[发明专利]一种单喷头从平面到非均匀坡面的水量分布转化方法

说明书

本发明涉及一种单喷头从平面到非均匀坡面的水量分布转化方法，其方法包括：基于单喷头在平面的径向喷灌强度建立单喷头平面水量分布模型，基于非均匀坡面的数字高程模型拟合单喷头径向方向上的非均匀坡面地形曲线，基于过非均匀坡面某点的水滴运动轨迹模型和非均匀坡面地形曲线，获得过非均匀坡面某点的水滴运动轨迹与平面的交点，根据单喷头径向方向上水量守恒和非均匀坡面地形曲线，将交点位置对应单喷头平面水量分布模型的喷灌强度，转化为非均匀坡面某点的喷灌强度，可以解决现有均匀坡面水量分布转化方法无法满足非均匀坡面水量分布转化需要的问题，提高适用性，以便简化非均匀坡面的水量分布测量并应用于丘陵山地的节水灌溉。

技术领域

本发明属于节水灌溉技术领域，具体涉及一种单喷头从平面到非均匀坡面的水量分布转化方法。

背景技术

中国丘陵坡地众多，在我国19.98亿亩耕地中，坡度在2°至25°的耕地约占全部耕地的40.39％，且丘陵坡地是油、麻、桑、果、药、茶等经济作物的重要产业基地。丘陵坡地地区通常存在着水低田高、坡度大、土层薄等问题，采用传统的灌溉方式不仅工程量大，而且易产生地表径流和深层渗漏，造成土壤板结，不利于作物的生长。因此，在丘陵坡地地区发展节水喷灌技术，既能提高灌溉水的利用率，又无需平整土地，而且可以减少地表径流和深层渗漏，是解决丘陵坡地地区灌溉问题的有效途径。喷头水量分布是喷灌系统设计的基础，对于喷灌系统的设计至关重要，受地形因素的影响，坡地喷头水量分布测量比较困难，而平地喷头水量分布易于测量，开展平面喷灌水量分布向坡面水量分布转化的研究对评价丘陵山地喷灌系统性能、评估作物灌溉的质量有着重要意义。

国内外学者对平面喷灌水量分布向坡面转化开展的研究工作中，例如陈学敏，Soares等学者以动力学原理为基础，建立了水滴飞行运动方程，并根据水量平衡原理，建立了均匀坡地喷灌水量分布模型；向清江基于射流轨迹计算公式，应用网格变换的方法建立了平地和均匀坡地之间水量分布数据的对应关系，实现了平地和均匀坡地之间水量分布数据的转换；张以升等以弹道理论为基础，考虑水滴运动蒸发，建立了均匀坡地喷灌水量分布计算模型；Mateos在液滴运动方程中引入风速与地形的对数关系，建立了有风条件下坡地喷灌水量分布模型。

上述方法的主要缺陷在于：均是假设坡地的坡度恒定获得的从平面到均匀坡面水量分布转化方法，其转化原理是基于平面实测水量分布数据，并根据沿射流方向总水量守恒原理，引入水量折算系数：喷头某旋转方向上液滴在平地落点的距离与液滴在均匀坡地落点距离的比值，通过喷头的旋转角度、坡度角及距离之间的几何关系建立水滴运动轨迹曲线在均匀坡面上投影的直线方程，将平地实际测量的水量折算为坡地上的水量：坡地上某点的水量值为其对应平地点实际测量点水量与折算系数的乘积。而丘陵山地中存在着大量的非均匀坡地，在非均匀曲面上，非均匀坡面的坡度角是随着距喷头的距离变化的，且水滴运动轨迹曲线在非均匀坡面上的投影是曲线，喷头某旋转方向上液滴在平地落点的距离与液滴在非均匀坡地落点距离的比值无法描述它们之间的折算关系，故均匀坡面水量分布的转化方法无法满足非均匀坡面水量分布转化的需要，对评价丘陵山地喷灌系统性能、评估作物灌溉质量存在一定的局限性。

其次，还存在以下缺陷：(1)仅考虑某固定工作压力下喷头的坡地水量分布转化，未考虑不同的工作压力对坡地水量分布转化的影响，制约了方法的适用性。(2)水滴运动模型和坡面模型均建立在笛卡尔坐标下，在理想的无风条件下，从喷头射出的液滴将沿着喷头的某径向方向运动，在笛卡尔坐标下建模求解难度较大。(3)液滴的粒径不同，运动距离亦不同，通常以液滴的粒径为变量，通过改变液滴粒径计算坡地对应落点处的水量，由于没有建立坡地距离与液滴粒径之间的关系，故该方法不能直接求解坡面某点处的水量。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种单喷头从平面到非均匀坡面的水量分布转化方法，能够满足非均匀坡面水量分布转化需要，提高适用性，以便简化非均匀坡面的水量分布测量并应用于丘陵山地的节水灌溉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：