[发明专利]一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法

摘要

本发明公开一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法，首先根据降水数据及作物生育期，确定典型作物枯水年，然后根据作物需水需求、蒸发数据及降水数据，确定关键场次降水，以此为依据，结合坡耕地农田水量平衡公式，对比理论垄沟洼地储流最大值与关键场次降水及降雨期间入渗量和蒸发量关系，进而确定垄沟布设相关参数，该方法充分考虑作物需水需求，重点关注作物枯水年降水特征，可显著提高干旱半干旱地区雨水利用率，提高作物产量。

主权项

1.一种面向作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化方法，其特征在于，包括：(1)对研究区日降水数据进行筛选，将作物生育期内的日降水数据提取并加和后得到作物年降水量；(2)对作物年降水量数据进行排频计算并通过PⅢ曲线拟合得到研究区典型作物枯水年的对应年份；(3)根据作物枯水年的降水数据、蒸发数据，对坡耕地田块进行水量平衡计算：式中，SWi+1、SWi表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤水量，mm；SWCi+1、SWCi表示第i+1和第i天坡耕地作物耕作层的土壤体积含水量，cm3/cm3；ds表示坡耕地耕作层厚度，mm；Pi表示第i天的降水量，mm；Ei表示第i天的降水量蒸发量，mm；j表示研究区典型作物枯水年的对应年份的天数；(4)根据公式(1)绘制作物典型枯水年坡耕地农田水分变化曲线，确定关键场次降水P'，断定标准为连续三天耕作层土壤体积含水量低于田间持水量的50％后的首次降水，若整个作物生育期出现多次关键降水，以降水所处作物生育期为依据进行排序，选择排首位降水作为关键场次降水P'，将其作为为垄沟优化布局的依据；(5)根据水量平衡原理，坡耕地农田水循环公式为：P＝E+I+F+WD               (2)其中，P为坡耕地农田净降水量，mm；E为降水期间农田蒸散发量，mm；I为降水期间坡耕地农田入渗量，mm；F为降水期间坡耕地农田产流量，mm；WD为降水结束后坡耕地垄沟中洼地储流量，mm；(6)通过优化垄沟参数，将关键场次降水的降水最大化的存储在垄沟中，将坡耕地垄沟概化为等腰梯形，α是坡耕地坡度，β田垄等腰梯形角度，n是田垄等腰梯形的底边长度，h是田垄等腰梯形的高度；d是田垄等腰梯形的上边长度，p是田垄的间距，据此计算坡耕地垄沟中理论洼地储流量WD'，长度为l的垄沟理论洼地储流量为：单位面积坡耕地上布设长度为1的田垄沟的条数为m，m计算公式为：则单位面积上理论垄沟洼地储流量为：(7)构建单目标优化模型，其中目标函数为：约束函数为：其中，h_max、n_max、p_max分别为等腰梯形田垄高度、田垄底边和田沟底边的最大值，约束函数表示田垄的底角在0～90°之间，田垄的高度在0～h_max之间，田垄底边在0～n_max之间，田沟底边0～p_max之间；求解上述多目标函数获得使WD'最大的垄沟布局参数；(8)根据公式(2)，当WD'max＞P'‑I'‑E'时，说明农田降水量不能将垄沟洼地填满，此时，以农田降水量为依据，进行坡耕地田垄沟参数的确定，当WD'max≤P'‑I'‑E'，按照步骤(7)优化得到的参数进行坡耕地垄沟布设，其中，E'为关键场次降水P'降雨期间农田蒸散发量，mm；I'为关键场次降水P'降雨期间坡耕地农田入渗量。