精细地面灌溉实时反馈控制技术适应性分析

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1、灌溉排水学报２０１４年８月第３３卷第４／５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ·灌溉技术与装备·文章编号：１６７２－３３１７（２０１４）０４／０５－０１１２－０６＊精细地面灌溉实时反馈控制技术适应性分析白美健１，２，李益农１，２，许迪１，２，刘群昌１，２，董孟军１，２（１．国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京１０００４８；２．中国水利水电科学研究院水利研究所，北京１０００４８）摘要：基于灌溉条件不同的２７个典型田块，采用非线性回归直接估算Ｋｏｓｔｉａｋｏｖ入渗参数和畦灌模型模拟灌溉过程，以模拟与实测灌溉水流推进过程间误差小于１０％为目标函数，分析了不同灌

2、溉条件下满足模拟精度要求的灌溉信息采集范围适宜值，及其对灌水技术要素的响应规律，探讨了满足快速准确要求的精细地面灌溉实时反馈控制技术适用条件。结果表明，拟实施实时反馈控制技术的畦田长度不宜小于１００ｍ，田面平整精度小于３ｃｍ或入畦单宽流量大于４Ｌ／ｓ。关键词：地面灌溉；模拟精度；灌水信息；实时反馈控制；适用条件中图分类号：Ｓ２７５．３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１４．０４／０５．０２５白美健，李益农，许迪，等．精细地面灌溉实时反馈控制技术适应性分析［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１４，３３（４／５）：１１２－１１７．地面灌溉以田面作为水流运动载体，

3、灌溉过程可控制性差，田间灌溉效率普遍偏低，改进地面灌溉技术［１］［２－９］具有较大节水潜力。国内外学者围绕入流量和灌水时间的优化和实时调控问题开展了大量研究，构建以地面灌溉过程精量控制技术为控制手段的精细地面灌溉技术体系既是现代地面灌溉技术发展的必然趋势［１０］与潮流，也是我国地面灌溉技术发展的方向，地面灌溉实时反馈控制技术的核心是基于实时采集到的部分水流运动信息准确估算土壤入渗参数和田面糙率系数，国外学者从数据量和估算精度多方面考虑，提出了各种不同的估算方法，且研究主要针对沟灌。而我国畦灌占的比重相对较大，畦灌田面水流运动空间变异相比沟灌更为显著，如何基于部分水流推进数据或地表水

4、深估算土壤入渗参数和田面糙率系数是难点，同时部分数据能否替代全灌水过程信息进行参数估算并应用于反馈控制则与畦田规格、田面微地形条件等密切相关。为此，通过分析不同畦田条件下利用部分数据替代全过程数据进行参数估算和模拟预测时的误差状况，探讨满足精度要求的灌溉信息采集范围适宜值和精细地面灌溉实时反馈控制技术的适用条件。１材料与方法１．１精细地面灌溉反馈控制技术原理精细地面灌溉反馈控制技术是基于灌溉过程中实时获得的灌溉水流推进时间或地表水深等灌溉水流运动信息，优化反求土壤入渗参数和田面糙率系数，模拟预测畦田灌水过程，优化决策满足灌溉目标的最佳灌水时间或入畦流量，并根据优化决策方案对灌溉管理

5、参数（灌水时间或入畦流量）实施反馈控制。从反馈信息的获取途径来看，精细地面灌溉反馈控制可分为经验性反馈控制和实时反馈控制２种：１）经验性反馈控制技术是依据相同区域相同灌溉条件下已经完成的灌溉事件反馈回来的灌溉信息，反求土壤入渗参数和田面糙率系数，优化决策满足灌溉目标的最佳灌水时间或入畦流量，并将决策方案实施到待灌的畦田上。经验性反馈控制技术所获得的反馈信息来自类似畦田的全灌水过程，应用起来相对简单，对＊收稿日期：２０１４－０３－１１基金项目：国家８６３计划重点项目（２０１１ＡＡ１００５０５）；水利部公益项目（２０１１０１０３６）；国家自然科学基金项目（５１２７９２２５）作者简介：白

6、美健（１９７４－），女，四川人。高级工程师，博士，主要从事节水灌溉技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂａｉｍｊ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ１１２信息采集设备要求较低，甚至可以人工采集。不足之处是畦田之间存在个体差异，对于畦田自身参数空间变异性较大的情况不适合，故适于畦田规格较小的情况，比如华北井灌区。２）实时反馈控制技术是从待控制畦田的灌溉过程中实时采集灌溉信息，利用部分灌溉信息对土壤入渗参数和糙率系数进行优化反求，模拟预测待控制畦田的灌溉过程，在该畦田完成灌溉前优化决策出最佳灌水时间或入畦流量，并实施反馈控制。实时反馈控制技术要求在灌水过程中实时采集信息并传输到控制系统供方案决策采用，故对信息采集和

7、传输设备要求较高，且满足参数估算精度的信息量与全过程信息之间的比值不能太大，以确保在灌溉完成前制定出控制方案。因此，实时反馈控制技术有一定的适用条件，对于难以利用部分灌水信息满足参数估算精度的畦田则不宜采用。１．２畦田基本信息选取不同畦田长度、坡度、田面平整精度和入畦单宽流量的２７个畦田的灌溉试验资料进行分析。试验田块分别位于北京市大兴和昌平，河北省冶河灌区和胜利灌区，山东簸箕李灌区。河北冶河灌区和山东簸箕李灌区为渠灌区，流量采用梯形堰测量；其余为井灌区，流量采用超声