Способ оценки влагозапасов почвы при капельном орошении Советский патент 1993 года по МПК A01G25/00 

Изобретение относится .к сельскому хозяйству, в частности к сёльскохбзяйственной мелиорации, и может Выть использовано для определения влагозапасов орошаемых садов капельным способом при оперативном управлении поливами. . : ; ,

Известен способ определения влагозапасов С помощью Прямых измерений влажности почвы Недостатком этого способа является потребность больи. ого количества точек измерения для обеспечения приемлемой точности, что вызвано пространственной вариацией водно-физических характеристик почвы.

Известен также способ определения влагозапасов почвь при капельном орошении, в котором используется уравнение водного баланса

Ам 10(Еу я-б;01 4ойТм3/га, (1)

где Ml - дефицит влагозапасов,

Ёу - слой суммарното испарения в пределах зоны увлажнения, мм;

: Еу Ке (S Ео) о д% аз аз : -

Р2 - выпавшие атмосферные осадки, мм: ; ;- - : - . . ;К; -;.;..: :; -: - ;. : -Z - площадь увлажнения, %;

коэффициенты, учитывающие соответственно возраст деревьев, величину доли увлажнения, уровень влажности почвы, величину проектного урожая, .инерционность влагозапасрв и передвижение влаги из зоны увлажнения;

VI

ю ю ю а со

w

ft - коэффициент эффективного использования осадков;

(Z Ео) - суммарный слой испарения с водной поверхности, мм;

10; 0,01 - переводные коэффициенты;

Ке - биоклиматический коэффициент, являющийся функцией от суммы эффективных температур (t3s 2(), принимающий

; . -..;i

значения от 0,22 в начале вегетационного сезона до 0,36 в конце, с пиком, равным 0,62 примерно в его б ёрёдийе;

li - коэффициент, Зависящий от продолжительности дня;

Т, - среднесуточная температура.

Способ также предполагает прямые измерения влажности почвы термостатно-весовым или другим известным методом раз в 10-20 дней, которые используются для коррекции расчетных значений, т.е. способ сочетает определение влагозапасов по косвенным метеопараметрам и прямые измерения влажности почвы.

Недостатком этого способа являются значительные погрешности определения влагозапасов (до 15%). связанные с тем, что траектория биоклиматичёского коэффициента используется без изменения, в то время как из года в год и даже внутри одного вегетационного сезона она меняется. Другим источником погрешностей являются неучтенные составляющие уравнения водного баланса, а также разброс влажности по полю;

Цель изобретения - повы шение точности оценки влагозапасов почвы.

Цель достигается тем, что уравнение водного баланса представляют в стохастическом виде с неучтенной составляющей в виде дискретного белого шума, дисперсию которой определяют путем измерения влажности приземного слоя воздуха, при этом биоклиматический коэффициент представляют квадратичной функцией от суммы суточных эффективных температур, а прямые измерения влажности почвы корректируют на величину разброса влажности по полю, для определения которой проводят измерения плотности почвы орошаемого сада.

Положительный эффект создается совокупностью отличительных признаков предлагаемого способа.

Эти отличительные признаки существенны в силу следующих обстоятельств:

известное уравнение водного баланса представляется в стохастическом виде с добавлением неучтенной составляющей в виде дискретного белого шума, дисперсия

которой определяется путем измерения влажности приземного слоя воздуха, что позволяет вести более полный учет изменений величины влагозапасов почвы;

. в отличие от прототипа, в предлагаемом способе при оценке влагозапасов с использованием непосредственных измерений влажности почвы учитывается величина разброса влажности по полю, дисперсия которой

определяется путем проведения измерений плотности почвы орошаемого сада; .

для определения суммарного.испарения на каждом шаге расчета используются откорректированные значения биоклиматичеСких коэффициентов, в то время как в прототипе траектория изменения биоклиматического коэффициента принимается неизменной. v Способ оценки влагозапасов почвы осущестеляется следующим рбразом,

Зависимость Ке f (Тэз) аппроксимируется квадратичной функцией

25

Ke(t) Зо + Э1 Тэз (t) + 32 Тэз(т)2 (2)

и, принимая за (t) неучтенную составляю- щую уравнения водного баланса, представляющую некоррелированный дискретный шум с математическим ожиданием, равным с

нулю, и дисперсией Q(t), которая определяется по результатам измерений влажности приземного слоя воздуха в промежутке между расчетами, записываем уравнение водного баланса в виде стохастического конечно-разностного уравнения

W(t+1) W(t) + P23(t) + M(t) - {а0 +

- - ..- 6 . +ai T3S(t)+a2 TssWf} E0(t) Flrti +| (t 1) , MM

. .i - 1

(3)

В этом уравнении P2s(t) является покз- за тел ем эффективных атмосферных осадков, мм; -M(t} - проведенные поливы, мм; Eo(t) - результаты измерения испарения с водной поверхности, мм; W(t + I), W(t) - состояние влагозапасов в моменты времени t+1 и t соответственно, м; аа, ач, аз - коэффициенты квадратичной зависимости; начальные значения которых определяются по известной зависимости Ке ffTas); t - дискретные моменты времени (как правило, но- мер суток), t 0, 1,...

Для измерения величин атмосферных осадков, испарения с водной поверхности и температуры воздуха используются соответственно, например, автоматический

Измерения влагозапасов почвы имеют

вид

Zw(ti) W(ti) + Ј w(ti), мм,

(4)

где Јw(ti) - ошибка в момент ti измерения влагозапасов, учитывающая разброс влажности по полю.

При t 0 а0(0), ai(0), 32(0) нормально распределены с плотностями f(a0, бао), f(Ii, 6ai) и f(.ffa2) соответственно, где а0. ai, 32 - априорные (определенные до начала вегетационного периода) значения коэффициентов: Оа0(0) ,Oai(0) ,(7а2(0) - априорные среднеквадратические отклонения, характеризующие их возможный разброс.

Априорное распределение влагозапасов W(0) также считаем нормальным с математическим ожиданием, соответствующим результату первого измерения влагозапасов почвы: W(0) Zw(0) и среднеквадратическим отклонением, соответствующим разбросу влажности по полю oyv(O) Vp(0) Rfr) это дисперсия Гауссовской случайной последовательности Јw(tj). определяемая по результатам измерений плотности почвы в разных точках (обеспечивающих доверительную вероятность) орошаемого сада.

Величины влажности приземного слоя воздуха и плотности почвы измеряются соответственно, например гигрометром (или гигрографом) и гамма-плотномером.

Зависимости дисперсии Q от среднего значения влажности приземного слоя воздуха г и дисперсии R от вариации плотности почвы Јf, определяются экспериментальным путем до начала проведения расчетов.

Для определения оценок W(t), a0(t), ai(t) и ci2(t). оптимальных в среднеквадратиче- ском смысле, уравнение (3) приводится к виду

X(t+1) Ф(1 + 1 .t) X(t) + T(t + 1 ,t)|(t) + + V-(t+1,t) U(t).(5)

где Ф(1+1 д), T(t + 1 .t), V(t+1 -t) соответственно переходные матрицы состояния, возмущения и управления системы почва - растение - приземный воздух :

(t+1)

W (t+1) a0(t+i) a i(t+1)

32 (t+1)

X(t)

W(t) a0(t) ai(t)

32 (t)

T(t+1,t)

- y;(t+1,t)

Изобретение относитсяk: еёлШ(ому хозяйству; в частности к сельскох озяйственной мелиорации, и может быть использовано для определения влагозапасов орошаемых садов капельньки Способом при оперативном управлении поливами. Цель изобретения - повышение точности оценки вИатОзапасов почвы. Цель достигается тем, что а уравнение водного баланса вводят неучтенную составляющую в виде Дйскрётно1 о белого шума, дисперсию которой определяют путем измерения влажности приземного слоя воздуха, а при прямых измерениях влажности почвы учитывают ее разброс по полю. Благодаря этим новым величинам стало возможным снизить погрешность определения влагозапасов примерно в 2 раза. f . fe

(t+1.t)

осадкомер, эвапориметр и электрический термометр (или термограф). U(t)-P2a(t) + M(t);t 0; 1,...

В качестве модели измерений Zw. если они проводятся б дискретные моменты вр.е- мени t, используется выражение

Zw(t+1) H(t+1) X(t+1) + ew (t+1). (6)

где H(t+1) - матрица связи состояния и из- мерения; .

H(t+1)//1 0 0 0|f.

Описание состояния системы и измерений линейными уравнениями (5), (6) при при- нятом допущении о нормальности априорного распределения вектора состояния X позволяет получить оптимальную (в среднеквадратическом смысле) оценку этого вектора, используя алгоритм Калмана.

-Eo(t)-T3S(t)ri(5i

.

0

1

0

a2-E0(t)|T3s(t)

i 1

0

0

1

Для получения оптимальных оценок в промежутках между измерениями влагозапасов почвы используется соотношение

X(t+1 /t) Ф (t + 1 д) X(t/ t) + B(t). (7)

где X(t+1/t) - оценка вектора состояния X (условное математическое ожидание вектог ра состояния при условии, что имели место измерения в моменты времени ti t; t+1 ti; B(t) VW-U(t).

При ошибка одноша гового предсказания X(t+1/t) X(t+1) - X(t+1/t) - это случайный процесс, который является гаус- совской марковской последовательностью с нулевым математическим ожиданием и корреляционной матрицей.

P(t+1 /t) Ф (t+1, t) P(t/t) д) +

+r(t+ U)Q r(t+1,t)

(8)

В моменты ti получения измерений, т.е. при t+1 ti оценка вектора состояния X определяется следующими соотношениями:5

x(t+i/t+i) Ф(ги д)x(t/t) + K(t+i)x :: ;

. х 2w(t+1) - ti(t-M): Ф (t+i ,t) X(t/t)l + B(t), (9) Kft+1) P(t+1 /t) H 1(t+1jIH(t+1) x10 xP(t+1/t) H1(t+1) (10) P(t+1 /t) t(t+1 ,t) P(t/t) Ф1 (t+1 ,t) +.

15

+ r(t+1,t) QT1(t+1,t) P(t+1/t+1) 1 -K(t+1) W(t+1)x

: ; xp(t+i/t), ; (f2)

где 1 - единичная матрица размера (4x4); K(t+1) - матрица передачи фильтра размера (4x4). Л Ошибка фильтрации X(t+1 /t+1) X(t+1) - X(t+1/t+1) - это случайный процесс, который является марковской гауссовской последова- тельностью с нулевым математическим ожиданием и корреляционной матрицей (12).

Для запуска всей вычислительной процедуры необходим указать начальные условия, а именно Х(0/0) и Р(0/0).. С учетом принятых априорных распределений компонент вектора состояния следует принять

W(0)

30

ai aa

о&/(0) ОО

о ni0(o) о

0

0

т.е. ре5

:: ;

(9) 10 10)

1)

15

О0 0(0) О

ОО О о|2(0)

Диагональные элементы .корреляционных матриц P(t+1/t) и P(t+1/t+1) показывают зм&нени ё во времени дисперсной ошибок оценок влагозапасов и коэффициентов а0, ai, 32. а так как процедура является оптимальной, то дисперсии минимальны.

Экспериментально установлено, что по сравнению с прототипом описанный способ позволяет снизить погрешность определения влагозапасбв примерно в два раза, ;

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и

Способ оценки влагозапасоб почвы при капельном орошении, заключающийся в измерении испарения с водной поверхности выпавших.атмосферных осадков. среднесуточной температуры.воздуха и влажности почвы с использованием биоклиматических коэффициентоё при расчёте суммарного испарения с поверхности почвы, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности оценки влагозапасов почвы, уравнение водного баланса представляют о в стохастическом виде с неучтенной составляющей в виде дискретного белого шума, дисперсию которой определяют путем измерения втажности приземного слоя воздуха, при этом бирклиматйческий коэффициент представляют квадратичной функцией от суммы эффективных температур, а прямые измерения влажности почвы корректируют на величину разброса влажности по полю, для определения которой проводят измерения плотности почвы орошаемого сада.