本發明屬于光伏太陽能發電站園區降水灌溉，尤其涉及一種干旱區草地光伏系統板下灌溉監測方法、系統及裝置。

背景技術：

1、光伏太陽能發電正在以大規模集中式迅猛發展，緩解化石資源開采、能源發電對氣候變化的壓力。與此同時，在干旱區溫性荒漠類草地中大規模建設光伏園區，需要關注因光伏組件攔截降水，引起板下土壤濕度遞減及其鹽漬化導致的草地植被退化等重大生態問題。

2、現有發明提供一種光伏板集雨灌溉裝置(公告號cn221059097u，公開日：2024年06月04日)，公開包括伏板、主管道與集水箱，光伏板的底端設置有立柱，光伏板的正面底端面固定安裝有收集盒，收集盒焊接于光伏板正面底端的第一排立柱的正面，收集盒通過主管道與集水箱相連接；該裝置通過設置有集水槽與集水箱，過集水槽收集的水流完整掉落至收集盒內，而后各個收集盒通過出水孔與出水管連接到主管道，這時的雨水經由主管道流入集水箱中，然后從集水箱內部的水泵進行抽取出而后由灌溉管進行布置灌溉系統，由滴灌形式灌溉植物。

3、目前在干旱區草地區的太陽能光伏園區中，光伏系統板匯集的降水往往集中在一塊區域，不能合理利用，無法實現雨水灌溉出水量的合理智能管理，以及不能有效進行草地植物暗灌，不能減少水分直接揮發；同時，對于草地不能有效進行土壤濕度、鹽堿的準確監測，以及不能有效對垂直灌溉高度的監測管理。

4、已有的光伏灌排技術主要在農業領域應用，光伏主要作為供電裝置，現有中國專利一：發明創造名稱：地表水灌溉的節水設備，公開號：cn119183934a，公開日：2024年12月27日；現有中國專利二：發明創造名稱：一種移動式光伏灌溉裝置，公開號：cn222236016u，公開日：2024年12月27日；現有中國專利三：發明創造名稱：一種光伏棚架一體化的多功能噴灌系統及噴灌方法，公開號：cn119111367a，公開日：2024年12月13日；現有中國專利四：發明創造名稱：用于荒漠化防治的小型自動化集水灌溉裝置及方法，公開號：cn117296690a，公開日：2023年12月29日。上述專利所描述是內容，并不是針對干旱區光伏太陽能發電站園區。

5、已有的涉及光伏園區的灌排應用專利，如現有中國專利一：發明創造名稱：一種荒漠地區光伏治沙系統，公開號：cn117223531a，公開日：2023年12月15日；如現有中國專利二：發明創造名稱：一種生態光伏治沙裝置，公開號：cn118065468a，公開日：2024年05月24日；如現有中國專利三：發明創造名稱：一種基于自重力的光伏陣列雨水回流收集與灌溉裝置，公開號：cn220255305u，公開日：2023年12月29日。但是上述專利所描述的技術方案依然存在以下不足或缺陷：1.灌溉為地上噴灌，水分蒸散發強，植被水分利用率低；2.灌溉系統過于復雜，容錯率低，實用性仍需進一步提升；3.針對土壤濕度尤其光伏組件板下土壤濕度，灌溉系統尚無有效監測；4.針對干旱區光伏園區灌溉系統，促進光伏板下草地植被修復與恢復，防止土壤鹽漬化的專利極少。

技術實現思路

1、為克服相關技術中存在的問題，本發明公開實施例提供了一種干旱區草地光伏系統板下灌溉監測方法、系統及裝置。

2、所述技術方案如下：一種干旱區草地光伏系統板下灌溉監測方法，其特征在于，該方法包括：

3、s1，利用監控裝置實時監測當前干旱區草地光伏系統板下土壤濕度，并將該當前土壤濕度發送至遠程干旱區草地土壤監測端；

4、s2，當土壤濕度低于用戶設置閾值，監控裝置通過內部的處理器開啟抽水泵工作，同時，通過地面內部不同位置安裝的土壤濕度垂直斷面高度監測器實時監測土壤濕度垂直斷面高度并將監測的信息無線發送遠程干旱區草地土壤監測端，根據預設的適宜草地植物生長的土壤濕度閾值范圍，發送一調控指令給監控裝置，監控裝置控制橫管縱管連接裝置中采用三通或四通上加設的智能開關電磁閥開度以及開關時長；

5、s3，根據智能開關電磁閥開度以及開關時長對某區域的調控降水狀態，通過布設在地面不同部位的土壤鹽堿監測器實時監測該區域的土壤鹽堿度，監測土壤鹽堿化改良效果，并將該處的鹽堿程度無線發送遠程干旱區草地土壤監測端，根據預設的示意植被生長的鹽堿度進行比對，遠程干旱區草地土壤監測端根據當前土壤濕度進行綜合處理，獲得一個最優的土壤濕度、土壤鹽堿度結合值，根據該結合值，進一步判定對智能開關電磁閥開度以及開關時長是否進行進一步調整。

6、進一步，在步驟s2中，監控裝置控制電磁閥開度以及開關時長，包括：

7、步驟一，橫管縱管連接裝置有mp個智能開關電磁閥，智能開關電磁閥按地下滴灌系統預設的方式排列；單智能開關電磁閥的g個滴灌出水口等間隔距離分布在橫管縱管連接裝置的覆蓋范圍內，第g個滴灌出水口為og；建立一個og周圍有q個降水滴灌總量，每個降水滴灌總量針對單個輸送路徑的幾何流通路徑模型；

8、步驟二，流通路徑wf在被使用的滴灌流量段期間是擬靜態的，并且從滴灌流量段到另一滴灌流量段之間流通路徑是變化的，則在第m個流量段內，從og到橫管縱管連接裝置的流量增加流通路徑；

9、步驟三，將入射信號的干旱區草地光伏系統板下面積覆蓋域劃分為統一方向格點集r＝[r1,r2…rm]k，其中，rm為第m格點，k為階數；輸送路徑在格點上，則δg,w,m＝[δg,1,m,δg,2,m…δg,l,m]k是r的一個子集，δg,w,m為在第g個滴灌出水口處于第w流通路徑中m個流量段的輸送路徑的格點，δg,l,m為在第g個滴灌出水口處于第l流通路徑中m個流量段的輸送路徑的格點；引入偏離向量fg,m，當且僅當δg,m的某一元素等于rn,n＝1,2…m時，它的元素為0或1，且第n個元素為1；則在第m個流量段內，從og到橫管縱管連接裝置的流量增加流通路徑等價表示；其中，δg,m為在第g個滴灌出水口中m個流量段的輸送路徑的格點，rn為第n格點，m為格點數量值；

10、步驟四，面對土壤濕度垂直斷面高度趨勢x不能滿足事先規劃的格點，將跟實際開度大小有關的智能開關電磁閥開度大小響應矢量a(δg,w,m)近似線性表示；

11、步驟五，在開度一定的流通路徑滴灌流量段內，滴灌出水口的物理環境在比較的時間內不變，忽略φ(ug,m)，fg,m和的流量段索引m，得到φ(ug)，fg和只有瞬時虛擬流通路徑pg,m是變化的；其中，φ(ug,m)為在第g個滴灌出水口中第n個流量段錯誤矢量變化值，fg,m為在第g個滴灌出水口中第m個流量段開啟頻率，為第m個流量段內og的第n個網格的流量增幅，φ(ug)為在第g個滴灌出水口錯誤矢量變化值，fg為在第g個滴灌出水口的開啟頻率，為og的第n個網格的流量增幅；當前系統中分配有τ個長度為wx的正交訓練序列，相應的正交訓練集合被定義為：x＝(x1,x2…xτ)；同時將g個滴灌出水口分成gl組，每組有τ個滴灌出水口，取第一組為例，在第m個流量段內橫管縱管連接裝置的接收信號表示；

12、步驟六，定義矢量sm＝vec(sm)和mpwx×1矢量nm＝vec(mm)則接收信號，γ為協方差值，εn為第n個網格的偏差，mp為第p個格點，wx為正交訓練序列長度，vec(sm)為第m個流量段流通面積的正交訓練值，nm為在第m個流量段內的格點，vec(mm)為在第m個流量段內的格點m的正交訓練值；

13、步驟七，在已知接收信號情況下，模型參數學習使用理想開度最優調控方法求解最優開度大小矢量。

14、進一步，在步驟二中，從og到橫管縱管連接裝置的流量增加流通路徑，表達式為：

15、

16、式中，vg,m為在第g個滴灌出水口中第m個流量段的流量值，w為流通路徑數量，為在第m個流量段內og的第w條路徑的流量增幅，a(δg,w,m)為智能開關電磁閥開度大小響應矢量；

17、智能開關電磁閥開度大小響應矢量的表達式為：

18、

19、式中，e為雷諾指數，j為節點，mp為第p個格點，λ為滴灌直徑長度，d為橫管縱管連接裝置的智能開關電磁閥間隔，

20、在步驟三中，從og到橫管縱管連接裝置的流量增加流通路徑等價表示為：

21、vg,m＝b(r)diag(fg,m)pg,m

22、式中，b(r)為第r格點集流量，diag(fg,m)為在當前第g個滴灌出水口中第m個流量段開啟頻率fg,m下的虛擬流量增幅，pg,m為虛擬流通路徑的偏離矩陣，pg,m∈rm×1。

23、在步驟四中，將跟實際開度大小有關的智能開關電磁閥開度大小響應矢量a(δg,w,m)近似線性表示為：

24、

25、式中，為智能開關電磁閥開度大小響應矢量實際開度大小值，δg,w,m為在第g個滴灌出水口處于第w流通路徑中m個流量段的輸送路徑的格點，為對的導數，為向δg,w,m的最近的格點；

26、定義mp×m矩陣d'(r)＝[d(r1),d(r2)…d(rm)]，m×1不匹配錯誤矢量ug,m＝[ug,1,m,ug,2,m…ug,m,m]k，則格點偏移流通路徑模型vg,m表示為：

27、

28、式中，b(r)為第r格點集流量，d'(r)為長為個格點，寬為m的格點的矩陣，diag(ug,m)為在當前第g個滴灌出水口中第m個流量段錯誤矢量下的虛擬流量增幅，diag(fg,m)為在當前第g個滴灌出水口中第m個流量段開啟頻率fg,m下的虛擬流量增幅，pg,m為虛擬流通路徑的偏離矩陣。

29、在步驟五中，在第m個流量段內橫管縱管連接裝置的接收信號表示為：

30、

31、式中，sm為第m個流量段流通面積信號，τ為第τ滴灌出水口，xg為正交訓練集合子集，mm為在第m個流量段內的格點m存在的流量偏差，φ(ug)為在第g個滴灌出水口錯誤矢量變化值，diag(fg)為在當前第g個滴灌出水口開啟頻率fg下的虛擬流量增幅。

32、在步驟六中，接收信號表示為：

33、

34、式中，為克羅內克積，nm為在第m個流量段內的格點，f為流量值，fm為第m個流量段內開啟的頻率。

35、在步驟七中，模型參數學習使用理想開度最優調控方法求解最優開度大小矢量，包括：不同滴灌出水口的瞬時虛擬流通路徑假設是獨立的，且滿足其中，ω{x'}為提取矩陣x'對角元素，定義mpwxm×1矢量mτm×1矢量mτ×1矢量在已知接收信號s情況下，模型參數學習的目標是使用理想開度最優調控方法求解最優開度大小矢量。

36、在步驟s3中，土壤濕度垂直斷面高度監測器實時監測土壤濕度垂直斷面高度包括：

37、1)構建土壤濕度垂直斷面高度異常圖層：以圖層中心的像素點為原點，水平向右為x軸，豎直向上為y軸建立圖層坐標系{l}，確定垂直斷面坐標系{b}轉換圖層坐標系{l}的映射矩陣r(k)＝diag(k,k)以及位置圖層表示異常土壤濕度垂直斷面高度在圖層坐標系{l}中的位置，根據映射關系，確定t流量變化異常土壤濕度垂直斷面高度的位置特征在圖層坐標系{l}下的坐標和高度分別為和kri，令位置圖層中全部異常土壤濕度垂直斷面高度覆蓋區域的圖像閾值為255，得到土壤濕度垂直斷面高度異常圖層的遞歸表達式為：

38、

39、式中，k表示映射系數，用于表征垂直斷面坐標系{b}單位距離對應圖層坐標系{l}中的像素點數量；表示土壤濕度垂直斷面高度異常圖層；表示位置圖層；γs表示位置衰減系數；clip函數用于將圖層中的像素強度限制在區間[0,255]內；表示在垂直斷面坐標系{b}下第i個異常土壤濕度垂直斷面高度的位置；ri表示在垂直斷面坐標系{b}下第i個異常土壤濕度垂直斷面高度的干旱高度，i＝1,2…n，n表示t流量變化監測器觀測到位于態勢感知區內的異常土壤濕度垂直斷面高度的數量；

40、2)通過計算態勢感知區內各個異常土壤濕度垂直斷面高度和監測器的接觸位置關系和流量灌溉程度，構建危險干旱圖層：

41、確定危險干旱圖層lc為圖層坐標系{l}中全部異常土壤濕度垂直斷面高度在最近接觸流量變化的相對位置關系，異常土壤濕度垂直斷面高度與監測器在最近接觸流量變化的相對位置根據映射關系，第i個異常土壤濕度垂直斷面高度的相對接觸位置特征在圖層坐標系{l}的坐標和高度分別為和kri，危險干旱圖層lc中第i個接觸點覆蓋區域的圖像閾值為：

42、

43、其中，di表示垂直斷面坐標系{b}下第i個異常土壤濕度垂直斷面高度相對監測器的橫向距離偏差；ti表示垂直斷面坐標系{b}下第i個異常土壤濕度垂直斷面高度相對監測器的縱向距離偏差；bi表示最近接觸流量變化的距離改變值；γc表示干旱衰減系數，當ti≥0時，圖像閾值越接近最大值20；當ti<0時，圖像閾值為0；危險干旱圖層lc中的接觸點用于表征異常土壤濕度垂直斷面高度與監測器危險的干旱程度，當接觸點接近圖層中心時，表示監測器如果繼續保持原滴灌流量，將發生危險；接觸點的圖像閾值越大，表示預計發生危險的流量越短，干旱越緊迫；當圖層中心不存在高圖像閾值的接觸點時，判斷認為監測器的危險干旱較低。

44、本發明的另一目的在于提供一種干旱區草地光伏系統板下灌溉監測系統，包括：

45、監控模塊，用于通過監控裝置實時監測當前干旱區草地光伏系統板下土壤濕度，并將該當前土壤濕度發送遠程干旱區草地土壤監測端；

46、智能開關電磁閥控制模塊，用于當土壤濕度低于用戶設置閾值，監控裝置通過內部的處理器開啟抽水泵工作，同時，通過地面內部不同位置安裝的土壤濕度垂直斷面高度監測器實時監測土壤濕度垂直斷面高度并將監測的信息無線發送遠程干旱區草地土壤監測端，根據預設的適宜草地植物生長的土壤濕度閾值范圍，發送一調控指令給監控裝置，監控裝置控制橫管縱管連接裝置中采用三通或四通上加設的智能開關電磁閥開度以及開關時長；

47、綜合調控模塊，用于根據智能開關電磁閥開度以及開關時長對某區域的調控降水狀態，通過布設在地面不同部位的土壤鹽堿監測器實時監測該區域的土壤鹽堿度，監測土壤鹽堿化改良效果，并將該處的鹽堿程度無線發送遠程干旱區草地土壤監測端，根據預設的示意植被生長的鹽堿度進行比對，遠程干旱區草地土壤監測端根據當前土壤濕度進行綜合處理，獲得一個最優的土壤濕度、土壤鹽堿度結合值，根據該結合值，進一步判定對智能開關電磁閥開度以及開關時長是否進行進一步調整。

48、本發明的另一目的在于提供一種干旱區草地光伏系統板下灌溉裝置，包括光伏陣列，所述光伏陣列的前傾斜部位、后傾斜部位的下面分別安裝有前橫梁、后橫梁；所述前橫梁、后橫梁的下部均依次安裝有立柱、樁基；所述樁基澆鑄在地面上；所述光伏陣列前端布設有縱向橫截面總體為倒置的等邊三角形狀的集水槽；

49、所述立柱上通過緊固部件安裝有用于監測土壤濕度的監控裝置；

50、所述集水槽依次通過垂直輸水管、多層過濾器與儲水罐連接；

51、所述垂直輸水管深入地面下部，形成一段滴灌管距離地下埋深；所述滴灌管距離地下埋深處布設有地下滴灌系統；

52、所述地下滴灌系統位于儲水罐一側；

53、所述儲水罐內部安裝有抽水泵，抽水泵上安裝有抽水管道；所述抽水管道將水輸送到地下滴灌系統；抽水泵通過無線信號與監控裝置連接。

54、結合上述的所有技術方案，本發明所具備的有益效果為：本發明通過地面內部不同位置安裝的土壤濕度垂直斷面高度監測器實時監測土壤濕度垂直斷面高度并將監測的信息無線發送遠程干旱區草地土壤監測端，根據預設的適宜草地植物生長的土壤濕度閾值范圍，發送一調控指令給監控裝置，監控裝置控制橫管縱管連接裝置中采用三通或四通上加設的智能開關電磁閥開度以及開關時長；根據智能開關電磁閥開度以及開關時長對某區域的調控降水狀態，通過布設在地面不同部位的土壤鹽堿監測器實時監測該區域的土壤鹽堿度，監測土壤鹽堿化改良效果，并將該處的鹽堿程度無線發送遠程干旱區草地土壤監測端，根據預設的示意植被生長的鹽堿度進行比對，遠程干旱區草地土壤監測端根據當前土壤濕度進行綜合處理，獲得一個最優的土壤濕度、土壤鹽堿度結合值，根據該結合值，進一步判定對智能開關電磁閥開度以及開關時長是否進行進一步調整，提高了干旱區草地光伏系統水分的利用效率。