨量；IR为天然径流灌溉供水量；ET为作物蒸发蒸腾量；RD为回归水供水量；DL为渗漏量；RT为灌片退水量；ΔSf为田间储水变化量，包括田间蓄水变化量与耕作层土壤水分变化量，各变量单位均为mm。

本实施例中，平原区灌区灌溉用水量推算模型中的平原区水文预报模块是基于新安江模型改进研发的，可实现对平原区水域、陆域和圩区产汇流的模拟预报。平原区水文预报模块可以进行水域产流计算、陆域产汇流计算和平原圩区调蓄模拟等处理过程。

(1)水域产流计算

水域产流量等于降水量减去水面蒸发量，计算公式为：

R

式中，P为降水量(mm)；E

大水面蒸发与蒸发皿观测值的比率k

表1代表站蒸发皿转化比率

(2)陆域产汇流计算

为适应平原区陆域产汇流模拟要求，本次模型在新安江模型的基础上，增加了地下水补给、调蓄、排泄与潜水蒸发处理模块，模型的基本原理如图4所示。模型的结构可分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算、地下水调蓄和汇流计算5大部分。

①蒸散发计算

用三个土层的模型。其参数为上层张力水容量WUM，下层张力水容量WLM，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WU足够时，上层蒸散发EU为：

EU＝K·EM

当上层已干，而下层张力水蓄量WL足够时，下层蒸散发EL为：

当下层蓄量亦不足，要触及深层张力水蓄量WD时，深层蒸散发ED为：

ED＝C·K·EM

式中，EM为蒸发皿蒸发量。

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

不然，则：

R＝P-K·EM-WM+W

式中R为产流量。

③分水源计算

在新安江三水源模型中，其参数为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

不然，则：

RS＝(P-K·EM+S-SM)·FR

式中RS、RI是地面径流、壤中流的产流量，RG是地下径流产流量。

④地下水调蓄

新安江三水源模型基于山坡水文学的概念，地下径流产流量直接排泄到河网中。在平原区，地势平坦，地下水埋深浅；地面径流、壤中流的比重较小，雨期产流量的大部分直接补给潜水层，地下水位变化迅速。为此，将自由水蓄水容量对地下水的出流直接补给地下水水库(潜水)，将地下径流产流量计算公式改写为：

P

其中P

(3)平原圩区调蓄模拟

平原区天然径流量为陆域天然径流量与水域天然径流量之和，即

Q

式中，Q

圩区调蓄计算模型可以用如下公式描述：

V＝V

V

V

式中，V

式中，F为圩区面积(km

本实施例中，灌区水资源配置模块包括目标函数、水量平衡方程和约束条件等内容。

(1)目标函数

平原河网型灌区水资源配置模型的目标是模拟获得灌区灌溉水量、灌片灌溉水量，表述如下：

其中，WA(i,t)＝QA

式中：WA为灌区T时段内灌溉用水量；WA(i)为灌片T时段内灌溉用水量；WA(i,t)为第i灌片第t时段灌溉用水量，其中i＝1,2，…,N，t＝1,2,…,T；QA

(2)水量平衡方程

灌区水资源配置模块包括灌片尺度水量平衡、中观尺度水源工程水量平衡方程和灌区尺度水量平衡。

①灌片尺度水量平衡方程是灌片单元水量平衡模拟，以第i个灌片第t时段为例，表述如下：

QA

其中：

QA

QDA(i,t)＝(1-α(t))·min(DA

DR(i,t)＝γ·(QA

DE(i,t)＝(1-γ)·(QA

式中：Δf(i,t)为第t时段灌片存蓄水量变化量；DR(i,t)为第t时段该灌片退水至河网槽蓄节点的水量；DE(i,t)为第t时段该灌片损失水量；DA

②灌区尺度水量平衡方程是整个灌区水量平衡模拟，通过概化河网槽蓄节点水量平衡实现，以第t时段为例，表述如下：

其中，

式中：ΔV

(3)约束条件

①工程状态约束

河网槽蓄t时段蓄水量应小于或等于河网蓄水容积：

V

式中：V

②工程能力约束：

泵站工程的供水量不大于其最大供水能力。即：

QA

式中：QS(i)为第i灌片泵站工程最大供水能力。

③各变量非负约束。各决策变量大于等于零。

(4)模型求解

对于灌区水资源配置模块，根据水资源系统概化成果，结合水资源量、需水量分析成果，采用以下原则和方法进行灌区水资源配置模拟分析。

具体地，在通过所述灌区水资源配置模块，根据水资源系统概化成果，结合水资源量、需水量分析成果，进行灌区水资源配置模拟分析时，可以执行以下步骤：

(1)依据水资源系统概化成果，构建水资源供需分析模拟模型进行灌区水循环模型模拟计算。

(2)选用逐日水文系列作为灌区水资源配置模型模拟的时间序列，结合初始时段河网槽蓄量进行演算。

(3)模型灌溉水源考虑河网天然径流量和回归水量。针对某一灌片用水户，按照给定的供水顺序依次选择水源进行灌溉和供水，直至满足灌片需水量，域内水源供水不足部分由域外水源补充。

本实施例中，灌区水资源配置模块在通过所述灌区水资源配置模块，根据水资源系统概化成果，结合水资源量、需水量分析成果，进行灌区水资源配置模拟分析时，计算过程如图5所示。

可以通过编写执行本实施例中的平原河网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，执行本实施例中的平原河网区小型灌区灌溉用水配置方法，从而实现与实施例中的平原河网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。