第五節 地面灌溉穩健設計簡介

針對畦灌質量不高、波動較大的問題，研究了畦灌技術要素穩健設計方法。在定義灌水質量損失指標，建立畦灌系統信噪比計算公式的基礎上，根據田口穩健設計理論，對畦灌各影響因素進行了正交試驗組合，利用畦灌一維模擬的結果計算各方案的信噪比，篩選信噪比最大的畦灌技術要素組合為穩健設計方案。結果表明，與普通優化設計相比，采用穩健設計得到的灌水技術方案能夠提高灌水質量，并有效減小其波動性。

一、田口穩健設計理論

田口方法分為系統設計、參數設計和容差設計3個階段，所以又稱為3次設計。地面灌溉的灌水質量評價有著較為成熟的基礎理論，因此畦灌技術要素穩健設計不需要經過系統設計階段，借鑒已有的理論直接進行參數設計即可，暫未考慮容差設計。

參數設計是田口方法的核心，是設計的重要階段，其基本原理是利用產品輸出特性的非線性效應，依據正交試驗設計（Orthogonal Experimental Design）和信噪比（Signal Noise Ratio）分析結果，選擇系統中所有因素的最佳水平組合，這種組合受各種干擾因素的影響較小，質量特性最為穩定。參數設計是利用2個正交表來安排試驗的，可控因素被安排在內側正交表（簡稱內表），誤差因素被安排在外側正交表（簡稱外表）。

信噪比最初應用于通訊和電氣工程設計中，反映信號強度與噪聲強度的比值。在田口方法中，它被用來評價干擾因素對質量評價指標的影響程度。

按照田口方法，針對畦灌的技術要素和自然要素進行內、外表正交試驗設計，根據田面水流運動的模擬結果計算各方案的信噪比，并進行方差分析，依據信噪比大小及方差分析結果確定可控技術要素的穩健組合。

二、灌水技術要素穩健設計

1.信噪比計算

影響畦灌灌水質量的因素有很多，包括灌水流量、畦長、改水成數、土壤入滲參數、糙率系數及田面縱坡等。在畦灌的設計中，常根據給定的農田條件，包括土壤入滲特性、糙率系數及田面坡度等，進行畦長、單寬流量及改水成數等的設計。因此，可將單寬流量、畦長及改水成數確定為可控因素，將入滲參數和糙率系數作為不可控因素。建立在激光控制土地精細平整技術上的水平畦灌技術雖然可以改善田面平整精度或控制田面縱坡，但考慮到我國灌溉水平的現狀，短期內激光控制精細平地技術的大面積推廣應用難以實現，因此本書將畦田縱坡歸為影響灌水質量的不可控因素。

為了方便利用田口方法進行灌水技術要素設計，將2個常用的灌水質量評價指標的幾何平均值與1的差值定義為灌水質量損失指標：

式中 PL——灌水質量損失指標；

Ea、Du——灌水效率和灌水均勻度。

灌水質量評價指標Ea、Du可通過地面灌溉模型SRFR進行計算。灌水質量損失指標PL表征的是灌水質量與理論最高值1之差，其值越小，代表灌水質量越高，具有望小特性，據此可以計算得得到畦灌信噪比：

式中 SN——信噪比；

N——測試次數；

i——測試次序；

PL——灌水質量損失指標。

2.內表與外表設計

將單寬流量、改水成數、畦長等3個技術要素（可控因素）各設置3個水平，采用正交表L9（34）設計內表，安排模擬試驗方案。

考慮各因素的誤差進行的模擬試驗方案稱為外設計，需針對內表中的各個方案分別進行外表設計。在設計中，單寬流量、改水成數和溝畦長度存在著控制誤差，分別按內表設計值的±5%計。糙率系數n和田面縱坡s為自然要素，其波動幅度可通過實測得到。

3.灌水技術要素文件設計組合

對于內表中的9個方案，每個方案均對應著18次外表模擬試驗。對于每個內表方案的18種波動，通過模擬得到各方案的灌水效率Ea和灌水均勻度Du，并采用式（1-16）計算得到18個灌水質量損失指標PL，由此可分別計算得到內表9個方案的信噪比SN。

根據田口穩健設計理論，信噪比越大，表示系統在受干擾的情況下輸出特性越穩定，因此信噪比最大的組合即為可控因素的穩健組合。對灌水技術而言，信噪比越大表明灌水質量受干擾因素的影響越小，灌水質量越穩定，即為穩健的灌水技術要素組合。