第五节 地面灌溉稳健设计简介

针对畦灌质量不高、波动较大的问题，研究了畦灌技术要素稳健设计方法。在定义灌水质量损失指标，建立畦灌系统信噪比计算公式的基础上，根据田口稳健设计理论，对畦灌各影响因素进行了正交试验组合，利用畦灌一维模拟的结果计算各方案的信噪比，筛选信噪比最大的畦灌技术要素组合为稳健设计方案。结果表明，与普通优化设计相比，采用稳健设计得到的灌水技术方案能够提高灌水质量，并有效减小其波动性。

一、田口稳健设计理论

田口方法分为系统设计、参数设计和容差设计3个阶段，所以又称为3次设计。地面灌溉的灌水质量评价有着较为成熟的基础理论，因此畦灌技术要素稳健设计不需要经过系统设计阶段，借鉴已有的理论直接进行参数设计即可，暂未考虑容差设计。

参数设计是田口方法的核心，是设计的重要阶段，其基本原理是利用产品输出特性的非线性效应，依据正交试验设计（Orthogonal Experimental Design）和信噪比（Signal Noise Ratio）分析结果，选择系统中所有因素的最佳水平组合，这种组合受各种干扰因素的影响较小，质量特性最为稳定。参数设计是利用2个正交表来安排试验的，可控因素被安排在内侧正交表（简称内表），误差因素被安排在外侧正交表（简称外表）。

信噪比最初应用于通讯和电气工程设计中，反映信号强度与噪声强度的比值。在田口方法中，它被用来评价干扰因素对质量评价指标的影响程度。

按照田口方法，针对畦灌的技术要素和自然要素进行内、外表正交试验设计，根据田面水流运动的模拟结果计算各方案的信噪比，并进行方差分析，依据信噪比大小及方差分析结果确定可控技术要素的稳健组合。

二、灌水技术要素稳健设计

1.信噪比计算

影响畦灌灌水质量的因素有很多，包括灌水流量、畦长、改水成数、土壤入渗参数、糙率系数及田面纵坡等。在畦灌的设计中，常根据给定的农田条件，包括土壤入渗特性、糙率系数及田面坡度等，进行畦长、单宽流量及改水成数等的设计。因此，可将单宽流量、畦长及改水成数确定为可控因素，将入渗参数和糙率系数作为不可控因素。建立在激光控制土地精细平整技术上的水平畦灌技术虽然可以改善田面平整精度或控制田面纵坡，但考虑到我国灌溉水平的现状，短期内激光控制精细平地技术的大面积推广应用难以实现，因此本书将畦田纵坡归为影响灌水质量的不可控因素。

为了方便利用田口方法进行灌水技术要素设计，将2个常用的灌水质量评价指标的几何平均值与1的差值定义为灌水质量损失指标：

式中 PL——灌水质量损失指标；

Ea、Du——灌水效率和灌水均匀度。

灌水质量评价指标Ea、Du可通过地面灌溉模型SRFR进行计算。灌水质量损失指标PL表征的是灌水质量与理论最高值1之差，其值越小，代表灌水质量越高，具有望小特性，据此可以计算得得到畦灌信噪比：

式中 SN——信噪比；

N——测试次数；

i——测试次序；

PL——灌水质量损失指标。

2.内表与外表设计

将单宽流量、改水成数、畦长等3个技术要素（可控因素）各设置3个水平，采用正交表L9（34）设计内表，安排模拟试验方案。

考虑各因素的误差进行的模拟试验方案称为外设计，需针对内表中的各个方案分别进行外表设计。在设计中，单宽流量、改水成数和沟畦长度存在着控制误差，分别按内表设计值的±5%计。糙率系数n和田面纵坡s为自然要素，其波动幅度可通过实测得到。

3.灌水技术要素文件设计组合

对于内表中的9个方案，每个方案均对应着18次外表模拟试验。对于每个内表方案的18种波动，通过模拟得到各方案的灌水效率Ea和灌水均匀度Du，并采用式（1-16）计算得到18个灌水质量损失指标PL，由此可分别计算得到内表9个方案的信噪比SN。

根据田口稳健设计理论，信噪比越大，表示系统在受干扰的情况下输出特性越稳定，因此信噪比最大的组合即为可控因素的稳健组合。对灌水技术而言，信噪比越大表明灌水质量受干扰因素的影响越小，灌水质量越稳定，即为稳健的灌水技术要素组合。