面向雨水资源高效利用的坡耕地农田垄沟布局方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种面向雨水资源高效利用的坡耕地农田垄沟布局方法。

背景技术

人多地少水缺是我国的基本国情，根据全国土地利用变更调查，全国耕地面积为1.22×10⁴万公顷，其中坡耕地约占1/3，垄沟改变了坡耕地单元的微地貌特征，进而影响到坡耕地的暴雨产流特性。当前，坡耕地垄沟布局主要从降低坡耕地水土流失量、减少农药化肥污染等方面进行考虑；并没有系统地从农田水循环过程考虑，提高坡耕地降水利用效率方面进行布局，对于具体垄沟拦蓄降水量无法进行定量分析。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的面向雨水资源高效利用的坡耕地农田垄沟布局方法，通过综合考虑当地强降水强度、实际蒸散发量和土壤入渗量，构建农田垄沟，充分利用当地的雨水资源，提高雨水资源的利用效率。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种面向雨水资源高效利用的坡耕地农田垄沟布局方法，其包括以下步骤：

对坡耕地农作物生长期内小时场次强降水进行排频分析，将极端洪涝所对应的场次降水量作为坡耕地农作物生长期坡耕地农田净降水量；

计算坡耕地农田实际蒸散发量：

ET＝K_w·K_c·ET₀

其中，ET为坡耕地农田实际日蒸散发量；ET₀为坡耕地农田参考蒸散发量；K_w为土壤水分修正系数；K_c为作物系数；

计算坡耕地农田土壤入渗量：

其中，h_s为湿润峰面处有效或平均基质吸力；δ为水分饱和差；i_c为土壤稳渗速率；In(t)为坡耕地农田土壤入渗量；

计算坡耕地农田垄沟最大洼地储留量：

ΔWD_max＝A*D

其中，α为坡耕地角度；β、H、l、D和d均为农田垄沟的布局参数，β为农田垄沟斜面与坡耕地之间的夹角；H为农田垄沟的高度；l为相邻两个农田垄沟之间的间距；D为农田垄沟的长度；d为二分之一农田垄沟顶面宽度；

当坡耕地农田降水产流量为零时，采用构建的坡耕地农田水循环模型计算垄沟理论储水量，坡耕地农田水循环模型为：

P＝E+In+R+ΔW_d

其中，P为坡耕地农田净降水量；E为坡耕地农田实际蒸散发量；In为坡耕地农田土壤入渗量；R为坡耕地农田降水产流量；ΔW_d为农田区洼地储留量；

当垄沟理论储水量小于农田最大洼地储留量时，优化坡耕地垄沟分布数量最大化时农田垄沟的布局参数：

其中，L为农田沿坡降方向的总长度；ΔW_di为垄沟理论储水量。

本发明的有益效果为：本方案提供的方法综合考虑当地强降水强度、实际蒸散发量和土壤入渗量，优化农田垄沟的布局参数，得到能够充分利用当地雨水资源的农田垄沟布局；采用本方法构建的布局参数能够解决当前我国坡耕地面临的水土流失、季节性干旱等诸多问题，满足坡耕地强降水资源的有效利用的需求。

附图说明

图1为面向雨水资源高效利用的坡耕地农田垄沟布局方法的流程图。

图2为坡耕地农田垄沟的立体图。

图3为坡耕地农田垄沟的侧视图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了面向雨水资源高效利用的坡耕地农田垄沟布局方法的流程图；如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1.根据水量平衡原理，构建坡耕地农田水循环模型：

P＝E+In+R+ΔW_d

其中，P为坡耕地农田净降水量(mm)；E为坡耕地农田实际蒸散发量(mm)；In为坡耕地农田土壤入渗量(mm)；R为坡耕地农田降水产流量(mm)；ΔW_d为农田区洼地储留量(mm)。

S2.对坡耕地农作物生长期内小时场次强降水进行排频分析，将极端洪涝所对应的场次降水量作为坡耕地农作物生长期坡耕地农田净降水量。

在本发明的一个实施例中，坡耕地农田净降水量的获取方法为：

获取农作物生长期内小时场次降水发生的次数；

小时场次降水的降雨量由大至小进行排序：P₁,P₂,P₃,…,P_m,…,P_n，并逐个累加次数，序号为m，则按下式计算累积频率：

其中，n为小时场次降雨发生的次数，

皮尔逊-Ⅲ型绘制小时降水的理论频率曲线，根据研究区确定的小时降水频率曲线按照标准化降水指数(SPI)方法中极端洪涝(Fm＝97.72％)情景下小时降水强度作为坡耕地农作物生长期典型强降水强度。

S3.计算坡耕地农田实际蒸散发量

本方案采用《灌溉与排水工程设计规范(GB50288-99)》中推荐的彭曼法计算坡耕地农田实际蒸散发量，其计算公式为：

ET＝K_w·K_c·ET₀

其中，ET为坡耕地农田实际日蒸散发量(mm/d)，ET₀为坡耕地农田参考蒸散发(mm/d)，K_w为土壤水分修正系数，K_c为作物系数。

在本发明的一个实施例中，所述坡耕地农田参考蒸散发量的计算公式为：

其中，P₀为标准大气压(hPa)，P为坡耕地农田平均气压(hPa)，Δ为平均气温时饱和水汽压随温度的变率，γ为湿度计常数(hPa/℃)，R_n为太阳净辐射(以所能蒸发的水层深度计，mm/d)；E_a为干燥力(mm/d)。

实施时，本方案优选土壤水分修正系数的计算公式为：

其中，w为阶段土壤平均含水量(占干土重％)，w_l为土壤临界含水量(占干土重％)，w_p为凋萎系数(占干土重％)。

S4.计算坡耕地农田土壤入渗量

本发明采用Green-Ampt一维土壤水分入渗公式计算坡耕地农田典型土壤入渗量，其计算公式为：

式中，h_s为湿润峰面处有效或平均基质吸力；δ为水分饱和差；i_c为土壤稳渗速率；In(t)为坡耕地农田土壤入渗量；t为时间。

S5.计算坡耕地农田垄沟最大洼地储留量

如图2和图3，首先，将坡耕地垄沟布局概化为一个形状规则的蓄水池(参见2中的序号A)，建立最大洼地储留量(ΔWD_max)与坡耕地角度(α)、垄沟布局参数(β、H、l、D、d)等的函数关系：

ΔWD_max＝A*D

其中，β为农田垄沟斜面与坡耕地之间的夹角；H为农田垄沟的高度；l为相邻两个农田垄沟之间的间距；D为农田垄沟的长度；d为二分之一农田垄沟顶面宽度；

S6.确定约束条件下坡耕地农田垄沟结构的最优化布局

当坡耕地农田降水产流量为零时，采用构建的坡耕地农田水循环模型计算垄沟理论储水量(ΔW_di)，

当垄沟理论储水量ΔW_di小于农田最大洼地储留量ΔWD_max时，优化坡耕地垄沟分布数量最大化时农田垄沟的布局参数(β、H、l、D，d)：

其中，L为农田沿坡降方向的总长度。

综上所述，本方法通过农田垄沟的合理化设计以及科学化布局，能够实现能蓄、可排、不渍总体要求，充分利用雨水资源，提高农作物产量；从水安全高效利用的角度来看，坡耕地垄沟科学布局是建设土壤水库、缓解区域暴雨洪涝灾害的关键举措。