高立杰

(聊城市東昌府區(qū)沙鎮(zhèn)鎮(zhèn)水利站，山東 聊城 252031)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，灌溉用水是主要的農(nóng)業(yè)用水，而水資源有限，因此對(duì)于旨在控制灌溉水量或者改進(jìn)灌溉方式來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)量或者效益最優(yōu)的灌溉制度[1]的研究就尤為重要。

早在20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就進(jìn)行了相關(guān)的研究，對(duì)灌溉制度的優(yōu)化取得了一定成果。郭宗樓[2]通過(guò)非線性模型對(duì)作物怎樣達(dá)到產(chǎn)量最優(yōu)化進(jìn)行了研究。尚松浩[1]通過(guò)灌溉的日期進(jìn)行作物灌溉制度的優(yōu)化。崔遠(yuǎn)來(lái)[3]、袁宏源[4]等人提出了多維動(dòng)態(tài)的模型對(duì)于灌溉制度的優(yōu)化進(jìn)行了研究。張建新[5]使用EViews模型對(duì)新疆疏勒流域灌區(qū)進(jìn)行了定額預(yù)測(cè)分析。葛旭峰[6]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)龍?zhí)了畮?kù)灌區(qū)冬小麥和夏玉米的最優(yōu)灌溉制度進(jìn)行了分析。崔遠(yuǎn)來(lái)[7]、Dudley[8]等人使用SDP模型對(duì)于單一植物的灌溉制度進(jìn)行了優(yōu)化。灌溉制度的優(yōu)化對(duì)于植物生產(chǎn)的意義不言而喻，目前主要是試驗(yàn)方法，使用數(shù)值模擬的較少。

本文在前人灌溉制度優(yōu)化方面的研究基礎(chǔ)上，使用ISAREG模型對(duì)黃河流域灌區(qū)番茄在不同灌水量以及是否含有覆蓋膜條件下的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行模擬，得出最佳的灌溉制度，為實(shí)際作物的種植提供參考。

1 模型建立

本文選取的黃河流域平原地區(qū)灌區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，常年四季分明，溫度變化較大。地區(qū)的土壤為壤土，土壤內(nèi)有機(jī)物的含量為15.9g/kg，0～50cm內(nèi)土壤平均容重為1.39g/kg。

本文采用葡萄牙里斯本技術(shù)大學(xué)研發(fā)的ISAREG模型[9]對(duì)該灌區(qū)灌溉制度優(yōu)化進(jìn)行分析。該軟件通過(guò)模擬灌溉區(qū)內(nèi)水分的變化，對(duì)該區(qū)域的灌溉制度進(jìn)行分析，計(jì)算區(qū)域內(nèi)灌溉需要的水量和對(duì)應(yīng)的灌溉區(qū)內(nèi)植物需要的水量。灌溉模型本構(gòu)方程為水量平衡方程，見(jiàn)公式(1)。

(1)

式中,θi—第i天根系層的土壤含水率,%；Pi—第i天的有效降雨量,mm；Imi—第i天的凈降雨量,mm；ETai—第i天植物的實(shí)際蒸騰量,mm；DPi—第i天的深層滲漏,mm；GWi—第i天的地下水補(bǔ)給量，mm；Zri，第i天的根系層深度，m。

ISAREG模型的操作流程如圖1所示。

圖1 ISAREG模型流程圖

作物數(shù)據(jù)主要包含作物的類型、生長(zhǎng)期、作物反應(yīng)系數(shù)、計(jì)劃濕潤(rùn)層、實(shí)效水可利用系數(shù)等。土壤數(shù)據(jù)包括土壤分層、土壤每層的田間持水率和土壤深度、有效含水率(TAW)、調(diào)位系數(shù)、灌溉后蒸騰量(TEW)以及大氣蒸發(fā)占主要作用蒸發(fā)的水量(REW)等。氣象數(shù)據(jù)包括作物蒸騰量、灌溉區(qū)內(nèi)的最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫、日照時(shí)間、降雨量和風(fēng)速等。其中有效降雨量采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算。灌溉特征數(shù)據(jù)包括灌溉方式、灌水定額以及時(shí)間安排、地下水?dāng)?shù)據(jù)的情況等。

Pe=α·P

(2)

式中,Pe—有效降雨量,mm；P—實(shí)際降雨量,mm；α—有效降雨系數(shù)。

本文對(duì)實(shí)際番茄種植后含有覆蓋膜和沒(méi)有覆蓋膜通過(guò)180mm、210mm、240mm三種不同的定額水量分成六個(gè)工況進(jìn)行研究，具體工況分配見(jiàn)表1。

表1 灌溉工況布置

根據(jù)ISAREG模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，實(shí)際模擬灌溉區(qū)土壤分為三層，從上到下分別為粉壤土、粉土和粉壤土。其他的數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際情況記錄進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模型系數(shù)的修正，番茄的作物系數(shù)在生長(zhǎng)初期、生長(zhǎng)中期、生長(zhǎng)后期分別為0.26、0.63、0.46，產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)為1.06。

2 結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

從對(duì)灌區(qū)進(jìn)行灌水開(kāi)始，進(jìn)行100d的土壤含水量抽樣監(jiān)測(cè)，六種工況進(jìn)行計(jì)算后不同時(shí)期的土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，從第一次灌水開(kāi)始，隨著時(shí)間的增加，土壤中含水率降低，當(dāng)再次進(jìn)行灌溉時(shí)土壤的含水率發(fā)生突變，然后逐漸降低。將使用ISAREG模型計(jì)算的土壤含水率隨時(shí)間變化曲線與實(shí)驗(yàn)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)基本吻合。六種工況計(jì)算值的平均誤差分別為3.4%、2.9%、4.0%、3.8%、3.3%、3.5%，均小于5%；最大誤差分別為4.3%、6.3%、4.5%、7.8%、4.3%、4.5%，均在10%范圍內(nèi)。說(shuō)明ISAREG模型可以很好地用來(lái)進(jìn)行灌區(qū)灌溉制度優(yōu)化模擬。

2.2 灌溉特征量結(jié)果分析

使用ISAREG模型計(jì)算出六種不同工況下的番茄生長(zhǎng)灌溉制度特征指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖2 不同工況下含水率隨時(shí)間變化曲線

表2 計(jì)算結(jié)果

由表2可知，不管是否有覆蓋膜，隨著灌水量的增加，土壤內(nèi)地下水補(bǔ)給和滲漏量均出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，而實(shí)際蒸騰量則正好相反。將有覆蓋膜和沒(méi)有覆蓋膜進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有覆蓋膜條件下土壤內(nèi)的地下水補(bǔ)給、滲漏量和實(shí)際蒸騰量均要小于同樣條件下沒(méi)有覆蓋膜的土壤，說(shuō)明覆蓋膜對(duì)于植物的影響比較明顯。

圖3 不同工況下的灌溉效率

根據(jù)圖3可知，隨著灌水量的增加，土壤的灌溉效率先增加后減小，這主要是由于三種不同的灌水量的施加次數(shù)不一樣。參考表1和圖2進(jìn)行分析可知，在剛開(kāi)始植物生產(chǎn)期進(jìn)行灌水有助于植物的生產(chǎn)，隨后在合適的時(shí)間和開(kāi)花期進(jìn)行了第二次和第三次灌水。主要區(qū)別在第四次灌水，灌水量為180mm時(shí)只進(jìn)行了三次灌水，植物在結(jié)果的時(shí)候缺乏水分；灌水量為210mm時(shí)第四次灌水37.5mm，比較符合植物需要；灌水量為240mm時(shí)第四次灌水67.5mm超過(guò)植物的需求量，多余的水分流失進(jìn)而造成灌溉效率降低。有覆蓋膜的土壤灌溉效率要優(yōu)于沒(méi)有覆蓋膜土壤的灌溉效率。

根據(jù)圖4可知，有覆蓋膜的條件下，隨著灌水量的增加，減產(chǎn)率分別為10.8%、8.3%、8.5%，呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。沒(méi)有覆蓋膜的條件下，隨著灌水量的增加，減產(chǎn)率分別為12.6%、9.1%、9.5%，同樣呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。這主要時(shí)因?yàn)楣嗨吭?80mm時(shí)，在結(jié)果期不能滿足植物需要的水分，造成減產(chǎn)；灌水量為240mm，過(guò)多的水分在土壤中會(huì)造成植物的根莖腐爛進(jìn)而增加了減產(chǎn)率。有覆蓋膜的減產(chǎn)率要明顯低于沒(méi)有覆蓋膜土壤的減產(chǎn)率。說(shuō)明覆蓋膜有很好的增產(chǎn)效果。

圖4 不同工況下的減產(chǎn)率

3 結(jié)論

(1)對(duì)不同灌水量下土壤含水率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)平均誤差均在5%以內(nèi)，最大誤差均在10%，說(shuō)明ISAREG模型可以很好地用于灌溉制度的優(yōu)化。

(2)隨著灌水量的增加，灌溉效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，有覆蓋膜的灌溉效率要明顯優(yōu)于沒(méi)有覆蓋膜的。

(3)隨著灌水量的增加，減產(chǎn)率變化趨勢(shì)與灌溉效率相反，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，有覆蓋膜的減產(chǎn)率要明顯小于沒(méi)有覆蓋膜的。

(4)從灌溉效率和減產(chǎn)率等方面綜合考慮，選擇有覆蓋膜處理時(shí)灌水量為210mm的灌溉制度為最優(yōu)。