基于水勢調(diào)控的農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法

司馬震

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

我國農(nóng)民以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)用水占中水量的90%，主要用于灌溉。因此，需推廣節(jié)約用水理念，實(shí)現(xiàn)灌溉水高效利用[1]。當(dāng)前農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉是通過增加田間水來實(shí)現(xiàn)的，在田間配水過程中，應(yīng)重點(diǎn)推廣灌排節(jié)水增效措施，然而，從節(jié)水角度分析，其關(guān)注對象有明顯規(guī)模效應(yīng)[2]。節(jié)水效益不能簡單地與小規(guī)模節(jié)水效益相疊加，只考慮田間和配水過程中的節(jié)水，忽略了區(qū)域水分轉(zhuǎn)換關(guān)系和灌溉用水的循環(huán)利用[3]。現(xiàn)行灌排規(guī)劃設(shè)計(jì)方法僅考慮了滿足作物生長發(fā)育和排灌標(biāo)準(zhǔn)要求的輸配水量，沒有考慮到生態(tài)服務(wù)功能及其對控制土壤侵蝕環(huán)境價(jià)值[4]。以往采用RS- 485總線通信方式設(shè)計(jì)智能化節(jié)水灌排系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過RS- 485總線及時(shí)與控制中心通信，確定節(jié)水灌排方案，然而使用該方法單純研究的是農(nóng)作物需水量，忽略農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)需水難的問題；使用采用AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)智能化節(jié)水灌排系統(tǒng)，通過AT89S52單片機(jī)分析各個(gè)供水體之間的關(guān)系，雖然以補(bǔ)充水源作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但違背了當(dāng)前農(nóng)田灌排區(qū)域用水實(shí)際問題，導(dǎo)致農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制效果較差。因此，文章提出了基于水勢調(diào)控的農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法，簡化水勢測量步驟，分析以水勢為下限的灌排控制指標(biāo)，采取相應(yīng)節(jié)水增效控制措施，實(shí)驗(yàn)證明具有良好的控制效果。

1 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建與農(nóng)田土壤中可供水量密不可分，模擬農(nóng)田作物對水分影響情況，揭示作物節(jié)水增效機(jī)理[5]。農(nóng)作物產(chǎn)量對水分響應(yīng)可用來分析農(nóng)田農(nóng)作物生育期內(nèi)灌排引起的水分虧缺現(xiàn)象，基于水勢調(diào)控農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制模型為：

(1)

式中，U、Ux—農(nóng)田農(nóng)作物實(shí)際產(chǎn)出量和預(yù)期產(chǎn)出量；ET、ETx—農(nóng)田農(nóng)作物實(shí)際蒸發(fā)和預(yù)期蒸發(fā)水量；Ky—農(nóng)田作物相對降幅與蒸發(fā)降幅比例因子[6]。

基于水勢調(diào)控農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制模型計(jì)算步驟如圖1所示。

圖1 模型計(jì)算步驟

由圖1可知：該模型計(jì)算步驟主要由5部分組成，分別是土壤水分平衡模擬、作物生長模擬、作物蒸騰模擬、地上生物量模擬和作物產(chǎn)量模擬。

(1)土壤水分平衡模擬

將農(nóng)田農(nóng)作物生長底部作為一個(gè)蓄水池，不間斷記錄該蓄水池水量，其中包括實(shí)際降水量、灌排水量、蒸發(fā)量和滲透量[7]。在農(nóng)田農(nóng)作物生長過程中，為了提高整個(gè)生長過程中土壤水分，需將土壤剖面按照1天和12天這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)分割成小片段形式[8]。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)土壤水平衡表達(dá)式為：

θi，j=θi，j-1+Δθi，Δt

(2)

式中，θi，j-1—農(nóng)田前一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)土壤含水量，Δθi，Δt—農(nóng)田該時(shí)間段內(nèi)農(nóng)田水分變化量，公式為：

Δθi，Δt=ΔRt，Δt+ΔDt，Δt+ΔIi，Δt+ΔEi，Δt+ΔTi，Δt

(3)

式中，ΔRt，Δt—時(shí)間土壤層新分配水分；ΔDt，Δt—滲漏水分；ΔIi，Δt—大氣降水；ΔEi，Δt—灌排水；ΔTi，Δt—蒸發(fā)量。

(2)作物生長模擬

植株冠層覆蓋指數(shù)CC是植物冠層對土壤表層的覆蓋程度，不能用葉面積指數(shù)來描述植株的生長狀況。最佳條件下，植物冠層的形成僅以作物系數(shù)來描述，這些系數(shù)是作物生長模擬過程中通過檢索相應(yīng)作物相關(guān)數(shù)據(jù)得到的[9]。為了能夠真實(shí)反映出弄作物實(shí)際生長過程中冠層覆蓋度的變化，可將其表示為冠層覆蓋度的日增量。隨著冠層覆蓋度的增大，作物逐漸進(jìn)入老化階段[10]。冠層覆蓋度的日衰減可用于描述作物生長過程中冠層覆蓋度的變化。充分考慮水分、鹽、礦物質(zhì)成分對冠層生長影響，根據(jù)應(yīng)力類型和程度不同，具體計(jì)算可以通過相應(yīng)系數(shù)來修正植物冠蓋度影響[11- 12]。

(3)作物蒸騰模擬

作物蒸騰模擬表達(dá)式如下所示：

Tr=KsKcbET0=Ks(KcbxCC*)ET0

(4)

式中，ET0—農(nóng)田作物潛在蒸騰；Kcb—蒸騰系數(shù)，其隨著冠層生長情況而發(fā)生改變；CC*—作物冠層覆蓋率；Ks—土壤水分修正系數(shù)，取值范圍在0～1之間，作物在水分脅迫下表現(xiàn)較好。數(shù)值為0時(shí)，作物受到嚴(yán)重水分脅迫，蒸騰被停止。該數(shù)值處于中位時(shí)，表明土壤根區(qū)水分不足，導(dǎo)致氣孔閉合，減少了植被蒸騰。

(4)地上生物量模擬

農(nóng)作物水分生產(chǎn)力可以用單位面積上單位蒸騰積累的土壤干物質(zhì)量來表示，在特定氣候條件下，農(nóng)田作物實(shí)際生產(chǎn)量和實(shí)際消耗水分呈線性關(guān)系，通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)作物水分來模擬地上生物量，并修正在不同氣候情況下農(nóng)作物水分生產(chǎn)力影響結(jié)果。地上生物量模擬模型如下所示：

(5)

式中，Tri—農(nóng)田作物蒸騰量；ETα—參考蒸騰量；Ksb—溫度脅迫系數(shù)。設(shè)溫度應(yīng)力系數(shù)范圍為[0，1]，當(dāng)應(yīng)力系數(shù)為0時(shí)，說明此時(shí)溫度最低，不適合農(nóng)作物生長；當(dāng)應(yīng)力系數(shù)為1時(shí)，說明此時(shí)溫度滿足農(nóng)作物生長，在農(nóng)作物蒸騰作用下可將熱量完全轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物生物量；當(dāng)應(yīng)力系數(shù)在0～1之間時(shí)，說明此時(shí)溫度不能完全適合農(nóng)作物生長，只能將部分熱量轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物生物量。除此之外，在模擬過程中，由于模型受到大氣中二氧化碳濃度及土壤肥力狀況差異等因素影響，作物水分產(chǎn)量應(yīng)根據(jù)具體情況做出實(shí)時(shí)調(diào)整方案。

(5)作物產(chǎn)量模擬

作物產(chǎn)量模擬是由農(nóng)田作物地上生物量轉(zhuǎn)換得到的，以農(nóng)田作物成熟收獲指標(biāo)為參考指標(biāo)，通過調(diào)整水分、溫度脅迫系數(shù)，可確定農(nóng)田作物產(chǎn)量受到降水影響程度。

通過上述5個(gè)步驟，完成水勢調(diào)控，以此為原理，研究農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法。

2 農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法

以土壤水分平衡、作物生長、作物蒸騰、地上生物量和作物產(chǎn)量為指標(biāo)構(gòu)建的基于水勢調(diào)控農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制模型，研究農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法。

2.1 灌排管網(wǎng)布置

在配電網(wǎng)建設(shè)前，應(yīng)根據(jù)地勢選擇合適供電距離，再根據(jù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果與之相連，形成配電網(wǎng)。對于灌排管網(wǎng)布置，采用H型布局方案，解決了地形復(fù)雜，高差大問題。

利用自流固定灌溉排水節(jié)水技術(shù)，對水源沒有特殊要求。采用儲(chǔ)存在雨水窖中的區(qū)域水源，實(shí)現(xiàn)自然滴水產(chǎn)生重力，實(shí)現(xiàn)自流半固定節(jié)水灌溉排水。自流式半固定式節(jié)水灌溉排水技術(shù)不需要額外動(dòng)力，而是利用水源自然重力式滴灌來實(shí)現(xiàn)灌溉排水，使固體、液體和空氣留在土壤中。相對于傳統(tǒng)的地面灌水和噴灌，采用H型布局方案能夠降低害蟲威脅，提高農(nóng)田作物抗逆性，防止土壤侵蝕。H型布局方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 H形布置示意圖

為使農(nóng)田作物能夠均勻地澆水，H型布局中的各個(gè)龍頭之間間隔應(yīng)設(shè)置30m。

2.2 智能化灌排節(jié)水增效流程設(shè)計(jì)

灌排節(jié)水增效流程設(shè)計(jì)是研究的核心內(nèi)容，主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)田作物抽水灌溉和節(jié)水排灌。在研究農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制流程之前，應(yīng)先確定灌排節(jié)水增效各個(gè)模塊的連接情況。

圖3 節(jié)水灌排模塊各個(gè)硬件連接示意圖

如圖3所示，采用電磁閥抽水，可避免增加蓄水池的麻煩。在主管道上設(shè)置5個(gè)閘門，根據(jù)灌排面積，閘門有3個(gè)連接口，1個(gè)入口，2個(gè)出口，其作用是將主管道排入細(xì)管，實(shí)現(xiàn)灌溉、排水均勻?；诖耍O(shè)計(jì)農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制流程設(shè)計(jì)如下：

step1：參數(shù)初始化；

step2：監(jiān)測各個(gè)硬件采集到的數(shù)據(jù)；

step3：分析監(jiān)測結(jié)果，并確定土壤濕度平均值，如果該土壤濕度平均值符合實(shí)際農(nóng)田灌排節(jié)水增效需求，則需利用電磁閥，開始抽水灌溉。否則，返回到step2；

step4：抽水灌溉后，查看土壤濕度是否達(dá)到上限閾值，如果達(dá)到，則停止灌溉。否則，繼續(xù)抽水灌溉；

圖8所示為鈦渣原料、直接酸浸鈦渣和經(jīng)蘇打焙燒—酸浸后的鈦渣中各雜質(zhì)含量的對比。對比分析表1和表3中數(shù)據(jù)可知, 直接酸浸鈦渣僅能除去近50%的雜質(zhì)，得到的產(chǎn)品雜質(zhì)含量還很高，無法用于氯化法鈦白和海綿鈦的生產(chǎn)。鈦渣經(jīng)蘇打焙燒后，酸浸產(chǎn)物的TiO2含量比鈦渣直接酸浸時(shí)又提高了近12%, Ca、Mg、Fe、Al、Si、Mn等雜質(zhì)的浸出都有大幅度的提高,其中Fe、Mg的浸出效果最為明顯。這說明蘇打焙燒能有效解決黑鈦石型富鈦料雜質(zhì)難除的重大難題。

step5：抽水灌溉完成后，開始排水，由此完成農(nóng)田灌排節(jié)水控制。

2.3 灌排節(jié)水增效控制

為了提高灌排節(jié)水效率，需控制灌排節(jié)水時(shí)間。在灌排節(jié)水過程中，灌排節(jié)水的運(yùn)行時(shí)間與供水量及用水效率成反比；即增加供水量或提高輸水效率，可有效減少灌溉、排水用水量。毛細(xì)直徑較小，給水管的水頭和局部水頭損失較大；針對這一問題，根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和灌排節(jié)水機(jī)理，采用更大直徑、更大流量的灌排措施，可有效縮短灌排時(shí)間，計(jì)算公式為：

(6)

式中，E—灌排區(qū)所用灌排水量；qi—灌水容器存儲(chǔ)水流量；L—灌排輸水管路總長度；a—灌排輸水管水流速度。根據(jù)該公式可確定灌排水所需時(shí)間和整個(gè)灌排過程，該灌排過程是以自流方式實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)該研究內(nèi)容，可有效提高灌排節(jié)水增效控制效率。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于水勢調(diào)控的農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法合理性，以新疆滴灌棉田為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)農(nóng)田灌排管道水壓大小、坡度、土壤類型，分析坡度阻力等級、土壤阻力等級和土地利用類型阻力等級，見表1—3。

表1 坡度阻力等級

表2 土壤阻力等級

表3 土地利用類型阻力等級

3.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)確定

在表1—3數(shù)據(jù)支持下，選擇阻力等級為3級30°～45°的坡度、漠土土質(zhì)和草地土地利用類型種植棉花，在對棉花灌排節(jié)水增效控制過程中，需調(diào)節(jié)整個(gè)控制時(shí)間，如圖4所示。

圖4 灌排節(jié)水增效時(shí)間控制

由圖4可知，在反應(yīng)階段，農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制處于反應(yīng)階段，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.2s；在啟動(dòng)階段，農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制處于啟動(dòng)階段，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.6s；在運(yùn)行階段，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4s；在中斷階段，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4s。

在這四個(gè)階段，分別使用RS- 485總線通信方式、采用AT89S52單片機(jī)、基于水勢調(diào)控控制方法觀察棉花作物葉片水勢，并以此為依據(jù)，對比分析三種方法節(jié)水增效控制效果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在不同方法下，棉花作物葉片水勢變化如圖5所示。

圖5(a)在反應(yīng)階段，所有方法棉花葉片水勢都呈下降趨勢，其中使用RS- 485總線通信方式棉花水勢在時(shí)間為0.20s時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)值相差最大；使用AT89S52單片機(jī)方法棉花水勢也在時(shí)間為0.20s時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)值相差最大；使用基于水勢調(diào)控控制方式與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，僅在時(shí)間為0.15s時(shí)出現(xiàn)偏差，但不影響整體變化趨勢。

圖5(b)在啟動(dòng)階段，所有方法棉花葉片水勢變化不具有規(guī)律性，使用基于水勢調(diào)控控制方式與標(biāo)準(zhǔn)值變化趨勢基本重合，呈下降-上升趨勢；使用RS- 485總線通信方式棉花水勢呈下降-上升-下降-上升趨勢；使用AT89S52單片機(jī)方法棉花水勢呈下降-上升趨勢，但變化趨勢拐點(diǎn)在時(shí)間為0.60s處，與實(shí)際0.30s拐點(diǎn)時(shí)間不一致。

圖5(c)在運(yùn)行階段，所有方法棉花葉片水勢都呈下降-上升-下降-上升趨勢，使用RS- 485總線通信方式棉花水勢在4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水勢與標(biāo)準(zhǔn)值都不一致，尤其在時(shí)間為1.10s時(shí)，區(qū)別更為明顯；使用AT89S52單片機(jī)方法棉花水勢在4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水勢與標(biāo)準(zhǔn)值都不一致，尤其在時(shí)間為1.20時(shí)，區(qū)別更為明顯；使用基于水勢調(diào)控控制方式與標(biāo)準(zhǔn)值變化趨勢一致。

圖5(d)在中斷階段，使用RS- 485總線通信方式棉花水勢在時(shí)間為1.30s、1.50s與標(biāo)準(zhǔn)值相差最大；使用AT89S52單片機(jī)方法棉花水勢在時(shí)間為1.60 s與標(biāo)準(zhǔn)值相差最大；使用基于水勢調(diào)控控制方式與標(biāo)準(zhǔn)值變化趨勢一致。

通過分析棉花水勢可確定四個(gè)階段所需灌排時(shí)間，為了進(jìn)一步分析三種方法節(jié)水增效控制效率，再次將三種方法進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表4。

圖5 不同方法下棉花作物葉片水勢變化

表4 三種方法節(jié)水增效控制效率對比分析

由表4可知：使用水勢調(diào)控控制方法節(jié)水增效控制效率要比RS- 485總線通信方式、AT89S52單片機(jī)方法要高，由此可知使用水勢調(diào)控控制方法控制效率較高。

4 結(jié)語

從節(jié)水增效角度出發(fā)，布設(shè)灌排管網(wǎng)，設(shè)計(jì)灌排節(jié)水增效時(shí)間控制方案，由實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果可知，使用該方法棉花作物葉片水勢變化與標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢一致，改善了傳統(tǒng)方法存在的弊端，保證農(nóng)田作物在擁有充足產(chǎn)量的前提下獲取良好節(jié)水增效效益。

由于資料以及研究時(shí)間受到限制，研究方法還有待改進(jìn)，當(dāng)前農(nóng)田土壤動(dòng)物群落豐富度評判標(biāo)準(zhǔn)還未被提出，因此，確定的農(nóng)田用水量還有待進(jìn)一步分析。