本發明涉及農業技術領域，具體涉及一種面向雨水資源高效利用的坡耕地農田壟溝布局方法。

背景技術：

人多地少水缺是我國的基本國情，根據全國土地利用變更調查，全國耕地面積為1.22×10⁴萬公頃，其中坡耕地約占1/3，壟溝改變了坡耕地單元的微地貌特征，進而影響到坡耕地的暴雨產流特性。當前，坡耕地壟溝布局主要從降低坡耕地水土流失量、減少農藥化肥污染等方面進行考慮；并沒有系統地從農田水循環過程考慮，提高坡耕地降水利用效率方面進行布局，對于具體壟溝攔蓄降水量無法進行定量分析。

技術實現要素：

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的面向雨水資源高效利用的坡耕地農田壟溝布局方法，通過綜合考慮當地強降水強度、實際蒸散發量和土壤入滲量，構建農田壟溝，充分利用當地的雨水資源，提高雨水資源的利用效率。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供一種面向雨水資源高效利用的坡耕地農田壟溝布局方法，其包括以下步驟：

對坡耕地農作物生長期內小時場次強降水進行排頻分析，將極端洪澇所對應的場次降水量作為坡耕地農作物生長期坡耕地農田凈降水量；

計算坡耕地農田實際蒸散發量：

ET＝K_w·K_c·ET₀

其中，ET為坡耕地農田實際日蒸散發量；ET₀為坡耕地農田參考蒸散發量；K_w為土壤水分修正系數；K_c為作物系數；

計算坡耕地農田土壤入滲量：

其中，h_s為濕潤峰面處有效或平均基質吸力；δ為水分飽和差；i_c為土壤穩滲速率；In(t)為坡耕地農田土壤入滲量；

計算坡耕地農田壟溝最大洼地儲留量：

ΔWD_max＝A*D

其中，α為坡耕地角度；β、H、l、D和d均為農田壟溝的布局參數，β為農田壟溝斜面與坡耕地之間的夾角；H為農田壟溝的高度；l為相鄰兩個農田壟溝之間的間距；D為農田壟溝的長度；d為二分之一農田壟溝頂面寬度；

當坡耕地農田降水產流量為零時，采用構建的坡耕地農田水循環模型計算壟溝理論儲水量，坡耕地農田水循環模型為：

P＝E+In+R+ΔW_d

其中，P為坡耕地農田凈降水量；E為坡耕地農田實際蒸散發量；In為坡耕地農田土壤入滲量；R為坡耕地農田降水產流量；ΔW_d為農田區洼地儲留量；

當壟溝理論儲水量小于農田最大洼地儲留量時，優化坡耕地壟溝分布數量最大化時農田壟溝的布局參數：

其中，L為農田沿坡降方向的總長度；ΔW_di為壟溝理論儲水量。

本發明的有益效果為：本方案提供的方法綜合考慮當地強降水強度、實際蒸散發量和土壤入滲量，優化農田壟溝的布局參數，得到能夠充分利用當地雨水資源的農田壟溝布局；采用本方法構建的布局參數能夠解決當前我國坡耕地面臨的水土流失、季節性干旱等諸多問題，滿足坡耕地強降水資源的有效利用的需求。

附圖說明

圖1為面向雨水資源高效利用的坡耕地農田壟溝布局方法的流程圖。

圖2為坡耕地農田壟溝的立體圖。

圖3為坡耕地農田壟溝的側視圖。

具體實施方式

下面對本發明的具體實施方式進行描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。

參考圖1，圖1示出了面向雨水資源高效利用的坡耕地農田壟溝布局方法的流程圖；如圖1所示，該方法包括以下步驟：

S1.根據水量平衡原理，構建坡耕地農田水循環模型：

P＝E+In+R+ΔW_d

其中，P為坡耕地農田凈降水量(mm)；E為坡耕地農田實際蒸散發量(mm)；In為坡耕地農田土壤入滲量(mm)；R為坡耕地農田降水產流量(mm)；ΔW_d為農田區洼地儲留量(mm)。

S2.對坡耕地農作物生長期內小時場次強降水進行排頻分析，將極端洪澇所對應的場次降水量作為坡耕地農作物生長期坡耕地農田凈降水量。

在本發明的一個實施例中，坡耕地農田凈降水量的獲取方法為：

獲取農作物生長期內小時場次降水發生的次數；

小時場次降水的降雨量由大至小進行排序：P₁,P₂,P₃,…,P_m,…,P_n，并逐個累加次數，序號為m，則按下式計算累積頻率：

其中，n為小時場次降雨發生的次數，

皮爾遜-Ⅲ型繪制小時降水的理論頻率曲線，根據研究區確定的小時降水頻率曲線按照標準化降水指數(SPI)方法中極端洪澇(Fm＝97.72％)情景下小時降水強度作為坡耕地農作物生長期典型強降水強度。

S3.計算坡耕地農田實際蒸散發量

本方案采用《灌溉與排水工程設計規范(GB50288-99)》中推薦的彭曼法計算坡耕地農田實際蒸散發量，其計算公式為：

ET＝K_w·K_c·ET₀

其中，ET為坡耕地農田實際日蒸散發量(mm/d)，ET₀為坡耕地農田參考蒸散發(mm/d)，K_w為土壤水分修正系數，K_c為作物系數。

在本發明的一個實施例中，所述坡耕地農田參考蒸散發量的計算公式為：

其中，P₀為標準大氣壓(hPa)，P為坡耕地農田平均氣壓(hPa)，Δ為平均氣溫時飽和水汽壓隨溫度的變率，γ為濕度計常數(hPa/℃)，R_n為太陽凈輻射(以所能蒸發的水層深度計，mm/d)；E_a為干燥力(mm/d)。

實施時，本方案優選土壤水分修正系數的計算公式為：

其中，w為階段土壤平均含水量(占干土重％)，w_l為土壤臨界含水量(占干土重％)，w_p為凋萎系數(占干土重％)。

S4.計算坡耕地農田土壤入滲量

本發明采用Green-Ampt一維土壤水分入滲公式計算坡耕地農田典型土壤入滲量，其計算公式為：

式中，h_s為濕潤峰面處有效或平均基質吸力；δ為水分飽和差；i_c為土壤穩滲速率；In(t)為坡耕地農田土壤入滲量；t為時間。

S5.計算坡耕地農田壟溝最大洼地儲留量

如圖2和圖3，首先，將坡耕地壟溝布局概化為一個形狀規則的蓄水池(參見2中的序號A)，建立最大洼地儲留量(ΔWD_max)與坡耕地角度(α)、壟溝布局參數(β、H、l、D、d)等的函數關系：

ΔWD_max＝A*D

其中，β為農田壟溝斜面與坡耕地之間的夾角；H為農田壟溝的高度；l為相鄰兩個農田壟溝之間的間距；D為農田壟溝的長度；d為二分之一農田壟溝頂面寬度；

S6.確定約束條件下坡耕地農田壟溝結構的最優化布局

當坡耕地農田降水產流量為零時，采用構建的坡耕地農田水循環模型計算壟溝理論儲水量(ΔW_di)，

當壟溝理論儲水量ΔW_di小于農田最大洼地儲留量ΔWD_max時，優化坡耕地壟溝分布數量最大化時農田壟溝的布局參數(β、H、l、D，d)：

其中，L為農田沿坡降方向的總長度。

綜上所述，本方法通過農田壟溝的合理化設計以及科學化布局，能夠實現能蓄、可排、不漬總體要求，充分利用雨水資源，提高農作物產量；從水安全高效利用的角度來看，坡耕地壟溝科學布局是建設土壤水庫、緩解區域暴雨洪澇災害的關鍵舉措。