本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向雨水資源高效利用的坡耕地農(nóng)田壟溝布局方法。

背景技術(shù)：

人多地少水缺是我國的基本國情，根據(jù)全國土地利用變更調(diào)查，全國耕地面積為1.22×10⁴萬公頃，其中坡耕地約占1/3，壟溝改變了坡耕地單元的微地貌特征，進而影響到坡耕地的暴雨產(chǎn)流特性。當前，坡耕地壟溝布局主要從降低坡耕地水土流失量、減少農(nóng)藥化肥污染等方面進行考慮；并沒有系統(tǒng)地從農(nóng)田水循環(huán)過程考慮，提高坡耕地降水利用效率方面進行布局，對于具體壟溝攔蓄降水量無法進行定量分析。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的面向雨水資源高效利用的坡耕地農(nóng)田壟溝布局方法，通過綜合考慮當?shù)貜娊邓畯姸?、實際蒸散發(fā)量和土壤入滲量，構(gòu)建農(nóng)田壟溝，充分利用當?shù)氐挠晁Y源，提高雨水資源的利用效率。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

提供一種面向雨水資源高效利用的坡耕地農(nóng)田壟溝布局方法，其包括以下步驟：

對坡耕地農(nóng)作物生長期內(nèi)小時場次強降水進行排頻分析，將極端洪澇所對應(yīng)的場次降水量作為坡耕地農(nóng)作物生長期坡耕地農(nóng)田凈降水量；

計算坡耕地農(nóng)田實際蒸散發(fā)量：

ET＝K_w·K_c·ET₀

其中，ET為坡耕地農(nóng)田實際日蒸散發(fā)量；ET₀為坡耕地農(nóng)田參考蒸散發(fā)量；K_w為土壤水分修正系數(shù)；K_c為作物系數(shù)；

計算坡耕地農(nóng)田土壤入滲量：

其中，h_s為濕潤峰面處有效或平均基質(zhì)吸力；δ為水分飽和差；i_c為土壤穩(wěn)滲速率；In(t)為坡耕地農(nóng)田土壤入滲量；

計算坡耕地農(nóng)田壟溝最大洼地儲留量：

ΔWD_max＝A*D

其中，α為坡耕地角度；β、H、l、D和d均為農(nóng)田壟溝的布局參數(shù)，β為農(nóng)田壟溝斜面與坡耕地之間的夾角；H為農(nóng)田壟溝的高度；l為相鄰兩個農(nóng)田壟溝之間的間距；D為農(nóng)田壟溝的長度；d為二分之一農(nóng)田壟溝頂面寬度；

當坡耕地農(nóng)田降水產(chǎn)流量為零時，采用構(gòu)建的坡耕地農(nóng)田水循環(huán)模型計算壟溝理論儲水量，坡耕地農(nóng)田水循環(huán)模型為：

P＝E+In+R+ΔW_d

其中，P為坡耕地農(nóng)田凈降水量；E為坡耕地農(nóng)田實際蒸散發(fā)量；In為坡耕地農(nóng)田土壤入滲量；R為坡耕地農(nóng)田降水產(chǎn)流量；ΔW_d為農(nóng)田區(qū)洼地儲留量；

當壟溝理論儲水量小于農(nóng)田最大洼地儲留量時，優(yōu)化坡耕地壟溝分布數(shù)量最大化時農(nóng)田壟溝的布局參數(shù)：

其中，L為農(nóng)田沿坡降方向的總長度；ΔW_di為壟溝理論儲水量。

本發(fā)明的有益效果為：本方案提供的方法綜合考慮當?shù)貜娊邓畯姸?、實際蒸散發(fā)量和土壤入滲量，優(yōu)化農(nóng)田壟溝的布局參數(shù)，得到能夠充分利用當?shù)赜晁Y源的農(nóng)田壟溝布局；采用本方法構(gòu)建的布局參數(shù)能夠解決當前我國坡耕地面臨的水土流失、季節(jié)性干旱等諸多問題，滿足坡耕地強降水資源的有效利用的需求。

附圖說明

圖1為面向雨水資源高效利用的坡耕地農(nóng)田壟溝布局方法的流程圖。

圖2為坡耕地農(nóng)田壟溝的立體圖。

圖3為坡耕地農(nóng)田壟溝的側(cè)視圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。

參考圖1，圖1示出了面向雨水資源高效利用的坡耕地農(nóng)田壟溝布局方法的流程圖；如圖1所示，該方法包括以下步驟：

S1.根據(jù)水量平衡原理，構(gòu)建坡耕地農(nóng)田水循環(huán)模型：

P＝E+In+R+ΔW_d

其中，P為坡耕地農(nóng)田凈降水量(mm)；E為坡耕地農(nóng)田實際蒸散發(fā)量(mm)；In為坡耕地農(nóng)田土壤入滲量(mm)；R為坡耕地農(nóng)田降水產(chǎn)流量(mm)；ΔW_d為農(nóng)田區(qū)洼地儲留量(mm)。

S2.對坡耕地農(nóng)作物生長期內(nèi)小時場次強降水進行排頻分析，將極端洪澇所對應(yīng)的場次降水量作為坡耕地農(nóng)作物生長期坡耕地農(nóng)田凈降水量。

在本發(fā)明的一個實施例中，坡耕地農(nóng)田凈降水量的獲取方法為：

獲取農(nóng)作物生長期內(nèi)小時場次降水發(fā)生的次數(shù)；

小時場次降水的降雨量由大至小進行排序：P₁,P₂,P₃,…,P_m,…,P_n，并逐個累加次數(shù)，序號為m，則按下式計算累積頻率：

其中，n為小時場次降雨發(fā)生的次數(shù)，

皮爾遜-Ⅲ型繪制小時降水的理論頻率曲線，根據(jù)研究區(qū)確定的小時降水頻率曲線按照標準化降水指數(shù)(SPI)方法中極端洪澇(Fm＝97.72％)情景下小時降水強度作為坡耕地農(nóng)作物生長期典型強降水強度。

S3.計算坡耕地農(nóng)田實際蒸散發(fā)量

本方案采用《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范(GB50288-99)》中推薦的彭曼法計算坡耕地農(nóng)田實際蒸散發(fā)量，其計算公式為：

ET＝K_w·K_c·ET₀

其中，ET為坡耕地農(nóng)田實際日蒸散發(fā)量(mm/d)，ET₀為坡耕地農(nóng)田參考蒸散發(fā)(mm/d)，K_w為土壤水分修正系數(shù)，K_c為作物系數(shù)。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述坡耕地農(nóng)田參考蒸散發(fā)量的計算公式為：

其中，P₀為標準大氣壓(hPa)，P為坡耕地農(nóng)田平均氣壓(hPa)，Δ為平均氣溫時飽和水汽壓隨溫度的變率，γ為濕度計常數(shù)(hPa/℃)，R_n為太陽凈輻射(以所能蒸發(fā)的水層深度計，mm/d)；E_a為干燥力(mm/d)。

實施時，本方案優(yōu)選土壤水分修正系數(shù)的計算公式為：

其中，w為階段土壤平均含水量(占干土重％)，w_l為土壤臨界含水量(占干土重％)，w_p為凋萎系數(shù)(占干土重％)。

S4.計算坡耕地農(nóng)田土壤入滲量

本發(fā)明采用Green-Ampt一維土壤水分入滲公式計算坡耕地農(nóng)田典型土壤入滲量，其計算公式為：

式中，h_s為濕潤峰面處有效或平均基質(zhì)吸力；δ為水分飽和差；i_c為土壤穩(wěn)滲速率；In(t)為坡耕地農(nóng)田土壤入滲量；t為時間。

S5.計算坡耕地農(nóng)田壟溝最大洼地儲留量

如圖2和圖3，首先，將坡耕地壟溝布局概化為一個形狀規(guī)則的蓄水池(參見2中的序號A)，建立最大洼地儲留量(ΔWD_max)與坡耕地角度(α)、壟溝布局參數(shù)(β、H、l、D、d)等的函數(shù)關(guān)系：

ΔWD_max＝A*D

其中，β為農(nóng)田壟溝斜面與坡耕地之間的夾角；H為農(nóng)田壟溝的高度；l為相鄰兩個農(nóng)田壟溝之間的間距；D為農(nóng)田壟溝的長度；d為二分之一農(nóng)田壟溝頂面寬度；

S6.確定約束條件下坡耕地農(nóng)田壟溝結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化布局

當坡耕地農(nóng)田降水產(chǎn)流量為零時，采用構(gòu)建的坡耕地農(nóng)田水循環(huán)模型計算壟溝理論儲水量(ΔW_di)，

當壟溝理論儲水量ΔW_di小于農(nóng)田最大洼地儲留量ΔWD_max時，優(yōu)化坡耕地壟溝分布數(shù)量最大化時農(nóng)田壟溝的布局參數(shù)(β、H、l、D，d)：

其中，L為農(nóng)田沿坡降方向的總長度。

綜上所述，本方法通過農(nóng)田壟溝的合理化設(shè)計以及科學(xué)化布局，能夠?qū)崿F(xiàn)能蓄、可排、不漬總體要求，充分利用雨水資源，提高農(nóng)作物產(chǎn)量；從水安全高效利用的角度來看，坡耕地壟溝科學(xué)布局是建設(shè)土壤水庫、緩解區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害的關(guān)鍵舉措。