基于Monte Carlo模擬的流量變異性對灌水質(zhì)量的影響評價
0 引言25 灌水流量的控制誤差是影響灌水質(zhì)量的重要要素之一。有研討標(biāo)明，虹吸管的流質(zhì)變差
系數(shù)在15％左右，管道輸水的變差系數(shù)能到達25％，而軟管灌溉零碎的流質(zhì)變差系數(shù)甚至
可以超越35％ [1, 2]。這種流量的變差使得水流在溝畦間的推進表現(xiàn)出分明的差別[3]。為此，
許多學(xué)者對流量的差別性及其對灌水質(zhì)量的影響停止了研討。在思索灌水流量存在變異的情
況下，對IPARM 水量均衡模型停止了改良，使之可以思索灌水流量的變化，并采用變化的
30 流量預(yù)算了土壤入滲參數(shù)[4]。采用零慣量模型研討了流量的變差和灌水溝斷面外形的變異對
灌溉水流推進及灌水質(zhì)量評價的影響，以為入溝流質(zhì)變異對灌水質(zhì)量的影響較大[5]。Rajeev
研討了灌溉水渠流量的空間變異規(guī)律，發(fā)現(xiàn)渠道實踐流量與設(shè)計值相差較大，但并未剖析流
量的變化對灌水質(zhì)量的影響。管孝艷等基于灌溉流量的徑流進程，推求了空中灌溉的土壤入
滲參數(shù)[6]。后果標(biāo)明，假如不思索灌溉流量的日子變異性，將會對入滲計算后果發(fā)生較大影
35 響，進而影響灌水質(zhì)量評價和管理。在灌水質(zhì)量評價中，灌水流量的這種變異性不可疏忽。
以上諸多研討對大樣本數(shù)據(jù)的搜集有困難，而且灌水流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響缺乏
量化規(guī)范。目前數(shù)值模仿技術(shù)日趨成熟，采用蒙特卡羅隨機模仿可以很好的模仿出流質(zhì)變異
特性。因而，本文基于蒙特卡羅實際，樹立穩(wěn)健度評價目標(biāo)以提醒井出水流量的變異性對灌
水質(zhì)量影響水平。為思索影響參數(shù)變異性格況下，尋求穩(wěn)健性的灌水技術(shù)方案提供牢靠的理
40 論根底與根據(jù)。
1 流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響評價辦法研討
1.1 蒙特卡羅法的根本思想
蒙特卡羅法是一種基于“隨機數(shù)”的計算辦法,可求解具有隨機性的不確定性成績[7]。利
用蒙特卡洛法求解成績時,首先要樹立一個概率模型，目的函數(shù)y=f(x1，x2，…，xn) ，其中
45 x1，x2，…xn 是互相獨立的隨機變量, 滿足一定的概率散布。把需求求解的成績同概率模型
結(jié)合起來，對各變量停止隨機抽樣可以失掉一個目的函數(shù)值y，停止屢次抽樣就可以失掉y
的概率散布，然后經(jīng)過隨機抽樣實驗失掉某些所求成績解的概率剖析，隨著隨機抽樣次數(shù)的
不時添加，y 的概率散布便接近其母體散布[8]。這就是蒙特卡洛法的根本思想。
1.2 Monte Carlo 隨機生成的模仿流量
50 依據(jù)現(xiàn)場灌溉測得多組流量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計流質(zhì)變異的數(shù)值特性，如均值、規(guī)范差、變異系
數(shù)和散布類型等�；诹髁康母怕式y(tǒng)計特征值(均值x 和規(guī)范偏向Sd)，并應(yīng)用Monte Carlo
隨機模仿辦法[8]生成一組流量隨機數(shù)（ ） i n Q Q Q ...Q ...Q 1 2 = 。
Monte Carlo 辦法只是隨機生成灌水流量時所要借助的一種數(shù)學(xué)工具，對未經(jīng)各種修正
的灌水流量隨機變量而言，其本身并不具有明白的物理意義和實踐運用價值[9]。因而要對產(chǎn)
55 生的隨機數(shù)停止值域范圍修正和統(tǒng)計特征修正。
1.2.1 值域范圍修正
從實踐意義和數(shù)學(xué)角度思索，井出水流量的值域范圍應(yīng)限制在[X-3Sd，X+3Sd]之間[10]，
超出該范圍的井出水流量值被視為有效或是偽點。在足夠多的隨機生成次數(shù)下，才干更真實
的模仿來表現(xiàn)灌水流量的變異狀況。
60 1.2.2 統(tǒng)計特征修正
由于對由Monte Carlo 辦法隨機生成的灌水流量展開值域范圍的修正后，改動了隨機生
成時給定的灌水流量的概率統(tǒng)計特征值。為此，需對經(jīng)值域范圍修正后的.灌水流量值停止再
次修正。在統(tǒng)計特征修正進程中，先依據(jù)式(1)停止井出水流量均值的修正，隨后應(yīng)用式(2)
停止井出水流量的規(guī)范差的修正。
2 1
1
i i
x
x
65 α = α (1)
3 2
2
( ) d
i i
d
x S x
S
α = α − + (2)
式中
1
i α
、
2
i α
、
3
i α
——辨別為灌水流量至于范圍修正、均值修正和規(guī)范偏向值修正后第
i 個井出水流量值，
1 x 、x ——原始隨機發(fā)生和值域范圍修正后灌水流量的均值， d S 、
d 2 S ——原始隨機發(fā)生和均值修正后的灌水流量的規(guī)范差值。
70 1.3 SRFR 灌溉模型評價灌水流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響
在對畦灌功能評價目標(biāo)停止定量剖析根底上，基于隨機生成的n 組井出水流量，借助
SRFR 灌溉模型展開對井出水流量散布情況及其變異性對畦灌功能影響的評價。畦灌功能評
價目標(biāo)包括：灌溉效率Ea、灌水平均度DU 和儲水效率Es。在實踐灌溉時，要想抵達較好的
灌水效率和灌水平均度，作物需水是被完全滿足的，也就是儲水效率根本上接近于1[11]。因
75 此，本論文中只選擇灌水效率Ea 和灌水平均度Du 作為評價目標(biāo)。
模型輸出的灌水定額、畦長、畦寬、入滲指數(shù)、入滲系數(shù)、糙率系數(shù)等參數(shù)，SRFR（4.06）
根本輸入界面如下圖所示：
圖1 SRFR（4.06）根本輸入界面
80
輸出隨機生成n 組灌水流量，用SRFR 灌溉模型評價出n 組灌水質(zhì)量（灌溉效率Ea 與
灌水平均度DU），統(tǒng)計其均值與應(yīng)用灌水流量Q 的均值，用SRFR 灌溉模型評價出的灌水
質(zhì)量比擬剖析灌水流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響水平。
1.4 流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響評價目標(biāo)
85 樹立穩(wěn)健度評價目標(biāo)來評價流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響水平。 穩(wěn)健度Z 是指在自然
要素變異狀況下，灌水效率Ea 與灌水平均度DU 均大于80%的灌水模仿組數(shù)占總組數(shù)量的百
分比。評價目的函數(shù)表達式如下
= ×100%
N
Z M (3)
式中：Z 為灌水質(zhì)量評價目標(biāo)：穩(wěn)健度；M 為灌水效率Ea 與灌水平均度DU 均大于80%
90 的灌水模仿組數(shù)； N 為灌水技術(shù)方案組合的總數(shù)量。
穩(wěn)健度Z 數(shù)值越高，闡明在此流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響水平低。穩(wěn)健度到達80%
以上，闡明這種灌水流量方案關(guān)于該區(qū)域灌水的使用性就良好。
2 使用實例
據(jù)灌區(qū)日常灌水流量調(diào)查得知：灌水流量的統(tǒng)計特征如表1 所示：
95
表1 灌水流量Q 的統(tǒng)計特征值
均值/Ls-1 最大值/Ls-1 最小值/Ls-1 規(guī)范差σ 變異系數(shù)Cv 散布類型
7.0 10.5 3.8 2.6 0.37 正態(tài)
2.1 Monte Carlo 隨機生成的模仿流量
基于Monte Carlo 隨機模仿的1000 組灌水流量的統(tǒng)計特征值如表2 所示：
100
表2 隨機模仿1000 組灌水流量的統(tǒng)計特征值
灌水流量 最大值Max 最小值Min 均值x 規(guī)范差σ 變異系數(shù)Cv 散布類型
Q/Ls-1 15.425 -0.328 7.0 2.6 0.37 正態(tài)
2.1.1 模仿流量值域范圍修正
隨機模仿灌水流量值域范圍修正后的統(tǒng)計特征值如表3 所示：
105 表3 隨機模仿灌水流量值域范圍修正后的統(tǒng)計特征值
灌水流量 最大值Max 最小值Min 均值x 規(guī)范差σ 變異系數(shù)Cv 散布類型
Q/Ls-1 12.0 3.0 6.97 2.62 0.376 正態(tài)
2.1.2 模仿流量統(tǒng)計特征修正
依據(jù)公式(1)、(2)對灌水流量停止修正的統(tǒng)計特征值見表4：
110 表4 隨機模仿灌水流量均值、規(guī)范差修正的統(tǒng)計特征值
灌水流量 最大值Max 最小值Min 均值x 規(guī)范差σ 變異系數(shù)Cv 散布類型
Q/Ls-1 12.0 3.0 7.01 2.60 0.371 正態(tài)
2.2 SRFR 灌溉模型評價灌水流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響
模型輸出的灌水定額為60mm(折合40m3/畝)，灌水方式采用畦灌灌水技術(shù)方式，畦尾
閉合。各技術(shù)要素如表5 所示：
115
表5 SRFR 模型輸出的灌水技術(shù)要素值
畦長/m 畦寬/m 入滲指數(shù)α 入滲系數(shù)k/ m•min−a 糙率系數(shù)n
100 2.0 0.69 0.0052 0.040
以上各技術(shù)要素的值作為空中灌溉模型SRFR 的輸出參數(shù),評價灌水流質(zhì)變異性對灌水
質(zhì)量的影響，見圖2 所示：
0
20
40
60
80
100
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
流量Q（L·s-1）
灌水質(zhì)量值（%）
灌水效率Ea
灌水平均度Du
120
圖2 灌水流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響
輸出隨機生成1000 組灌水流量，用SRFR 灌溉模型評價出1000 組灌水質(zhì)量（灌溉效率
Ea 與灌水平均度DU），統(tǒng)計灌溉效率Ea 均值為91.6%、灌水平均度DU 均值為79.2%，利
125 用灌水流量Q 的均值，用SRFR 灌溉模型評價出的灌溉效率Ea 為97.2%、灌水平均度DU
為91%。灌水效率和灌水平均度的變幅辨別為6.1%和14.9%。后果標(biāo)明，灌水質(zhì)量受灌水
流量的變異性影響越大，灌水平均度DU 對灌水流量的敏理性大于灌水效率Ea。
2.3 流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響評價
將輸出隨機生成1000 組灌水流量，用SRFR 灌溉模型評價出1000 組灌水質(zhì)量（灌溉效
130 率Ea 與灌水平均度DU），查找出灌水效率Ea 與灌水平均度DU 均大于80%的灌水模仿組數(shù)。
依據(jù)公式(3)計算如下：
M = 655；N=1000
= ×100% = 65.5%
N
Z M ；
式中：M 為Ea 與Du 均大于到80%的灌水技術(shù)方案數(shù)量；N 為灌水技術(shù)方案組合的總
135 數(shù)量； Z 為流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量影響的穩(wěn)健水平。
穩(wěn)健度Z 僅為65.5%標(biāo)明，這種灌水流量方案關(guān)于該區(qū)域灌水的順應(yīng)性比擬差。
3 結(jié)語
本文研討標(biāo)明，灌水質(zhì)量受灌水流量的變異性影響越大，灌水平均度對灌水流量的敏感
性大于灌水效率。針對灌水流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響，穩(wěn)健度目標(biāo)數(shù)值越高，闡明在此
140 流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響水平低，穩(wěn)健度到達80%以上，闡明這種灌水流量方案關(guān)于
該區(qū)域灌水的使用性就良好�；贛onte Carlo 模仿的流質(zhì)變異性對灌水質(zhì)量的影響評價方
法為思索影響參數(shù)變異性格況下，尋求穩(wěn)健性的灌水技術(shù)方案提供牢靠的實際根底與根據(jù)。
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