蔣報春，戴旺卓，呂 航，李 嘉

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 背 景

我國水資源占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第4 位，但人均只有2 200 m3，僅為世界平均水平的1/4、美國的1/5，在世界上名列第121 位，是全球13 個人均水資源最貧乏的國家之一。我國水資源供需矛盾十分突出，全國669 個城市中有400 余座城市供水不足，全國有16 個省、自治區(qū)、直轄市人均水資源擁有量低于國際公認的用水緊張線，北京、天津、山東等10 個省、市低于嚴重缺水線。

在農業(yè)灌溉的水源管理中，往往注重供水管理，在灌溉利用效率，節(jié)水保水措施方面較為薄弱。面對上述問題，結合可持續(xù)發(fā)展理念，我國出臺了水資源應用、開發(fā)管理等相關政策，堅持節(jié)約、高效、環(huán)保等觀念，并加強對農民節(jié)水教育與普及，做好節(jié)水宣傳，從管理制度、管理模式、灌溉技術等多方面入手提升水資源利用效率[1]。

近年來農業(yè)灌溉中許多新興節(jié)水技術都被大量應用，以渠道防滲、噴灌、微灌、細流溝灌及管道輸水等為代表的新興技術極大地提升了農業(yè)灌溉中水資源利用效率。由于影響因素眾多，作物的需水量往往是由理論值與經驗值結合供給，在現(xiàn)代化技術普及率低的灌區(qū)，往往以經驗值供給為主，這樣造成水資源流失嚴重，灌溉利用效率低下等問題。建立了一種節(jié)水灌溉智能化管理系統(tǒng)，通過對作物需水量的觀察與統(tǒng)計，建立出早稻的全生育期需水模型，有效地將經驗值轉化為理論值，通過自動控制渠首及田間進、出水口閘門來調整灌溉量，極大減少了因人工經驗值參與而導致的水資源浪費，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及灌溉模型，做出灌溉決策，控制渠道灌溉水量、田間水位以及田間進排水量，實現(xiàn)精準灌溉。通過該系統(tǒng)可有效避免渠系末端的水量損失，提高田間灌溉管理水平，避免了粗放式供水帶來的水量浪費以及操作不及時帶來的水量損失，是有效的節(jié)水減漏措施[2～3]。

2 作物需水模型的建立

2.1 以水面蒸發(fā)為參數(shù)的需水系數(shù)法

氣象因素是影響作物需水量的主要因素，而當?shù)氐乃嬲舭l(fā)又是各種氣象因素綜合影響的結果。因騰發(fā)量與水面蒸發(fā)都是水汽擴散，因此可以用水面蒸發(fā)這一參數(shù)估算作物需水量，其計算公式為：

式中 ET——某時段內的作物需水量，以水層深度計（mm）；

E0——與ET同時段的水面蒸發(fā)量，以水層深度計（mm），E0一般采用80 cm 口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)值，若用20 cm 口徑蒸發(fā)皿，則E80=0.8E20；

α——各時段的需水系數(shù)，即同時期需水量與水面蒸發(fā)量之比值，一般由試驗確定，水稻α=0.9～1.3，旱作物α=0.3～0.7；

b——經驗常數(shù)。由于“α 值法”只需要水面蒸發(fā)量資料，所以該法在我國水稻地區(qū)曾被廣泛采用。在水稻地區(qū)，氣象條件對ET及E0的影響相同，故應用“α 值法”較為接近實際，也較為穩(wěn)定。對于水稻及土壤水分充足的旱作物，用此式計算，其誤差一般小于20%～30%；對土壤含水量較低的旱作物和實施濕潤灌溉的水稻，因其騰發(fā)量還與土壤水分有密切關系，所以此法不太適宜。

根據(jù)查詢得到的20 cm 口徑逐日蒸發(fā)量，可求得80 cm 口徑逐日蒸發(fā)量，并求出生育期內蒸發(fā)量的綜合，即：

利用需水系數(shù)值α 根據(jù)式（1）可求得生育期的作物需水量綜合，根據(jù)地區(qū)生育期各生育階段的需水量分配比，可得各生育階段的作物需水量。根據(jù)生育階段天數(shù)的不同，將各生育階段的作物需水量平均到每天，即逐日耗水量，則求得各生育階段的逐日耗水量。

2.2 水量平衡方程

式中 Wt、Wo——時段初和任一時間t 時的土壤計劃濕潤層內的儲水量；

WT——由于計劃濕潤層增加而增加的水量；

Po——降雨入滲量，即有效降雨量，統(tǒng)計灌區(qū)的降雨入滲量可根據(jù)降雨量與次降雨的有效利用系數(shù)求得。即以連續(xù)降雨日期中降雨最大的日期為降雨日期，降雨量為該階段的降雨量之和P，用該降雨階段雨量之和乘以次降雨有效利用系數(shù)σ，即Po=σP，σ 選取原則如下：次降雨量P（mm）＜50，σ=0，P=5～50，σ=1.0，P=50～100，σ=0.9，P=100～150，σ=0.75，P＞150，σ=0.70。

K——時段t 內的地下水補給量，用所占玉米生育期需水量的百分數(shù)表示，這里忽略不計；

m——時段t 內的灌溉水量。

ET——時段t 內的作物田間需水量，已由第一步計算求得。

2.3 灌溉定額即允許儲水深度上、下限的計算

式中 m——灌水定額（m3/畝）；

H——時段內土壤計劃濕潤層深度（m）；

γ——計劃濕潤層內土壤的干容重（t/m3）；

θmax-θmin——時段內允許的土壤最大含水率和最小含水率。

即：當土壤中含水量低于適宜含水量下限時，需要灌水；當土壤中含水量高于田間持水量時，需要排水。因此實時土壤中含水量h 表達式為：

式中ht+1，ht-ht+1，t 時土壤中的儲水深度（mm），在不同生育階段，h＞hmax則排水，h＜hmin，則灌水，灌水按照灌水定額灌溉。其中t=0 時，土壤含水量為初始值，土層中含水量換算成水層深度，表達式如下：

式中 h初始——土壤初始含水量（mm）；

hs——土層深度（mm），按照生育階段不同而選取；

其他符號意義同前。

3 雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉技術智能化管理系統(tǒng)對區(qū)域進行用水分析研究

3.1 雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉技術智能化管理系統(tǒng)設計

帶有實時需水模型的雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉技術智能化管理系統(tǒng)是利用水稻的不同生長時期的需水量不同，通過控制進、排水來控制田間水位深度以達到智能灌溉的效果，此方法配合系統(tǒng)中的各個計量模塊測得的實時參數(shù)，并連接大數(shù)據(jù)云平臺，對天氣進行預測，在進、排水時將一定時間內蒸發(fā)量與降雨量計算到需水模型中，使控水閘門的開關次數(shù)達到最優(yōu)化，很大程度上減少了水資源的浪費。此方法的優(yōu)點是簡單方便實施，只需對田間水位進行實施監(jiān)測來控制閘門進行進、排水控制，減少人工的浪費，并保證水資源的使用在最大程度上的節(jié)省[4～5]。

在我國某市的標準實驗田進行雨量、水位、進出口水量以及現(xiàn)場圖像監(jiān)測，根據(jù)作物實際用水和作物生長用水模型預測用水量，并進行放水水量、田間水位控制。首先，在實驗田中將雨量筒、投入式水位計、智能水表、土壤墑情傳感器、圖片攝像機以及遙測終端機進行集成，建立現(xiàn)地數(shù)據(jù)監(jiān)測站以實現(xiàn)田間水位、雨量、進出水量、土壤含水量、圖像監(jiān)測，進水口、出水口閘門控制以及田間水位控制的功能。其次，部署觀測控制信息平臺，設置數(shù)據(jù)接收軟件、搭建農田節(jié)水灌溉模型及數(shù)據(jù)信息分析庫、建立數(shù)據(jù)顯示和控制平臺。

現(xiàn)地數(shù)據(jù)監(jiān)測站主要負責監(jiān)測每天的降雨量、田間水位、田間含水量、灌溉或排水時的起止讀數(shù)、現(xiàn)場圖片信息，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)無線傳輸至觀測控制信息平臺。

利用總控云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)至現(xiàn)地監(jiān)測站，可查詢當前田間水位、累計雨量、進出水閥門狀態(tài)、進出水量等信息；可控制進、出口閥門開啟或關閉；可人工設置田間水位標準。站點智能化灌溉管理系統(tǒng)具有以下幾點功能：①智能采集，系統(tǒng)可實時監(jiān)測每天的降雨量、田間水位、田間含水量、灌溉或排水時田間進、排水量、現(xiàn)場視頻信息，并將實時數(shù)據(jù)上傳至總控云平臺顯示并儲存。②渠道進水閥、田間進水閥、田間排水閥的自動控制。③田間每日灌溉計劃制定，系統(tǒng)自帶需水模型，也可根據(jù)實際情況完善需水模型可實時在線修改需水模型從而改變灌溉計劃?？偪卦破脚_具有以下幾點功能：①片區(qū)多點實時監(jiān)測與調控功能。②具有深度學習灌溉模型的大數(shù)據(jù)庫。③單或多站點作物灌溉量的日、月、季、年總結。④基于片區(qū)或作物灌溉模型的建立模擬[6]（見圖1、圖2）。

3.2 基于雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉技術智能化管理系統(tǒng)的需水模型建立

因作物需水量與灌溉利用系數(shù)的影響因子較多，如種植地氣候、地貌、排灌設施的完善程度等。以田間水位作為樣本，建立數(shù)學模型得出作物各個生長期的需水模型，將需水模型輸入至渠系閘門自動控制系統(tǒng)中，通過控制渠系與田間入水口、出水口的日累計流量并不斷調整，在保證作物增產發(fā)育的情況下，最大化地減少水資源浪費。

圖1 雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉智能化管理系統(tǒng)組成圖

圖2 雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉智能化管理系統(tǒng)工作流程圖

3.3 案例分析

水稻逐日需水量在全生育期為連續(xù)的，其需水模型在時間上無需分段模擬或作為離散模型分析，采用非線性模型即可得出水稻的近似需水模型。建立水稻的非線性需水模型主要分為以下兩個步驟：

1）采集數(shù)據(jù)樣本。將我國南方某市的標準試驗田作為采集區(qū)域，早稻作為采集對象，以2017 年4 月18日至2017 年7 月11 日早稻全生育期的田間水位數(shù)據(jù)作為樣本，如圖3 所示。假定田面高程設為0 mm，早稻于2017 年4 月18 日進行插秧，于2017 年7 月6 日收割[7]。

圖3 早稻全生育期田間水位

2）去除擾動。通過濾波的方式將整個數(shù)據(jù)集進行優(yōu)化，注：在多組數(shù)據(jù)情況下建議采用均值濾波去噪、中值濾波去噪，在數(shù)據(jù)樣本量較低的情況下小波去噪，不建議采用高斯濾波去噪，由圖3 明顯可知，早稻的需水模型隨季節(jié)變化的非線性函數(shù)模型并不滿足于高斯分布模型[8]。

由數(shù)據(jù)分析可以看出，以3 天為濾波核對早稻全生育期進行濾波后，因降雨量影響（降雨為擾動因素），經對比發(fā)現(xiàn)，中值濾波更加適合早稻全生育期的需水模型。

由濾波核為3 天對比7 天的均值濾波與中值濾波發(fā)現(xiàn)，濾波核為3 天更適應于早稻全生育期的需水模型，并對比圖4～圖7 為濾波核的均值濾波與中值濾波結果，發(fā)現(xiàn)濾波核在3 天的中值濾波最適合早稻全生育期的需水模型[9～10]。

圖4 對早稻全生育期田間水位進行均值濾波（3）后模型

圖5 對早稻全生育期田間水位進行中值濾波（3）后模型

圖6 對早稻全生育期田間水位進行均值濾波（7）后模型

圖7 對早稻全生育期田間水位進行中值濾波（7）后模型

4 結 論

雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉技術智能化管理系統(tǒng)可有效地利用水資源，可根據(jù)作物全生育期調整逐日供水量，還能夠提高自動化生產效率，降低人力成本和管理成本，顯著提高效益。但因為成本較高，可利用于經濟價值較高的作物上。能夠實時了解灌區(qū)水資源分配狀況，對水資源進行及時有效的調度，減少因為水資源短缺而造成的損失，提高田間灌溉的保證率，從而提高地區(qū)的經濟效益，提高管理水平，增加社會效益。

雙季稻水肥耦合節(jié)水灌溉技術智能化管理系統(tǒng)，充分發(fā)掘水源工程的水資源利用，提高水源工程監(jiān)控、水資源優(yōu)化調度和水行政管理的整體科技水平，促進水利管理業(yè)務的現(xiàn)代化，使水源工程管理工作走上自動化、科學化的軌道，大大增強管理調度能力，為供水指揮決策提供科學、高效、可靠的技術支持。