丁富平，吳發(fā)啟，趙龍山，孫存喜

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵712100；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州510610；3.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港222000）

我國是水資源貧乏的國家，人均水資源量只有世界人均占有量的1／4，是世界上40多個嚴(yán)重缺水的國家之一，加上我國農(nóng)業(yè)用水基數(shù)大，不合理的農(nóng)業(yè)灌溉方式、落后的農(nóng)田管理水平，浪費了大量水資源；同時隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，總用水量的需求在迅速增加，供需矛盾十分突出，為做到經(jīng)濟與資源、生態(tài)環(huán)境相互協(xié)調(diào)地可持續(xù)發(fā)展，許多學(xué)者提出了大量節(jié)約農(nóng)田用水的灌溉方法，如：渠道防滲、低壓管道輸水、節(jié)水型地面灌溉、噴灌、微灌、滲灌、脈沖灌、作物調(diào)虧灌溉、限水灌溉、非充分灌溉、作物控制性分根交替灌溉和精確灌溉等農(nóng)業(yè)高效灌溉方法［1－5］，但是至2002年底，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積僅為1 866.67萬hm2，只占有效灌溉面積的33.4%，可見，我國農(nóng)田節(jié)水灌溉的潛力很大，應(yīng)全面推進節(jié)水灌溉的工程措施、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施、經(jīng)濟管理措施的有機結(jié)合與集成化實施［6］，采用先進的監(jiān)測、預(yù)報和自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)效益最佳的水分調(diào)控管理技術(shù)，實現(xiàn)真正意義上的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉［7］。不過，目前我國在精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水灌溉系統(tǒng)的自動化控制方面，與國際領(lǐng)先水平的以色列、美國、英國、澳大利亞等國家的差距較大，還處于啟蒙階段，又由于灌溉決策支持系統(tǒng)是精確灌溉和節(jié)水灌溉自動化的核心，是提高農(nóng)田用水管理水平的重要方面，因此加強灌溉決策支持系統(tǒng)軟件的開發(fā)，將有助于為我國精確灌溉系統(tǒng)的建立做好技術(shù)儲備，有利于優(yōu)化配置農(nóng)業(yè)用水和解決農(nóng)業(yè)供水危機［5，8］。

鑒于此，本文基于VB友好的工作界面、強大的數(shù)據(jù)庫功能和OLE（對象鏈接和嵌入）技術(shù)，結(jié)合水田灌溉管理中的實際需要，開發(fā)了水田灌溉自動化管理系統(tǒng)，其中包括水田數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、灌溉管理決策支持系統(tǒng)和農(nóng)田水分動態(tài)顯示系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，從各個子系統(tǒng)分別研究了水田的數(shù)據(jù)管理，水田水分預(yù)測，灌排水措施的抉擇和水田水分?jǐn)?shù)據(jù)的動態(tài)顯示等功能，為精確灌溉決策支持系統(tǒng)的建立和推進提供了技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)的基本功能

水田灌溉自動化管理系統(tǒng)主要為決策者提供簡便、快捷的判斷和抉擇信息，主要包括：①提供對農(nóng)田信息的數(shù)據(jù)庫管理功能：通過對農(nóng)田氣象、水文和墑情等資料的數(shù)據(jù)庫操作，不僅可以了解水田水分的歷史資料，灌排水方案實施后的動態(tài)變化，而且能夠準(zhǔn)確地把握農(nóng)田水分的現(xiàn)狀；②提供灌溉決策支持功能：根據(jù)天氣預(yù)報和農(nóng)田水分資料，為用戶提供灌溉決策的實時信息，如預(yù)測農(nóng)田需要灌溉的時間及其強度，選擇經(jīng)濟灌溉量或排水量。③提供水田水分動態(tài)變化的報表和圖形功能：依據(jù)對水田水量的計算，預(yù)測農(nóng)田水分的動態(tài)變化過程，以Excel表格格式或圖形格式顯示。

2 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

水田灌溉自動化管理系統(tǒng)包括水田數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、灌溉管理決策支持系統(tǒng)和水田水分動態(tài)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)在Visual Basic環(huán)境下，直接建立Access數(shù)據(jù)庫，根據(jù)農(nóng)田水文、氣象和墑情等資料建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：合理地設(shè)置蒸發(fā)量、降雨量、灌溉量等數(shù)據(jù)的類型、長度或?qū)挾鹊?。利用“data”控件建立與Access數(shù)據(jù)庫的連接，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫記錄的顯示、修改、增加、刪除和查詢等操作，利用“Microsoft FlexGrid Control 6.0”部件對Access數(shù)據(jù)庫全部信息進行顯示，從而達到對數(shù)據(jù)進行簡單快捷管理的目標(biāo)；根據(jù)建立的Access數(shù)據(jù)庫中的表結(jié)構(gòu)，將每個記錄的數(shù)據(jù)賦予一個數(shù)組元素，根據(jù)農(nóng)田水量平衡原理和設(shè)計的灌溉制度對數(shù)組進行運算，判斷農(nóng)田是否需要灌排水、灌排水的時間以及其強度；最后將原始數(shù)據(jù)和運算結(jié)果輸出到Excel表格中，然后利用“OLE”控件顯示Excel表格或圖形，而且可以通過雙擊“OLE”控件直接運行“Microsoft Office Excel 2003”程序，從而可以根據(jù)需要實時、方便地對表格中的數(shù)據(jù)做進一步的分析和處理。

2.1 水田數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

2.1.1 水田數(shù)據(jù)庫的建立［9］Visual Basic語言本身使用的是Access數(shù)據(jù)庫，能夠在VB中直接創(chuàng)建，可以用來作為存儲農(nóng)田相關(guān)數(shù)據(jù)和模型計算結(jié)果的儲存空間，如數(shù)據(jù)發(fā)生的日期，每日降雨量、每日蒸發(fā)量、每日耗水量、灌溉量和排水量等，其中，每日蒸發(fā)量、每日耗水量和排水量以負(fù)數(shù)的形式存放在數(shù)據(jù)庫中，見圖1。

2.1.2 對數(shù)據(jù)庫操作的實現(xiàn) 對Access數(shù)據(jù)庫的操作主要有：添加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢、逐個數(shù)據(jù)查看和對Access數(shù)據(jù)庫的顯示。

具體方法如下：首先在窗體上建立“Data1”數(shù)據(jù)控件，設(shè)置其“Database Name”屬性為“水文數(shù)據(jù).mdb”，設(shè)置“Record Source”屬性為“水文數(shù)據(jù)”，在運行時，可以實現(xiàn)逐個數(shù)據(jù)以及對第一個和最后一個數(shù)據(jù)的查看；然后單擊標(biāo)簽 “時間”對應(yīng)文本框的“Data Ssource”屬性欄，在下拉按鈕中選擇“Data1”，在“Data Field”屬性欄下拉按鈕中選擇“日期”，按上述方法依次設(shè)置其它文本框的相應(yīng)屬性。

圖1 Access數(shù)據(jù)庫中的水文數(shù)據(jù)表

添加數(shù)據(jù)的代碼如下：

刪除數(shù)據(jù)的代碼如下：

數(shù)據(jù)查詢的代碼如下：

上述數(shù)據(jù)查詢代碼以日期為主索引，通過輸入需查詢數(shù)據(jù)的日期，判斷該日數(shù)據(jù)在Access數(shù)據(jù)庫中是否存在，如果該日數(shù)據(jù)不存在，提示“數(shù)據(jù)未錄入，請?zhí)砑訑?shù)據(jù)”，如果該數(shù)據(jù)存在，則可以通過“Data”控件逐個查詢，也可以用“FSFlexGrid”控件將Access數(shù)據(jù)庫全部顯示進行查看，具體方法如下：

由于FSFlexGrid控件不是VB工具箱中的控件，需要在使用時添加［10］，即：在“工程”菜單項中選擇“部件”，然后選定“Microsoft FSFlexGrid Control 6.0”便添加成功，在新建的窗體上創(chuàng)建“FSFlexGrid”控件和“Data”控件，設(shè)置“FSFlexGrid”控件的“Data－Source”屬性值為 Data1，設(shè)置“AllowUserResizing”屬性值為“3－flexresizeBoth”可以對數(shù)據(jù)庫行、列寬大小進行改變，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全顯示?！癉ata”控件的屬性設(shè)置同上。

2.2 灌溉管理決策支持系統(tǒng)

灌溉管理決策支持系統(tǒng)是水田灌溉自動化管理系統(tǒng)的核心，該子系統(tǒng)主要以水田數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，根據(jù)天氣預(yù)報、作物生理生長特性和水田下滲量等資料，進行水田水分預(yù)報，灌排水措施的選擇以及實施的時間和強度。

2.2.1 灌溉管理決策支持系統(tǒng)建立的依據(jù) （1）生物學(xué)依據(jù)［11－13］。以水稻田為例，水量是水稻生長的重要環(huán)境脅迫因子，許多專家研究表明：不同灌溉水量（方式）對稻田滲漏量、株間蒸發(fā)、水稻葉面積、產(chǎn)量以及米質(zhì)有明顯影響，株高隨田間水深的增加而增高，抗倒和抗病能力隨之減弱；同時，水量對不同生育期水稻的生長發(fā)育也有重要影響，如：返青期缺水影響秧苗成活，孕穗及抽穗開花期缺水造成嚴(yán)重減產(chǎn)等。因此，將水稻不同生育階段的田間水量維持在一個合理的需水臨界區(qū)間內(nèi)，不僅能夠達到水稻穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)和提高品質(zhì)的效果，而且能夠減少對水資源的浪費。

（2）農(nóng)田灌排水?dāng)?shù)學(xué)模型。水田灌溉管理主要以農(nóng)田尺度下的水量平衡原理為基礎(chǔ)，水田水量平衡方程為：

式中：W——當(dāng)日水田水量；Wi－1——為前一日水田剩余水量；Pi——當(dāng)日降水量；Ei——當(dāng)日蒸發(fā)量；Gi——當(dāng)日耗水量，包括當(dāng)日下滲量和當(dāng)日作物需水量；Q灌i——當(dāng)日水田灌溉量；Q排i——當(dāng)日水田排水量；因此，上式既可以計算當(dāng)日水田水量的大小，又可以計算水田水量的歷史過程。

根據(jù)上述的生物學(xué)依據(jù)，確定適宜其生理生長的最大設(shè)計水量Wmax和最小設(shè)計水量Wmin，即確定合理的作物需水臨界區(qū)間［Wmin，Wmax］，使W∈［Wmin，Wmax］，即：

根據(jù)天氣預(yù)報，預(yù)測水田未來的日降水量Pi＋1、日蒸發(fā)量Ei＋1、日耗水量Gi＋1。預(yù)測水田水量為：

初始條件為：

式中：Wi＋1——第i＋1天水田水量；Wi——第i天水田水量；Pi＋1——第i＋1天預(yù)測降水量；Ei＋1——第i＋1天預(yù)測蒸發(fā)量；Gi＋1——第i＋1天預(yù)測耗水量。

當(dāng)Wi＋1＜Wmin時，水田需要灌溉，最小灌溉量為Q灌?。絎min－Wi＋1，最大灌溉量為 Q灌大＝Wmax－Wi＋1，考慮到較長預(yù)測期內(nèi)的降雨量難以準(zhǔn)確估計，以及灌溉設(shè)備每次運行的費用等實際問題，所以僅判斷第i＋2天有無降雨，如果有降雨，則以最小灌溉量實施灌溉，此灌溉量即為經(jīng)濟灌溉量；如果無降雨，則以最大灌溉量實施灌溉，此灌溉量亦為經(jīng)濟灌溉量。

當(dāng)Wi＋1＞W(wǎng)max時，水田需要排水，最小排水量為Q排?。絎i＋1－Wmax；最大排水量為 Q排大＝Wi＋1－Wmin，同上，如果有降雨，則以最大排水量實施排水，此排水量即為經(jīng)濟排水量；如果無降雨，則以最小排水量實施排水，此排水量即為經(jīng)濟排水量。

當(dāng)Wmin≤Wi＋1≤Wmax時，水田水量豐沛，適宜作物生長，灌排水設(shè)備無需運行。

（3）灌排水實施時間的確定依據(jù)。首先用式（3）計算水田第i＋1天水量，如果Wi＋1在作物需水臨界區(qū)間［Wmin，Wmax］，則水田水量能維持i天無需灌排水；反之，Wi＋1不在作物需水臨界區(qū)間［Wmin，Wmax］內(nèi)，則水田i天后需要灌排水，是灌溉還是排水以及其強度，還有經(jīng)濟灌排水量的確定，將按照上節(jié)的灌排水?dāng)?shù)學(xué)模型計算。

灌溉管理決策支持系統(tǒng)的工作原理見圖2。

圖2 灌溉管理決策支持系統(tǒng)的工作原理

2.2.2 灌溉管理決策支持系統(tǒng)程序

ChiXuTianShu＝ChiXuTianShu＋1’用于確定水田水量維持在需水臨界區(qū)間的天數(shù)，即此代碼每執(zhí)行一次，水量維持在需水臨界區(qū)間內(nèi)的天數(shù)就增加一次，說明水田水量充沛，無需灌排水，這是該子系統(tǒng)的核心代碼之一。

利用Access數(shù)據(jù)庫內(nèi)的“水文數(shù)據(jù)”表中的數(shù)據(jù)，假設(shè)2010年1月1日的水田初始水量為10cm，當(dāng)日灌溉量為10cm（見圖1），最大、最小設(shè)計水量分別為40cm和20cm，運行上述代碼后得到的結(jié)果見圖3。

圖3中顯示了“三天后水田水量不足”，“需要的最大灌溉量”和“最小灌溉量”。如果能夠預(yù)測更長時間的天氣狀況，即可以選擇經(jīng)濟灌溉量，例如，如果未來無降雨，則以最大灌溉量21cm進行灌溉，如果未來有降雨，則以最小灌溉量1cm進行灌溉，由圖1可知，3d后即為“2010－01－04”，該日無降雨，因此應(yīng)以21cm水量實施灌溉。由此可見，此系統(tǒng)大大提高了農(nóng)田管理水平和灌溉水的利用率。

圖3 水分管理決策支持系統(tǒng)程序運行結(jié)果

2.3 水田水分動態(tài)顯示系統(tǒng)

灌溉管理決策支持系統(tǒng)雖然能夠預(yù)測水田需要灌排水的時間，最大、最小以及經(jīng)濟灌排水量，但是有時我們還需要知道水田水量動態(tài)變化的過程。所以需要將上述程序運算過程中的數(shù)據(jù)進行輸出和顯示，因此農(nóng)田水分動態(tài)顯示系統(tǒng)將完成此項任務(wù)；由于Access數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的處理能力遠沒有Excel軟件的優(yōu)勢，因此本文將計算程序運行原始數(shù)據(jù)和部分計算結(jié)果輸出到Excel表格中，從而滿足用戶對于農(nóng)田管理的更高要求。具體方法如下：首先，新建一個窗體form7，在窗體上創(chuàng)建“OLE”控件；其次，建立一個名為“水1量.xls”的Excel表格，將sheet1重命名為“計算結(jié)果”；然后編寫程序代碼。例如：將Access數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)和計算的水田每日剩余水量輸出到Excel表格的主要代碼為：

圖4 2010年水田水量變化過程線

由圖4可以清楚方便地把握水田水量的動態(tài)變化過程，并且能夠容易地判斷水田需灌排水的時間。例如，從2010年1月1日開始計算，3天后即為2010年1月4日，該日的水田水量低于最小設(shè)計水量20 cm，超出了需水臨界區(qū)間［20，40］，因此2010年1月4日水田需要灌溉。

3 結(jié)論

以VB為開發(fā)平臺，建立了水田灌溉自動化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對水田水文、氣象和墑情等數(shù)據(jù)的添加、刪除、查詢和顯示功能；能夠預(yù)測水田灌排水的時間和強度，以及確定經(jīng)濟灌排水量；并且將計算結(jié)果輸出到Excel表格中，并以報表或圖形格式顯示，最后可以根據(jù)用戶需要對原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果做進一步的分析和處理；系統(tǒng)運行后表明，此系統(tǒng)程序簡潔，結(jié)構(gòu)合理，界面友好，操作簡單，因此，該系統(tǒng)有利于提高農(nóng)田管理水平和水資源的高效利用，能夠為水田灌溉自動化管理提供技術(shù)支持和軟件服務(wù)，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 彭世彰，徐俊增，丁加麗，等.節(jié)水灌溉與控制排水理論及其農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)研究［J］.水利學(xué)報，2007（增刊）：504－510.

［2］ 韓立巖，那婉姣，王亮.節(jié)水灌溉技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009（4）：141－142，145.

［3］ 許迪，程先軍，謝崇寶，等.農(nóng)田間節(jié)水灌溉新技術(shù)應(yīng)用研究［J］.節(jié)水灌溉，2001（4）：7－11.

［4］ 李英能.我國節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.水利水電科技進展，1998，18（1）：2－7.

［5］ 康紹忠，胡笑濤，蔡煥杰，等.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的理論創(chuàng)新及研究重點［J］.水利學(xué)報，2004（12）：1－7.

［6］ 裴源生，于福亮，羅琳.21世紀(jì)初期中國灌溉發(fā)展戰(zhàn)略［J］.水利水電科技進展，2003，23（3）：1－5.

［7］ 劉大江，封金祥.精準(zhǔn)灌溉及其前景分析［J］.節(jié)水灌溉，2006（1）：43－44.

［8］ 康紹忠，蔡煥杰，馮紹元.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的技術(shù)創(chuàng)新與未來研究重點［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20（1）：1－6.

［9］ 陳華生，牛又奇，孫建國.Visual Basic程序設(shè)計教程［M］.江蘇 蘇州：蘇州大學(xué)出版社，1999.

［10］ 李書琴，陳勇，孫健敏，等.Visual Basic6.0程序設(shè)計教程［M］.西安：西北大學(xué)出版社，2002.

［11］ 金學(xué)泳，商文楠，曹海峰，等.不同灌溉方式對水稻生育及產(chǎn)量的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，21（8）：328－332.

［12］ 趙燕東，章軍富，尹偉倫，等.按植物需求精準(zhǔn)節(jié)水灌溉自動調(diào)控系統(tǒng)的研究［J］.節(jié)水灌溉，2009（1）：11－14.

［13］ 遲道才，王王宣，張玉龍，等.水稻節(jié)水高產(chǎn)灌溉模式及土壤水分能量調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.灌溉排水學(xué)報，2003，22（4）：39－42.