本文關(guān)鍵詞：基于實(shí)時地表水流推進(jìn)數(shù)據(jù)反饋控制畦灌過程的機(jī)理與方法

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【摘要】：目前,地面灌溉仍是我國應(yīng)用最為廣泛的田間灌水方法,但現(xiàn)有地面灌溉田間管理粗放,灌溉過程可控制性差,致使田間灌溉效率低下,地面灌溉性能指標(biāo)值普遍偏低,此問題已成為制約我國地面灌溉技術(shù)發(fā)展的瓶頸。研究地面灌溉過程實(shí)時反饋控制技術(shù),加強(qiáng)對灌溉過程的控制和管理,對于提高地面灌溉田間管理水平,改進(jìn)地面灌水質(zhì)量具有重要的理論和實(shí)際意義。基于大量典型田塊的實(shí)測水流數(shù)據(jù),通過分析不同畦田條件下利用部分?jǐn)?shù)據(jù)替代全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估算和模擬預(yù)測時的誤差狀況,進(jìn)行畦灌過程實(shí)時反饋控制技術(shù)的適應(yīng)性研究；基于貝葉斯統(tǒng)計方法,探討根據(jù)先驗(yàn)灌溉信息準(zhǔn)確預(yù)測控制后驗(yàn)灌溉過程所需的合理數(shù)據(jù)量；建立以水流推進(jìn)時間和地表水深的實(shí)測值與模型模擬值的平均相對誤差最小為目標(biāo)函數(shù)的土壤入滲參數(shù)優(yōu)化反求模型,并采用遺傳算法進(jìn)行求解入滲參數(shù)；基于大量典型田塊的實(shí)測水流數(shù)據(jù),借助灌溉模擬模型,系統(tǒng)分析考慮干濕田面糙率差異與否對模擬結(jié)果造成的影響；以平均灌水深度為控制目標(biāo),通過分析不同灌溉技術(shù)要素組合下,各灌溉性能指標(biāo)值對灌溉控制目標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系,確定不同技術(shù)要素組合下能使灌溉性能指標(biāo)值最優(yōu)的適宜控制目標(biāo)；構(gòu)建以灌溉信息實(shí)時獲取為支撐條件,以灌溉過程模擬預(yù)測為核心基礎(chǔ),以灌溉方案決策和實(shí)施為應(yīng)用平臺的畦灌過程實(shí)時反饋控制決策技術(shù)體系。通過對以上內(nèi)容的研究,主要創(chuàng)新點(diǎn)及結(jié)論在于：1、基于貝葉斯統(tǒng)計方法,從理論上推導(dǎo)得出了畦灌實(shí)時反饋控制中,由部分地表水流推進(jìn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估算土壤入滲參數(shù),并模擬預(yù)測灌溉全過程,所需要采集的合理數(shù)據(jù)量。結(jié)果表明,要使部分?jǐn)?shù)據(jù)推求整個水流運(yùn)動過程的模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差控制在40%、25%、15%、10%和7%左右,所需的合理數(shù)據(jù)量分別為40%、50%、60%、70%和80%。2、在優(yōu)化反求土壤入滲參數(shù)中同時考慮水流推進(jìn)時間和地表水深因素。采用綜合目標(biāo)函數(shù),即以推進(jìn)時間和地表水深的實(shí)測值與借助地面灌溉模擬模型得出的對應(yīng)模擬值的平均相對誤差最小為目標(biāo)函數(shù)。該方法比此前單純采用推進(jìn)時間目標(biāo)函數(shù)的方法更為準(zhǔn)確,比采用推進(jìn)時間和消退時間目標(biāo)函數(shù)的方法更有時效性,能夠滿足實(shí)時反饋控制快速、準(zhǔn)確的要求。3、基于地面灌溉實(shí)時反饋控制快速、準(zhǔn)確的要求,根據(jù)田塊的土質(zhì)、地形、畦長、入畦單寬流量等灌水技術(shù)要素,將田間試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合,采用理論分析與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式,研究提出能夠使灌溉性能參數(shù)最優(yōu)的灌水深度控制目標(biāo)建議值,并優(yōu)化決策灌溉關(guān)口時間,實(shí)時生成反饋控制方案。結(jié)果表明,各種灌水技術(shù)要素組合下,砂壤和黏壤土質(zhì)下畦長為50m時,灌水深度控制目標(biāo)取Zlq=Zreq最佳；畦長為l00m時,零坡度下灌水深度控制目標(biāo)取Zmin0最佳,有坡度下取Zlq=Zerq最佳；畦長為150m時,除黏壤土有坡度田面平整精度好的情況采用Zlq=Zerq最佳外,其他建議采用Zmin0。該研究成果提出的不同灌溉技術(shù)要素組合下的控制目標(biāo)建議值可為畦灌過程實(shí)時反饋控制方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。針對加強(qiáng)畦灌過程實(shí)時反饋控制的研究是當(dāng)前改進(jìn)地面灌溉技術(shù)的重點(diǎn)所在,有助于加強(qiáng)地面灌溉過程的可控性,提升地面灌溉田間灌溉管理水平,提高田間灌溉效率,該研究成果對于改善我國地面灌溉方式落后的現(xiàn)狀、緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺的矛盾、促進(jìn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和必要性。
【關(guān)鍵詞】：實(shí)時 水流推進(jìn) 反饋控制 畦灌過程
【學(xué)位授予單位】：中國水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S275.3
【目錄】：

• 摘要7-9
• 英文摘要9-14
• 第一章 緒論14-26
• 1.1 研究目的和意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展16-22
• 1.2.1 畦灌過程實(shí)時反饋控制技術(shù)與目標(biāo)16-18
• 1.2.2 土壤特性參數(shù)確定18-20
• 1.2.3 尚待研究的問題20-22
• 1.3 研究方案22-26
• 1.3.1 研究目標(biāo)22
• 1.3.2 研究內(nèi)容22-23
• 1.3.3 技術(shù)路線23-26
• 第二章 田間試驗(yàn)觀測與研究方法26-44
• 2.1 試驗(yàn)區(qū)概況26-28
• 2.2 田間試驗(yàn)觀測方法28-32
• 2.3 統(tǒng)計學(xué)分析方法32-36
• 2.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法32-33
• 2.3.2 貝葉斯統(tǒng)計方法33-36
• 2.4 多目標(biāo)優(yōu)化方法36-38
• 2.5 一維地面灌溉水流運(yùn)動模擬模型38-41
• 2.6 地面灌溉性能評價指標(biāo)41-44
• 第三章 畦灌實(shí)時反饋控制技術(shù)適應(yīng)性與適宜的地表水流推進(jìn)數(shù)據(jù)量44-66
• 3.1 畦灌過程實(shí)時反饋控制技術(shù)適應(yīng)性分析44-56
• 3.1.1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)45-47
• 3.1.2 適應(yīng)性分析方法47-52
• 3.1.3 土壤入滲參數(shù)估算結(jié)果隨灌溉信息采集范圍變化規(guī)律52-53
• 3.1.4 灌水技術(shù)要素對灌溉信息采集范圍適宜值的影響53-55
• 3.1.5 畦灌過程實(shí)時反饋控制技術(shù)適用條件分析55-56
• 3.2 基于貝葉斯統(tǒng)計方法的畦灌實(shí)時反饋控制地表水流推進(jìn)適宜數(shù)據(jù)量56-65
• 3.2.1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)56-60
• 3.2.2 先驗(yàn)分布函數(shù)確定60-62
• 3.2.3 根據(jù)先驗(yàn)地表水流推進(jìn)數(shù)據(jù)反饋控制畦灌過程的適宜數(shù)據(jù)量62-65
• 3.3 小結(jié)65-66
• 第四章 土壤特性參數(shù)估算66-80
• 4.1 土壤入滲參數(shù)優(yōu)化估算反求方法66-71
• 4.1.1 基于綜合目標(biāo)的土壤入滲參數(shù)估算優(yōu)化反求模型66-68
• 4.1.2 基于遺傳算法的土壤入滲參數(shù)實(shí)時估算求解68-71
• 4.2 田面糙率干濕差異分析71-79
• 4.2.1 田間試驗(yàn)設(shè)計72-74
• 4.2.2 干濕田面糙率差異對地面水流推進(jìn)模擬效果的影響74-76
• 4.2.3 干濕田面糙率對畦灌模擬效果的敏感性分析76-77
• 4.2.4 干濕田面糙率差異對關(guān)口后地表水流推進(jìn)距離模擬結(jié)果的影響77-79
• 4.3 小結(jié)79-80
• 第五章 畦灌過程實(shí)時反饋控制決策目標(biāo)與尋優(yōu)決策方法80-98
• 5.1 灌溉性能評價指標(biāo)對畦灌過程實(shí)時反饋控制決策目標(biāo)的響應(yīng)80-89
• 5.1.1 響應(yīng)關(guān)系研究80-85
• 5.1.2 響應(yīng)程度分析85-89
• 5.2 灌水技術(shù)要素組合下最適宜的畦灌過程實(shí)時反饋控制決策目標(biāo)89-91
• 5.3 最適宜的畦灌過程實(shí)時反饋控制決策目標(biāo)的合理性驗(yàn)證91-92
• 5.3.1 田間驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計91-92
• 5.3.2 不同灌溉控制目標(biāo)下的灌溉性能指標(biāo)值對比分析92
• 5.4 畦灌過程實(shí)時反饋控制尋優(yōu)決策技術(shù)與方法92-96
• 5.4.1 Z_(min)>0尋優(yōu)決策93-95
• 5.4.2 Z_(lq)=Z_(req)尋優(yōu)決策95
• 5.4.3 Z_(min)=Z_(req)尋優(yōu)決策95-96
• 5.5 小結(jié)96-98
• 第六章 畦灌過程實(shí)時反饋控制決策系統(tǒng)98-112
• 6.1 畦灌過程實(shí)時反饋控制決策系統(tǒng)構(gòu)建98-100
• 6.1.1 原理與方法98
• 6.1.2 系統(tǒng)框架98-100
• 6.2 畦灌過程實(shí)時反饋控制決策技術(shù)系統(tǒng)核心軟件研發(fā)100-110
• 6.2.1 系統(tǒng)功能模塊100-101
• 6.2.2 面向?qū)ο蟮倪壿�、物理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件101-103
• 6.2.3 系統(tǒng)軟件的功能實(shí)現(xiàn)103-110
• 6.3 小結(jié)110-112
• 第七章 畦灌過程實(shí)時反饋控制決策系統(tǒng)的應(yīng)用效果評價112-128
• 7.1 田間試驗(yàn)與方法112-113
• 7.2 河北冶河試驗(yàn)區(qū)113-118
• 7.2.1 田塊試驗(yàn)設(shè)計113-115
• 7.2.2 地表水深對土壤入滲參數(shù)估算優(yōu)化反求模型的影響115-117
• 7.2.3 實(shí)時反饋控制對地面灌溉性能評價的影響117-118
• 7.3 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)試驗(yàn)區(qū)118-122
• 7.3.1 試驗(yàn)田塊信息與試驗(yàn)設(shè)計118-120
• 7.3.2 地表水深對土壤入滲參數(shù)估算優(yōu)化反求模型的影響120-121
• 7.3.3 實(shí)時反饋控制對地面灌溉性能評價的影響121-122
• 7.4 北京大興試驗(yàn)區(qū)122-126
• 7.4.1 田間試驗(yàn)田塊信息與試驗(yàn)設(shè)計122-123
• 7.4.2 地表水深對土壤入滲參數(shù)估算優(yōu)化反求模型的影響123-124
• 7.4.3 實(shí)時反饋控制對地面灌溉性能評價的影響124-126
• 7.5 小結(jié)126-128
• 第八章 結(jié)論與創(chuàng)新及建議128-131
• 8.1 主要結(jié)論128-129
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)129
• 8.3 研究建議129-131
• 參考文獻(xiàn)131-136
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果136-138
• 致謝138

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：516554