摘 要 為提高農(nóng)田的灌溉效率，基于水量平衡原理，利用Visual Basic和Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立了以小麥、水稻、玉米3種作物為預(yù)報(bào)對(duì)象的農(nóng)田灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)3種作物不同生育期的作物信息及逐日常規(guī)氣象要素，并結(jié)合小麥和玉米的適宜水分上下限及水稻淹灌的淹水層深范圍，進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)，并將數(shù)據(jù)用Excel圖形方式顯示出來(lái)。該系統(tǒng)的使用不限區(qū)域，簡(jiǎn)單易操作，能夠精確確定逐日灌溉量及下次灌水時(shí)間。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田；灌溉預(yù)報(bào)；水量平衡；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S24；TP31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-890X（2014）04-020-04

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我國(guó)人口眾多，水資源相對(duì)緊缺，而大多農(nóng)田用水管理不科學(xué)，農(nóng)業(yè)用水所造成的水資源浪費(fèi)日益嚴(yán)重，隨著社會(huì)發(fā)展迅速，我國(guó)工業(yè)用水和生活用水逐步增加，使得農(nóng)業(yè)的合理用水更為重要[1]。傳統(tǒng)的用水管理是根據(jù)不同年份的水文信息制訂灌溉制度，定時(shí)供水，但不能根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行灌溉，若想要更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)灌溉量，應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)段的天氣預(yù)報(bào)，進(jìn)行用水管理[2]。我國(guó)目前在節(jié)水灌溉管理和灌溉系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面仍處于起步階段，還比較落后于國(guó)際上領(lǐng)先的一些發(fā)達(dá)國(guó)家[3]。汪志農(nóng)等人開(kāi)發(fā)的節(jié)水灌溉預(yù)報(bào)、管理與決策專家系統(tǒng)，主要利用人工智能技術(shù)，以知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)作物需水要求進(jìn)行研究，來(lái)制訂灌溉決策，這種方法，不考慮田間作業(yè)和灌溉方式，偏重對(duì)作物需水量的管理[4]；夏繼紅等人開(kāi)發(fā)的農(nóng)田灌溉決策支持系統(tǒng)，結(jié)合了土壤墑情和實(shí)時(shí)信息，運(yùn)用了知識(shí)庫(kù)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]；陳智芳等人開(kāi)發(fā)的節(jié)水灌溉管理與決策支持系統(tǒng)，根據(jù)采集到的氣象、土壤水分、作物、水資源狀況等信息，運(yùn)用作物系數(shù)法進(jìn)行作物需水量的計(jì)算，從而預(yù)報(bào)作物需水量，但缺點(diǎn)是輸入的參數(shù)過(guò)多，有些參數(shù)不便采集，不能很好地立足于農(nóng)戶[6]。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于水量平衡原理，利用Visual Basic和Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立以小麥、水稻、玉米3種作物為預(yù)報(bào)對(duì)象的農(nóng)田灌溉預(yù)報(bào)體系，以期能夠簡(jiǎn)單、精確地確定逐日灌溉量及下次灌水時(shí)間。

1系統(tǒng)基本功能

本系統(tǒng)利用VisualBasic高級(jí)編程語(yǔ)言，建立了良好的人機(jī)界面，并創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)且可在VisualBasic界面中動(dòng)態(tài)管理，擁有極強(qiáng)的可視性和直觀性。本系統(tǒng)共分為四大功能版塊，四大版塊及其主要實(shí)現(xiàn)功能框架如圖1。

1.1氣象要素計(jì)算版塊

主要通過(guò)查詢氣象預(yù)報(bào)，輸入溫度、緯度、海拔等常規(guī)氣象資料，選擇降雨程度、風(fēng)力等級(jí)，從而對(duì)影響作物蒸散的主要影響因子進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算因子有露點(diǎn)飽和水汽壓（ea）、植物表面凈輻射量（Rn）、參考作物蒸散量（ETo）和土壤熱通量（G）。

1.2作物灌溉預(yù)報(bào)版塊

對(duì)小麥、水稻、玉米3種作物的灌溉量及灌溉時(shí)間進(jìn)行預(yù)報(bào)，基于水量平衡原理，根據(jù)作物不同生育期的作物系數(shù)及各項(xiàng)作物信息，計(jì)算出田間水分的收支，并與作物適宜水分上下限進(jìn)行比較，從而制訂灌溉制度。

1.3圖形顯示版塊

此版塊動(dòng)態(tài)顯示作物適宜水分上下限、時(shí)段末土壤含水量、田間耗水量等曲線，對(duì)農(nóng)田水分進(jìn)行直觀觀測(cè)。

1.4歷史查詢版塊

此版塊連接數(shù)據(jù)庫(kù)信息，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，并能夠適宜添加需要信息及刪除錯(cuò)誤信息，對(duì)所采集計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

2灌溉預(yù)報(bào)原理和方法

本灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要運(yùn)用水量平衡方程，分析方程中的每個(gè)參數(shù)，確定灌水量及灌溉時(shí)間。

2.1灌溉預(yù)報(bào)原理

2.1.1 旱作預(yù)報(bào)原理

本系統(tǒng)主要預(yù)報(bào)玉米和小麥2種旱作的灌溉情況，以1 m土層儲(chǔ)水量為研究對(duì)象，預(yù)報(bào)其對(duì)應(yīng)作物發(fā)育期的水分變化規(guī)律。土壤水分平衡公式為：

Wi+1=Wi+P+G-ETC ①

①式中，Wi為時(shí)段初土壤含水量，單位為mm；Wi+1為時(shí)段末土壤含水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)有效降水量，mm；G為時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，mm；ETc為作物實(shí)際蒸散量，mm。

2.1.2 水稻預(yù)報(bào)原理

本系統(tǒng)默認(rèn)稻田采用“淺-深-淺”的灌水方法，即分蘗和分蘗以前采用淺灌，分蘗后期到乳熟前采用深灌，乳熟以后淺灌，黃熟以后落干[7]。由水量平衡公式逐日計(jì)算稻田水層深度的變化：

HPi=P+M-D-ETC= HPi+1 ②

②式中，HPi為時(shí)段初田面水層深度，mm；HPi+1為時(shí)段末田面水層深度，mm；P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量，mm；M為時(shí)段內(nèi)灌水量，mm；D為時(shí)段內(nèi)排水量，mm；ETc為時(shí)段內(nèi)作物實(shí)際蒸散量，mm。

2.2作物實(shí)際蒸散量ETC預(yù)報(bào)

作物實(shí)際蒸散量ETc的預(yù)報(bào)主要采用參考作物需水量法，其方法主要是利用氣象要素，先求出參考作物蒸散量ETo，然后乘以相應(yīng)作物發(fā)育期的作物系數(shù)Kc，最后得到作物實(shí)際蒸散ETc[8]。計(jì)算公式如下：

ETC=KC×ETO ③

2.2.1 作物系數(shù)Kc的確定

作物系數(shù)是計(jì)算實(shí)際作物需水量的重要參數(shù)，它與作物類型、作物群體葉面積、生育期等因素有關(guān)，受土壤含水率及作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況等因素影響，求作物系數(shù)的方法有單作物系數(shù)、雙作物系數(shù)和實(shí)測(cè)法[9]。

2.2.2 計(jì)算參考作物蒸散ETo的值

逐日參考作物蒸散量的計(jì)算，本系統(tǒng)采用FAO推薦的修正彭曼（Penman-Monteith）方程，Penman-Monteith方程如下[10]：

④

④式中，ETo為參考作物蒸散，mm/d；Rn為植物表面凈輻射量，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；U2為離地面2 m處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實(shí)際水汽壓，kPa。

根據(jù)彭曼公式計(jì)算ETo的值需要日照時(shí)數(shù)、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、最高平均氣溫及最低平均氣溫、海拔高度、緯度、最高相對(duì)濕度及最低相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)，但是由于氣象預(yù)報(bào)中沒(méi)有濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)，因此，本系統(tǒng)中不直接運(yùn)用此公式預(yù)報(bào)ETo。

當(dāng)太陽(yáng)輻射及日照時(shí)數(shù)缺測(cè)時(shí)，Annandale等人提出太陽(yáng)輻射的關(guān)系式如下[11]：

RS=KRs（1+2.7×10-5ALT）（Tmax-Tmin）0.5Ra ⑤

⑤式中，Rs為太陽(yáng)凈短波輻射量，MJ/（m2·d）；Ra為大氣頂部的理論太陽(yáng)輻射，MJ/（m2·d）；Tmax為日最高氣溫，℃；Tmin為日最低氣溫，℃；KRs為調(diào)節(jié)系數(shù)，℃，內(nèi)陸地區(qū)通常取0.16，沿海地區(qū)為0.19；ALT為當(dāng)?shù)睾０胃叨龋琺。

在用彭曼公式計(jì)算ETo時(shí)，一般用相對(duì)濕度計(jì)算實(shí)際水汽壓ea，而當(dāng)相對(duì)濕度缺測(cè)時(shí)，可用最低氣溫Tmin近似計(jì)算實(shí)際水汽壓，計(jì)算關(guān)系式為：2.5時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量

地下水補(bǔ)給量G，與實(shí)際蒸散量ETc、土壤特性及地下水埋深GWD有關(guān)，一般根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際資料回歸經(jīng)驗(yàn)公式。本文以陜西洛惠渠為例[13]：

G=（B-0.15GWD）·ETC ⑨

⑨式中，ETc為實(shí)際蒸散量，mm/d；B為地下水補(bǔ)給系數(shù)；GWD為地下水埋深。

2.6灌溉量及灌水日期確定

根據(jù)①式，計(jì)算第i+1日、第i+2日、第i+3日土壤含水量，以此循環(huán)，直至土壤含水量小于適宜水分下限值，或大于適宜水分上限值，確定循環(huán)的次數(shù)，即確定灌水日期。

3結(jié)論

（1）基于水量平衡原理，利用VisualBasic編程技術(shù)及Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立了以小麥、水稻、玉米3種作物為預(yù)報(bào)對(duì)象的農(nóng)田灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)3種作物的農(nóng)田灌溉量及灌水時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，系統(tǒng)整體功能完善，運(yùn)行正常。

（2）通過(guò)查詢當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)，并輸入少量常規(guī)氣象要素，使用FAO推薦的彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）公式及Annandale等人提出的太陽(yáng)輻射的計(jì)算方法，預(yù)測(cè)了時(shí)段內(nèi)作物參考蒸散，降低了各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集的難度。

（3）本系統(tǒng)利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)所輸入的數(shù)據(jù)和計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并連接VisualBasic程序，在VisualBasic可視化窗口中動(dòng)態(tài)管理。

（4）實(shí)現(xiàn)將時(shí)段末土壤含水量、地下水補(bǔ)給量、農(nóng)田實(shí)際蒸散及允許土壤含水量上下限等數(shù)據(jù)輸出到Excel表格，并以圖形的形式顯示在VisualBasic窗體中，使用戶能夠更直觀地監(jiān)測(cè)土壤水分狀況。

（5）雖然系統(tǒng)功能完善，并能預(yù)報(bào)出確切的灌水量和灌溉時(shí)間，但在水量平衡原理中，所需要的數(shù)據(jù)較多，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)測(cè)精確得到，而其他一些數(shù)據(jù)多是來(lái)源于歷史數(shù)據(jù)或通過(guò)田間和室內(nèi)試驗(yàn)，在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)上有一定的誤差和滯后性，這些誤差將大大影響農(nóng)田灌溉預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度，還有待進(jìn)一步研究細(xì)化。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）