基于節水灌溉技術智能化管理系統的作物需水模型分析研究

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、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。

在農業灌溉的水源管理中，往往注重供水管理，在灌溉利用效率，節水保水措施方面較為薄弱。面對上述問題，結合可持續發展理念，我國出臺了水資源應用、開發管理等相關政策，堅持節約、高效、環保等觀念，并加強對農民節水教育與普及，做好節水宣傳，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]。

近年來農業灌溉中許多新興節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，在現代化技術普及率低的灌區，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。建立了一種節水灌溉智能化管理系統，通過對作物需水量的觀察與統計，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，根據現場數據以及灌溉模型，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，實現精準灌溉。通過該系統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，是有效的節水減漏措施[2～3]。

2 作物需水模型的建立

2.1 以水面蒸發為參數的需水系數法

氣象因素是影響作物需水量的主要因素，而當地的水面蒸發又是各種氣象因素綜合影響的結果。因騰發量與水面蒸發都是水汽擴散，因此可以用水面蒸發這一參數估算作物需水量，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同時段的水面蒸發量，以水層深度計（mm），E0一般采用80 cm 口徑蒸發皿的蒸發值，若用20 cm 口徑蒸發皿，則E80=0.8E20；

α——各時段的需水系數，即同時期需水量與水面蒸發量之比值，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。由于“α 值法”只需要水面蒸發量資料，所以該法在我國水稻地區曾被廣泛采用。在水稻地區，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，因其騰發量還與土壤水分有密切關系，所以此法不太適宜。

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

利用需水系數值α 根據式（1）可求得生育期的作物需水量綜合，根據地區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。根據生育階段天數的不同，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，統計灌區的降雨入滲量可根據降雨量與次降雨的有效利用系數求得。即以連續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 雙季稻水肥耦合節水灌溉技術智能化管理系統對區域進行用水分析研究

3.1 雙季稻水肥耦合節水灌溉技術智能化管理系統設計

帶有實時需水模型的雙季稻水肥耦合節水灌溉技術智能化管理系統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，此方法配合系統中的各個計量模塊測得的實時參數，并連接大數據云平臺，對天氣進行預測，在進、排水時將一定時間內蒸發量與降雨量計算到需水模型中，使控水閘門的開關次數達到最優化，很大程度上減少了水資源的浪費。此方法的優點是簡單方便實施，只需對田間水位進行實施監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、進出口水量以及現場圖像監測，根據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，建立現地數據監測站以實現田間水位、雨量、進出水量、土壤含水量、圖像監測，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，設置數據接收軟件、搭建農田節水灌溉模型及數據信息分析庫、建立數據顯示和控制平臺。

現地數據監測站主要負責監測每天的降雨量、田間水位、田間含水量、灌溉或排水時的起止讀數、現場圖片信息，并將監測到的數據無線傳輸至觀測控制信息平臺。

利用總控云平臺發送數據至現地監測站，可查詢當前田間水位、累計雨量、進出水閥門狀態、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具有以下幾點功能：①智能采集，系統可實時監測每天的降雨量、田間水位、田間含水量、灌溉或排水時田間進、排水量、現場視頻信息，并將實時數據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，系統自帶需水模型，也可根據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。總控云平臺具有以下幾點功能：①片區多點實時監測與調控功能。②具有深度學習灌溉模型的大數據庫。③單或多站點作物灌溉量的日、月、季、年總結。④基于片區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水灌溉技術智能化管理系統的需水模型建立

因作物需水量與灌溉利用系數的影響因子較多，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 雙季稻水肥耦合節水灌溉智能化管理系統組成圖

圖2 雙季稻水肥耦合節水灌溉智能化管理系統工作流程圖

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）采集數據樣本。將我國南方某市的標準試驗田作為采集區域，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據作為樣本，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據集進行優化，注：在多組數據情況下建議采用均值濾波去噪、中值濾波去噪，在數據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變化的非線性函數模型并不滿足于高斯分布模型[8]。

由數據分析可以看出，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），經對比發現，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現，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，發現濾波核在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

雙季稻水肥耦合節水灌溉技術智能化管理系統可有效地利用水資源，可根據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。

雙季稻水肥耦合節水灌溉技術智能化管理系統，充分發掘水源工程的水資源利用，提高水源工程監控、水資源優化調度和水行政管理的整體科技水平，促進水利管理業務的現代化，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。