基于水量平衡的農田灌溉預報系統設計

摘 要 為提高農田的灌溉效率，基于水量平衡原理，利用Visual Basic和Access數據庫技術，建立了以小麥、水稻、玉米3種作物為預報對象的農田灌溉預報系統，系統根據3種作物不同生育期的作物信息及逐日常規氣象要素，并結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，進行灌溉預報，并將數據用Excel圖形方式顯示出來。該系統的使用不限區域，簡單易操作，能夠精確確定逐日灌溉量及下次灌水時間。

關鍵詞 農田；灌溉預報；水量平衡；系統設計

中圖分類號：S24；TP31 文獻標志碼：A 文章編號：1673-890X（2014）04-020-04

知網出版網址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/50.1186.S.20150226.1632.037.html 網絡出版時間：2015/2/26 15：37：45

我國人口眾多，水資源相對緊缺，而大多農田用水管理不科學，農業用水所造成的水資源浪費日益嚴重，隨著社會發展迅速，我國工業用水和生活用水逐步增加，使得農業的合理用水更為重要[1]。傳統的用水管理是根據不同年份的水文信息制訂灌溉制度，定時供水，但不能根據當地實際情況進行灌溉，若想要更準確地預報灌溉量，應根據預測時段的天氣預報，進行用水管理[2]。我國目前在節水灌溉管理和灌溉系統開發方面仍處于起步階段，還比較落后于國際上領先的一些發達國家[3]。汪志農等人開發的節水灌溉預報、管理與決策專家系統，主要利用人工智能技術，以知識為基礎，對作物需水要求進行研究，來制訂灌溉決策，這種方法，不考慮田間作業和灌溉方式，偏重對作物需水量的管理[4]；夏繼紅等人開發的農田灌溉決策支持系統，結合了土壤墑情和實時信息，運用了知識庫技術，對系統進行設計[5]；陳智芳等人開發的節水灌溉管理與決策支持系統，根據采集到的氣象、土壤水分、作物、水資源狀況等信息，運用作物系數法進行作物需水量的計算，從而預報作物需水量，但缺點是輸入的參數過多，有些參數不便采集，不能很好地立足于農戶[6]。

本文設計的系統基于水量平衡原理，利用Visual Basic和Access數據庫技術，建立以小麥、水稻、玉米3種作物為預報對象的農田灌溉預報體系，以期能夠簡單、精確地確定逐日灌溉量及下次灌水時間。

1系統基本功能

本系統利用VisualBasic高級編程語言，建立了良好的人機界面，并創建數據庫且可在VisualBasic界面中動態管理，擁有極強的可視性和直觀性。本系統共分為四大功能版塊，四大版塊及其主要實現功能框架如圖1。

1.1氣象要素計算版塊

主要通過查詢氣象預報，輸入溫度、緯度、海拔等常規氣象資料，選擇降雨程度、風力等級，從而對影響作物蒸散的主要影響因子進行計算，主要計算因子有露點飽和水汽壓（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作物灌溉預報版塊

對小麥、水稻、玉米3種作物的灌溉量及灌溉時間進行預報，基于水量平衡原理，根據作物不同生育期的作物系數及各項作物信息，計算出田間水分的收支，并與作物適宜水分上下限進行比較，從而制訂灌溉制度。

1.3圖形顯示版塊

此版塊動態顯示作物適宜水分上下限、時段末土壤含水量、田間耗水量等曲線，對農田水分進行直觀觀測。

1.4歷史查詢版塊

此版塊連接數據庫信息，動態顯示數據庫內容，并能夠適宜添加需要信息及刪除錯誤信息，對所采集計算的數據進行動態管理。

2灌溉預報原理和方法

本灌溉預報系統主要運用水量平衡方程，分析方程中的每個參數，確定灌水量及灌溉時間。

2.1灌溉預報原理

2.1.1 旱作預報原理

本系統主要預報玉米和小麥2種旱作的灌溉情況，以1 m土層儲水量為研究對象，預報其對應作物發育期的水分變化規律。土壤水分平衡公式為：

Wi+1=Wi+P+G-ETC ①

①式中，Wi為時段初土壤含水量，單位為mm；Wi+1為時段末土壤含水量，mm；P為時段內有效降水量，mm；G為時段內地下水補給量，mm；ETc為作物實際蒸散量，mm。

2.1.2 水稻預報原理

本系統默認稻田采用“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算稻田水層深度的變化：

HPi=P+M-D-ETC= HPi+1 ②

②式中，HPi為時段初田面水層深度，mm；HPi+1為時段末田面水層深度，mm；P為時段內有效降雨量，mm；M為時段內灌水量，mm；D為時段內排水量，mm；ETc為時段內作物實際蒸散量，mm。

2.2作物實際蒸散量ETC預報

作物實際蒸散量ETc的預報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，然后乘以相應作物發育期的作物系數Kc，最后得到作物實際蒸散ETc[8]。計算公式如下：

ETC=KC×ETO ③

2.2.1 作物系數Kc的確定

作物系數是計算實際作物需水量的重要參數，它與作物類型、作物群體葉面積、生育期等因素有關，受土壤含水率及作物生長發育狀況等因素影響，求作物系數的方法有單作物系數、雙作物系數和實測法[9]。

2.2.2 計算參考作物蒸散ETo的值

逐日參考作物蒸散量的計算，本系統采用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為濕度計常數，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；U2為離地面2 m處的風速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實際水汽壓，kPa。

根據彭曼公式計算ETo的值需要日照時數、太陽輻射、風速、最高平均氣溫及最低平均氣溫、海拔高度、緯度、最高相對濕度及最低相對濕度等數據，但是由于氣象預報中沒有濕度、太陽輻射、風速和日照時數的數據，因此，本系統中不直接運用此公式預報ETo。

當太陽輻射及日照時數缺測時，Annandale等人提出太陽輻射的關系式如下[11]：

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

⑤式中，Rs為太陽凈短波輻射量，MJ/（m2·d）；Ra為大氣頂部的理論太陽輻射，MJ/（m2·d）；Tmax為日最高氣溫，℃；Tmin為日最低氣溫，℃；KRs為調節系數，℃，內陸地區通常取0.16，沿海地區為0.19；ALT為當地海拔高度，m。

在用彭曼公式計算ETo時，一般用相對濕度計算實際水汽壓ea，而當相對濕度缺測時，可用最低氣溫Tmin近似計算實際水汽壓，計算關系式為：2.5時段內地下水補給量

地下水補給量G，與實際蒸散量ETc、土壤特性及地下水埋深GWD有關，一般根據當地實際資料回歸經驗公式。本文以陜西洛惠渠為例[13]：

G=（B-0.15GWD）·ETC ⑨

⑨式中，ETc為實際蒸散量，mm/d；B為地下水補給系數；GWD為地下水埋深。

2.6灌溉量及灌水日期確定

根據①式，計算第i+1日、第i+2日、第i+3日土壤含水量，以此循環，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，確定循環的次數，即確定灌水日期。

3結論

（1）基于水量平衡原理，利用VisualBasic編程技術及Access數據庫技術，建立了以小麥、水稻、玉米3種作物為預報對象的農田灌溉預報系統，可實現對3種作物的農田灌溉量及灌水時間的準確預報，系統整體功能完善，運行正常。

（2）通過查詢當地天氣預報，并輸入少量常規氣象要素，使用FAO推薦的彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）公式及Annandale等人提出的太陽輻射的計算方法，預測了時段內作物參考蒸散，降低了各項數據采集的難度。

（3）本系統利用Access數據庫技術，對系統所輸入的數據和計算所得數據進行管理，并連接VisualBasic程序，在VisualBasic可視化窗口中動態管理。

（4）實現將時段末土壤含水量、地下水補給量、農田實際蒸散及允許土壤含水量上下限等數據輸出到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測土壤水分狀況。

（5）雖然系統功能完善，并能預報出確切的灌水量和灌溉時間，但在水量平衡原理中，所需要的數據較多，其中一部分數據可根據實測精確得到，而其他一些數據多是來源于歷史數據或通過田間和室內試驗，在數據的統計上有一定的誤差和滯后性，這些誤差將大大影響農田灌溉預報的精準度，還有待進一步研究細化。

參考文獻

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（責任編輯：丁志祥）