基于土壤渗透率的灌溉时长控制方法与流程

本发明涉及农业灌溉控制，更具体地说，本发明涉及基于土壤渗透率的灌溉时长控制方法。

背景技术：

1、精准灌溉是农业节水增产的重要手段，其核心在于将适量的水在适当的时间送达作物根系所在土层。灌溉时长的确定直接决定了灌水总量和水分在土壤剖面中的分布深度，是精准灌溉控制中最关键的决策变量之一。土壤渗透率是影响灌溉时长设定的基础性参数，它反映了水在土壤中垂直下渗的快慢，渗透率高的土壤水分下渗快，所需灌溉时间短，反之则灌溉时间长。然而，田间土壤渗透率并非固定不变的物理属性，而是随土壤生物活动和环境条件的改变而持续变化的一个动态量。

2、在作物生长期内，植物根系的生长和发育会不断重塑土壤的结构，根系穿插过程中形成的生物孔隙为水分下渗提供了优先通道，这些通道能够绕过致密的土壤基质直接将水分导引至深层，从而显著加快水分的垂直运移速度。同时，土壤表层广泛发育的生物结皮是另一个不可忽视的生物变量，生物结皮由蓝藻、地衣、苔藓等生物体与土壤颗粒胶结形成，其覆盖于地表后一方面通过自身的致密结构直接阻挡水分进入土壤，另一方面其分泌的胞外聚合物能够堵塞表层土壤孔隙，两者均会对水分入渗产生明显的抑制效应。

3、上述根系和结皮这两类生物因素对土壤渗透率的作用方向恰好相反，且两者在田间常常同时存在并相互抵消或叠加，这使得实际灌溉过程中土壤渗透率的真实状态很难被准确把握。现有的灌溉时长确定方法大多将土壤渗透率视为一个静态的输入参数，即在实际灌溉作业前通过环刀取土或双环入渗试验在田间测定一个基准渗透率值，然后将该基准值作为整个灌溉季或至少较长一段时间内的固定参数用于计算灌溉时长，这种方式完全忽视了作物生长过程中根系不断穿插扩展以及表土结皮不断发育增厚这两个持续发生的生物过程对土壤渗透率带来的实时改变。

4、当根系快速生长形成大量优先流通道时，实际土壤渗透率会显著高于事先测定的基准值，若仍按基准值设定的灌溉时长供水，则水分会快速穿过根系层进入深层土壤，造成水资源和养分的无效损失；而当生物结皮大量发育形成致密阻水层时，实际土壤渗透率又明显低于基准值，若仍按基准值灌溉则水分难以在预定时间内到达根系层，导致灌溉不足进而影响作物正常生长。因此，本发明提出基于土壤渗透率的灌溉时长控制方法，以期解决上述问题。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、基于土壤渗透率的灌溉时长控制方法，包括以下步骤：

3、将目标灌溉区域划分为多个子区域，并为每个子区域赋予独立的子区域标识；

4、获取每个子区域内的作物根系构型参数和地表生物结皮覆盖度参数，作物根系构型参数包括侧根数量、根长密度和根系分布深度，地表生物结皮覆盖度参数包括结皮覆盖面积占比、结皮平均厚度和结皮生物量密度；

5、根据每个子区域的侧根数量和根长密度计算根系发达度指数，根据子区域的根系分布深度确定根系影响土层厚度，利用根系发达度指数和根系影响土层厚度计算子区域的根系入渗影响系数；

6、根据每个子区域的结皮覆盖面积占比、结皮平均厚度和结皮生物量密度计算子区域的结皮层致密程度指数，利用结皮层致密程度指数和结皮平均厚度计算子区域的结皮入渗阻滞系数；

7、将每个子区域的根系入渗影响系数和结皮入渗阻滞系数输入预设的综合推理模型，综合推理模型用于依据同一子区域内根系对水分的导通促进效应与结皮对水分的阻隔抑制效应之间的博弈关系，输出子区域的综合渗透修正因子；

8、利用每个子区域的综合渗透修正因子对基准土壤渗透率进行修正，将子区域修正后获得的渗透率值作为子区域的动态土壤渗透率；

9、根据每个子区域的动态土壤渗透率计算灌溉水在子区域的目标入渗深度达到预设根系层深度所需的灌溉时长，将灌溉时长作为子区域的目标灌溉时长；

10、按照各个子区域的目标灌溉时长，控制灌溉设备分别对每个子区域执行灌溉操作。

11、在一个优选的实施方式中，将目标灌溉区域划分为多个子区域，并为每个子区域赋予独立的子区域标识，具体包括以下步骤：

12、在目标灌溉区域内按照第一预设间距布置多个采样点，采集每个采样点的作物根系构型参数和地表生物结皮覆盖度参数；

13、对于任意一个采样点，根据采样点的空间坐标确定采样点的各个相邻采样点，分别计算采样点与其各个相邻采样点之间的空间距离值，将每个空间距离值的倒数作为空间距离值对应的权重系数；

14、对于任意一个采样点，将采样点的侧根数量、根长密度和根系分布深度组成第一参数向量，将采样点的各个相邻采样点的侧根数量、根长密度和根系分布深度分别组成各个相邻采样点对应的第一参数向量，分别计算采样点的第一参数向量与各个相邻采样点的第一参数向量之间的第一向量差异值，将每个第一向量差异值乘以对应的权重系数后求和，获得采样点所在局部区域的根系构型参数第一空间变异值；

15、将采样点的结皮覆盖面积占比、结皮平均厚度和结皮生物量密度组成第二参数向量，将采样点的各个相邻采样点的结皮覆盖面积占比、结皮平均厚度和结皮生物量密度分别组成各个相邻采样点对应的第二参数向量，分别计算采样点的第二参数向量与各个相邻采样点的第二参数向量之间的第二向量差异值，将每个第二向量差异值乘以对应的权重系数后求和，获得采样点所在局部区域的生物结皮覆盖度参数第二空间变异值；

16、将第一空间变异值和第二空间变异值进行二次加权融合，获得每个采样点所在局部区域的综合空间变异指数；

17、将综合空间变异指数超过预设变异阈值的采样点所在局部区域确定为高变异区域，反之则确定为低变异区域；

18、在高变异区域内按照第二预设间距进行网格划分，在低变异区域内按照第三预设间距进行网格划分，将划分后获得的每一个网格单元作为一个子区域；

19、为每个子区域生成独立的子区域标识，并将子区域的子区域标识与子区域的边界坐标关联存储。

20、在一个优选的实施方式中，根据每个子区域的侧根数量和根长密度计算根系发达度指数，根据子区域的根系分布深度确定根系影响土层厚度，具体包括以下步骤：

21、将子区域的侧根数量与根长密度相乘，将乘积结果作为子区域的根系总密度；

22、将子区域的根系分布深度等分为预设数量的深度区段，分别统计每个深度区段内的侧根密度，计算所有深度区段侧根密度的标准差，将标准差的倒数与预设根系均匀度基准值相乘，将乘积结果作为子区域的根系分布均匀度；

23、将根系总密度与根系分布均匀度相乘，将乘积结果作为子区域的根系发达度指数；

24、将子区域的根系分布深度与预设根系延伸系数相乘，将乘积结果作为子区域的根系影响土层厚度。

25、在一个优选的实施方式中，计算子区域的根系入渗影响系数具体包括以下步骤：

26、将子区域的根系发达度指数除以子区域的根系影响土层厚度，将除得结果作为子区域的单位土层根系密度值；

27、将单位土层根系密度值代入预设根系入渗影响函数进行计算，预设根系入渗影响函数用于对单位土层根系密度值进行幂函数映射后输出根系入渗影响系数，将根系入渗影响函数的输出值作为子区域的根系入渗影响系数。

28、在一个优选的实施方式中，计算子区域的结皮层致密程度指数具体包括以下步骤：

29、将子区域的结皮覆盖面积占比与预设覆盖面积基准值相除，将除得结果作为子区域的归一化覆盖面积值；

30、将子区域的结皮平均厚度与预设厚度基准值相除，将除得结果作为子区域的归一化厚度值；

31、将子区域的结皮生物量密度与预设生物量密度基准值相除，将除得结果作为子区域的归一化生物量密度值；

32、将归一化覆盖面积值、归一化厚度值和归一化生物量密度值进行加权求和，得到子区域的结皮层致密程度指数。

33、在一个优选的实施方式中，计算子区域的结皮入渗阻滞系数具体包括以下步骤：

34、将子区域的结皮层致密程度指数乘以预设的阻滞基底系数，将乘得结果加上预设的阻滞增长偏置值，获得子区域的结皮单位厚度阻滞率；

35、将子区域的结皮单位厚度阻滞率乘以子区域的结皮平均厚度，将乘得结果作为子区域的结皮入渗阻滞系数。

36、在一个优选的实施方式中，综合推理模型为模糊逻辑器，将每个子区域的根系入渗影响系数和结皮入渗阻滞系数输入预设的综合推理模型，输出子区域的综合渗透修正因子，具体包括以下步骤：

37、将每个子区域的根系入渗影响系数作为第一输入变量，将子区域的结皮入渗阻滞系数作为第二输入变量；

38、将第一输入变量按照预设的第一隶属度函数划分为低影响等级、中影响等级和高影响等级三个模糊语言项，将第二输入变量按照预设的第二隶属度函数划分为低阻滞等级、中阻滞等级和高阻滞等级三个模糊语言项，第一输入变量与第二输入变量的模糊语言项进行组合后形成九种输入状态规则组合；

39、将九种输入状态规则组合输入预设的模糊规则表进行匹配，模糊规则表中每条规则记录一种输入状态组合与一个输出模糊语言项之间的对应关系，输出模糊语言项为极小修正因子、较小修正因子、中等修正因子、较大修正因子和极大修正因子五个等级中的一个；

40、将匹配到的输出模糊语言项所对应的模糊隶属值进行聚合，将聚合后模糊隶属值最大的输出模糊语言项所对应的修正因子数值作为子区域的综合渗透修正因子。

41、在一个优选的实施方式中，动态土壤渗透率通过以下步骤获取：

42、获取子区域的综合渗透修正因子，综合渗透修正因子为无量纲数值，其数值大于一时表示综合效应促进入渗，其数值小于一时表示综合效应阻滞入渗，其数值等于一时表示综合效应对入渗无影响；

43、判断子区域的综合渗透修正因子是否大于预设有效下限且小于预设有效上限，当子区域的综合渗透修正因子大于或等于预设有效下限且小于或等于预设有效上限时，将综合渗透修正因子确定为子区域的有效修正因子，当子区域的综合渗透修正因子小于预设有效下限时，将预设有效下限确定为子区域的有效修正因子，当子区域的综合渗透修正因子大于预设有效上限时，将预设有效上限确定为子区域的有效修正因子；

44、将子区域的基准土壤渗透率乘以子区域的有效修正因子，将乘积结果作为子区域的动态土壤渗透率。

45、本发明的技术效果和优点：

46、本发明通过分别获取作物根系构型参数和地表生物结皮覆盖度参数并分别计算根系入渗影响系数和结皮入渗阻滞系数，将影响土壤渗透率的两类关键生物因素同时纳入灌溉时长的决策过程中，克服了现有技术中仅依赖静态基准土壤渗透率或单一传感器数据进行灌溉决策的局限性，使灌溉时长的确定能够跟随田间生物条件的实时变化而自适应调整，有效避免了因根系优先流通道导致的水分深层渗漏和因生物结皮阻水层导致的灌溉不足这两种灌溉失当情况，显著提高了灌溉水利用效率。

47、本发明将每个子区域的根系入渗影响系数和结皮入渗阻滞系数输入预设的综合推理模型，利用模糊逻辑器依据同一子区域内根系导通促进效应与结皮阻隔抑制效应之间的博弈关系输出综合渗透修正因子，该机制能够处理根系和结皮两者在田间同时存在时相互抵消或叠加的复杂情况，避免了简单地将两个系数相加或相乘所带来的物理意义不清和结果失真的问题，使得综合渗透修正因子的输出结果更加符合田间实际的入渗状态，为后续土壤渗透率的动态修正提供了可靠的依据。

48、本发明将目标灌溉区域划分为多个子区域并为每个子区域赋予独立的子区域标识，分别获取每个子区域的作物根系构型参数和地表生物结皮覆盖度参数，并分别计算每个子区域的根系入渗影响系数和结皮入渗阻滞系数，使得每个子区域均获得独立的综合渗透修正因子和独立的动态土壤渗透率，最终每个子区域均获得独立的目标灌溉时长并分别控制灌溉设备执行灌溉操作，该分区差异化灌溉策略解决了同一目标灌溉区域内不同位置根系发育程度和结皮覆盖状况空间分布不均所导致的灌溉需求差异问题，避免了统一灌溉时长在不同区域产生的过灌或欠灌现象，提高了整个目标灌溉区域的灌溉均匀度和作物水分管理精度。