Способ оценки влагозапасов почвы при капельном орошении

Способ оценки влагозапасов почвы при капельном орошении

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ В

Ey = Ке (Е-о) М А багз rà, () а

1 (21) 4909085/15 (22) 07.02,91 (46) 30,01.93. Бюл. М 4 (71) Молдавский филиал Украинского науч" но-исследовательского института гидротехники и мелиорацйи (72) В.B.Áàéêó, В,С.Зарицкий, Ф.В,Унгуряну и А.Д.Короновский (73) Молдавский филиал Украинского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации (56) Эффективность автоматизированной системы управления поливом (из опыта работы МОПП им. "Г аэеты Правда" Дубосарского р-на МССР), Информационный листок "Сельское хозяйство", Кишинев, РИО

МолдНИИНТИ, 1984, М 115.

Изобретение относитСя к сельскому хозяйству. в частности к сельскохозяйственной мелиорации, и может быть 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 болье. ого количества точек измерения для обеспечения приемлемой точности, что вызвано пространственной вэрйацией водно-физических характеристик почвы.

Известен также способ определения влагозапасов почвй при капельном орошении, в котором используется уравнение водного баланса.,. Ж 1792263 А3

2 (54) СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЛАГОЗАПАСОВ

ПОЧВЫ ПРИ КАПЕЛЬНОМ ОРОШЕНИИ (57) Изобретение относится "i<"ñåëüñêoìó хо- зяйству, в-частности к сельскохозяйственной мелиорации, и может быть использовано для определения влагозапасов орошаемых садов капельным способом при оперативном управлении поливами. Цель изобретения — повышение точности оценки "вЛагбзапасов почвы. Цель достигается тем, что в уравнение водного баланса выдят неучтенную составляющую в виде дйскретного белого шума, дисперсию которой определяют путем измерения влажности приземного слоя воздуха, а при прямых измерениях влажности почвы учитывают ее разброс по полю. Благодаря этйм йовым величинам стало воз можнйм снизить погрешность определени влэгозапасов примерно в 2 раза.

АМ=10(Ey 05 — 0,01,иР2 Z}ob, м /га, (1} где ЬМ вЂ” дефицит влагозапасов, м /га;

ЕУ вЂ” слой суммарного иСпарения в ripeделах эоны увлажнения, мм;

Pz — выпавшие атмосферные осадки, мм;

Z — площадь увлажнения; Д;

01-ст6 — козффициейты, учитывающие соответственно возраст деревьев, величину доли увлажнения",уровень влажности почвы, величйну проектного урожая,,инерционность влагозапасов и передвижение влаги из зоны увлажнения;

1792263

/с — коэффициент эффективного использования осадков; (Z Е0) — суммарный слой испарения с водной поверхности, мм;

70; 0,01 — переводные коэффициенты; 5

Ке — биоклиматический коэффициент, являющийся функцией от суммы эффективных температур(Тэ = Z(li Ti), принимающий

i значения от 0,22 в начале вегетационного се- 10 зойа до 0,36 в конце, с пиком, равным 0,62 примерно в его с ередине;

li — коэффициент, зависящий от продолжительности дня;

Т; — среднесуточная температура, 15

Способ также предполагает прямые измерения влажности почвы термостатно-весовым или другим известным методом раз в

10-20 дней, которые использу!Отся для коррекции расчетных значений, т.е. способ со- 20 четает определение влагозапасов по косвенным метеопараметрам и прямые измерения влажности почвы.

Недостатком этого способа являются значительные погрешности определения 25 влагозапасов (до 7570), связанные стем, что траектория биоклиматического коэффициента используется без изменения, в то время как из года в год и даже внутри одного вегетационного сезона она меняется. Дру- 30 гим источником погрешностей являются неучтенные составляющие уравнения водного баланса, а также разброс влажности no полю.

Цель изобретения — повышение точности оценки влагозапасов почвы, Цель достигается тем, что уравнение водного баланса представляют в стохастическом виде с неучтенной составляющей в 40 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 корректи руют на величину разброса влажности по полю, для определения которой проводят измерения плотности почвы Орошаемого 50 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, Способ оценки, влагозапасов почвы осуществляется следующим образом, Зависимость Ke - f (Tas) аппроксимируется квадратичной функцией

Ke(t) = ao + а Тзв (t) + а2 (Тэв(с)) (2) и, принимая за (с) неучтенную составляющую уравнения водного баланса, представляющую некоррелированный дискретный шум с математическим ожиданием, равным -" нулю, и дисперсией G(t), которая определяется по результатам измерений влажности приземного слоя воздуха в промежутке между расчетами, записываем уравнение водного баланса в виде стохастического конечно-разностного уравнения (с+1) = W(t) + Р2э(с) + M(t) — (3p +

+а! Т(с)+аг (Т„(с)) ) Е (с) Пц + ((t + 1), мм

i =1 (3) . В этом уравнении Рь(с) является показателем эффективных атмосферных осадков, мм; -M(t) — проведенные поливы, мм;

Ep(t) — результаты измерения испарения с водной поверхности, мм; W(t + 1), И/(с)— состояние влагозапасов в моменты времени с+1 и t соответственно, м; Вр, а7, а7 — коэффициенты квадратичной зависимости, начальные значения к nop! ix опрецеляются по известной зависимости Ке = (Тэв); t — дискретные моменты времени (как правило, номер суток). t = О, 1,..., Для измерения величин атмосферных осадков. испарения с водной поверхности и температуры воздуха используются соответственно, например, автоматический

1792263 вид

W (t+1) а (1+1) а1 (t+1) д2 (1+1) W (t) а (t) а 1 (1) а2 (t) X(t+1) =

X(t)=

0

1

0

Г(1+1 Л) : ф(1+1Л) =

I б — а,-Е,(t) ГИ;

i =1

0 а Eo(t) Т„(1}Пд

l=1

0

Ф(1+1 t) =

Н(1+1)=ff1 0 0 og

Измерения влагозапасов почвы имеют

Zw(t;) = W(ti) + е w(ti), мм, (4) где @м(1 ) — ошибка в момент t измерения влагозапасов, учитывающая разброс влажности по полю.

При t = 0 ао(0), a1(0), a2(O) нормально распределены с плотностями f(ao, Pja()), f(a1, ()а1) и 1(а2Ла2) соответственно, где ао. 81, а2— априорные (определенные до начала вегетационного периода) значения коэффициентов: Оао(0) .Оа1(0),(1а2(0) априорные среднеквадратические отклонения, характеризующие их возможный разброс.

Априорное распределение влагоэапасов 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 aw(0) = р 0) R(tl) — это дисперсия Гауссовской случаиной последовательности ew(ti), 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.гигроосадкомер, эвапориметр и электрический термометр (или те рмограф).

U(t) = Р2э(t) + M(t); t = О, 1,...

В качестве модели измерений Zw, если они проводятся в дискретные моменты времени t, используется выражение

Zw(t+1) = H(t+1) X(t+1) + Fw (1+1), (6) где H(t+1) — матрица связи состояния и измерения;

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

Зависимости дисперсии Q от среднего значения влажности приземного слоя воздуха i и дисперсии R от вариации плотности почвы о, определяются экспериментальным путем до начала проведения расчетов;

Для определения оценок W(t), а (т), а1(1) и и а2(1), оптимальных в среднеквадратическом смысле, уравнение (3) приводится к виду

X(t+1) = Ф(t + 1л) X(t) + Г(т+ 1л) Q (t) +

+ t!(t+ 1Л) U(t), (5) где Ф(1+1 л), Г(1+ 1.t), 1/(1+1 л) соответственно переходные матрицы состояния, возмущения и управления системы "почва— растение — приземный воздух":

Для получения оптимальных оценок в промежутках между измерениями влагбза- пасов почвы используется соотношение

5 X(t+1/t) = Ф(1+ 1Л) X(t/ t) + B(t), P) где X(t+1/t) — оценка вектора состояния X (условное математическое ожидание вектора состояния при условии, что имели место

10 измерения в моменты времени tl t; t+1 tl, B(t) = 1/r (t) - U(t)

При этом ошибка одношагового предсказания X(t+1/t) = X(t+1) — X(t+1/t) — это случайный процесс, который является гаус15 совской марковской последовательностью с нулевым математическим ожиданием и кор- реляционной матрицей.

P(t+1/t) = Ф(1+1, t) Р(1/1) Ф (1+1Л) +

17922б3

+Г(с+ 1 с) 0 Г (с+1л) (8) ! О 0 oа1(0) 0 о 0 0 0. 2(0

K(t+1) = P(t+1/t) Н (t+1) (Н(с+1) х 10 х P(t+1/t) Н (t+1)+ P) (10) P(t+1/t) = Ф(с+1 с) Р(с/t) Ф (с+1 с)+

+ Г(с+1д) 0 Г (с+ I,t) (11) Формула изобретени

Р(с+1/с+1) = (1 — К(с+1) Н(с+1П х

W(0 ао а1 а2

35 х(0/0)= (O) 0 0

Р<оу0)= о 4„(о> о

О

Составитель В.Байку

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор И,Шмакова

Редактор

Заказ 161 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .. : ы „,,1 13035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 101

8 моменты ti получения измерений, т.е. при с+1 = а оценка вектора состояния X определяется следующими соотношениями: 5

X(t+1/t+1) = Ф(с+1 с) Х(с/с) + К(с+1) х и х (Zw(t+1) — H(t+1) Ф(с+1 с) X(t/t))+ B(t), (9) х Р(с+1/с), (12) 20 где 1 — единичная матрица размера (4х4); К(с+1) — матрица передачи фильтра размера (4х4).

Ошибка фильтрации X(t+1/с+1) = Х(с+1)—

X(t+1/ñ+1) — это случайный процесс, который является марковской гауссовской последова- 25 тельностью с нулевым математическим ожиданием и корреляционной матрицей (12).

Для запуска всей вычислительной процедуры йеобходимр указать начальные условия, а именно X(0/О) и Р(0/О)., С учетом 30 принятых априорных распределений компонейт вектора состояния следует принять

Диагональные элементы корреляционных матриц P(t+1/t) и P(t+1/t+1) показывают изменение во времени дисперсной ошибок оценок влагозапасов и коэффициентов ао, а1, а2, а так как процедура является оптимальной, то дисперсии минимальны, .

Экспериментально установлено, что по сравнению с прототипом описанный способ позволяет снизить погрешность ойределения влагозапасов примерно в два раза.

Способ оценки ваагозапасов почвы при капельном орошении, заключающийся в измерейии.испарения с водной поверхности выпавших атмосферных"осадков, среднесуточной температуры воздуха и влажности почвы с использованием биоклиматических коэффициентов при расчете суммарного ис- . парения с поверхности почвы, о т л и ч а юшийся тем., что, с целью повышения точности оценки влагозапасов почвы, уравнение водного баланса представляютс в стохастическом виде с неучтенной составляющей в виде дискретного белого шума, дисперсию которой определяют путем измерения вчажности приземного слоя воздуха, при этом бирклиматический 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.