設施農業雨水集蓄利用與番茄灌溉方案優化

吳 晨，李發文，馮 平，劉春來，王現領

設施農業雨水集蓄利用與番茄灌溉方案優化

吳 晨1，李發文1※，馮 平1，劉春來2，王現領2

（1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2. 天津市水利科學研究院，天津 300061）

為充分利用雨水資源，提高設施農業灌溉用水效率，該研究對雨水蓄水池容積和大棚番茄灌溉方案進行了優化。以天津市武清區一設施農業小區為研究區，根據2020年6個場次降雨，對蓄水池集雨情況進行分析，基于AquaCrop模型優化大棚番茄灌溉方案，最終設置3種集雨灌溉情景，采用水量平衡法，分別繪制不同情景的豐、平、枯水年雨水集蓄系統的評價指標變化曲線，綜合分析其變化特征并確定雨水蓄水池最優容積。結果表明：研究區已建蓄水池集雨率約為57%，有較大改進空間；番茄優化灌溉方案與實際灌溉方案相比，在產量僅減少5.5%的情況下，可節省水量23.6 m3，水分利用效率和灌溉利用效率分別提高7.2%和39%，說明優化方案在保證作物產量的同時可有效節水；實際集雨率和實際灌溉情景下，雨水蓄水池的最佳容積平均值為362 m3，在優化灌溉方案和提高雨水收集設施集雨率后，容積平均值分別為298和288 m3，說明節水灌溉和提高雨水蓄水池集雨率等措施，對雨水蓄水池容積優化和提高復用率具有顯著影響。該研究可為指導農業雨水集蓄利用工程建設、促進非常規水利用的推廣、保障農業可持續發展提供參考。

灌溉；排水；雨水集蓄利用；水量平衡原理；雨水截留率；地下水替代率；供水保證率

0 引 言

中國是一個水資源短缺的國家，人均占有水資源量不足世界人均水平的1/3。其中，農業用水量占全國總用水量的比例從20世紀80年代的80%降到70%左右，但仍然是用水大戶，農業用水供需矛盾依舊突出。隨著農業種植和灌溉技術的發展，特別是設施農業的出現，一方面滿足了城市對果蔬種植的需求，另一方面也加大了農業用水，因此，“開源節流”是設施農業的必經之路[1-2]。

缺水地區長期依靠超采地下水進行灌溉，而受當前地下水壓采、限采政策影響[3-4]，使得農業用水供需矛盾進一步加劇，嚴重制約了現代農業的快速發展。隨著雨水集蓄[5]和節水灌溉理論技術的不斷成熟與完善[6-7]，農業雨水集蓄利用技術被廣泛推廣和應用。集雨蓄水工程蓄水池容積計算與設計是雨水集蓄利用工程設計的重要內容[8-9]。目前，國內外已進行較多的集雨工程設計及容積計算方法研究。其中水量平衡法和容積系數法是國內常用的2種方法。《雨水集蓄利用工程技術規范》[10]給出了年均降雨量為500～800 mm地區適用于溫室、大棚灌溉蓄水池容積計算的容積系數為0.4～0.5。季文華等[11]認為這種確定蓄水工程規模的方法能夠在較大程度上保證農業用水，但只考慮了年降水量，而沒有充分考慮降水或者雨水利用的年內分布，容易使得雨水存貯設施重復利用率不高，導致工程效益不足。陳喜靖等[12]提出集雨容積模數用以描述雨水收集能力與收集程度，按集雨計劃確定容積模數，反推設計集雨池容積。水量平衡模型則可以模擬時空尺度上的降水和蓄水的動態變化，并且可以考慮不確定性[13-14]。國內外眾多學者對城市和農業雨水蓄水池容積的優化進行了研究。牛文全[15]根據水量平衡原理，計算各時段的水量盈缺狀況并進行調蓄計算，確定出人畜飲水工程和農田補灌工程中雨水集蓄設施經濟容積的計算方法。已有學者[16-17]基于逐日水量平衡模型，根據不同城市用水模式和長期日降水量確定雨水箱的大小。井雪兒等[18]基于北京市29 a的日降雨資料，采用連續模擬法，分別繪制3種用水情景下雨水收集利用工程的雨水截留率、自來水替代率、供水保證率以及效益費用比變化曲線，綜合分析曲線的變化特征確定出雨水蓄水池最佳設計容積。

然而，大部分研究是對雨水蓄水池容積的單一設計，而農業雨水集蓄利用（Rainwater Harvesting for Irrigation, RWHI）[19]的系統研究相對較少，尤其是結合設施農業節水灌溉的優化理論研究相對不足。目前，關于城市的雨水集蓄利用系統（Rainwater Harvesting, RWH）[20-24]已較為成熟，可作為參考。針對以上問題，本文基于水量平衡原理，根據雨水集蓄利用工程集雨、大棚作物節水灌溉和雨水蓄水池容積優化3部分，建立設施農業雨水集蓄利用系統，并給出研究區內不同典型年不同種植模式下的最佳蓄水池容積，以期為現代農業的非常規水資源利用和節水灌溉提供參考。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域

研究區位于天津市武清區天津農業科學院，是一處設施農業封閉小區，地處北緯39°25′38″，東經116°57′17″，總面積為6.251萬m2。屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，年平均降水量550～600 mm，降水日數63～70 d，6—8月降水量約占全年75%，年均日照時數2 471～2 769 h。

1.2 雨水集蓄利用系統

研究區總面積為6.251萬m2，透水區占比41%，不透水區包括大棚區、智能溫室區、渠道和道路，占比59%。其中，長、寬分別為65 和10 m的7座大棚所在區域為集雨試驗區，集雨面為大棚棚面，面積為4 550 m2。目前，集雨試驗區已建雨水蓄水池容積為200 m3。

如圖1所示，雨水集蓄利用系統包括雨水收集設施、雨水蓄水池和大棚作物雨水灌溉3部分。首先通過大棚側邊修建的集雨槽收集7座大棚棚面雨水，經雨水運輸渠道匯入雨水蓄水池儲存，最后根據灌溉制度用于設施農業作物灌溉。

圖1 設施農業雨水集蓄利用系統

1.3 數據來源

研究區實測數據包括：降水數據、土壤含水率數據、雨水收集數據及大棚番茄生長發育及灌水量數據。

1）2019—2020年逐日日照時數和1989年1月至2020年10月天津站逐日降雨量，由中國氣象數據網提供。

2）2020年7、8月份6場蓄水池集雨量數據，由研究區集雨試驗區雨水集蓄工程采集得到。

3）大棚內日最高、最低氣溫、日相對平均濕度、番茄生長發育、種植管理和產量數據由天津市農業科學院蔬菜研究所提供。

2 研究方法

參考RWH系統及農業雨水利用相關研究成果[19]，該研究建立的設施農業雨水集蓄利用系統在優化設計過程中需要計算3部分數據。

1）集雨量。收集場次降雨蓄水池集雨數據，確定雨水收集設施的集雨率。

2）需水量。設施農業作物正常生長發育所需灌溉水量即為系統的需水量，可通過文獻、記錄作物灌溉數據或計算作物需水量等途徑獲得。

3）雨水蓄水池容積。基于水量平衡模型，考慮每個時間步長的輸入量（集雨量）和輸出量（需水量），計算合適的雨水蓄水池容積。

2.1 集雨量計算

對于封閉式的雨水蓄水池，可用下式計算蓄水池可收集雨量。

式中為蓄水池可收集雨量，m3；為降水量，mm；為初期雨水棄流量，mm；為雨水收集設施的集雨率，%；為集雨區匯水面積，m2。

2.2 設施農業作物灌溉方案優化

2.2.1 AquaCrop模型

AquaCrop是由世界糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）研究提出的用于模擬作物產量對水分響應的模型。與其他模型相比，AquaCrop具有輸入參數少、精度高、適用范圍廣和界面簡單等優點。Raes等[25]報道了AquaCrop的結構細節和算法（圖2）。與許多其他作物生長模型類似，AquaCrop進一步開發了子模塊，包括氣象、土壤、作物和管理4部分。不同的是，該模型考慮了水分對植物生長的限制并通過3種水分脅迫反應模擬樹冠擴張速率、氣孔關閉和衰老加速。

注：Ks表示水分脅迫系數；WP表示水分生產系數；HI表示收獲指數。1表示Ks對葉片擴張的影響；2表示Ks對氣孔導度的影響；3表示Ks對作物衰老的影響；4表示Ks對WP的影響；5表示Ks對HI的影響。

在輸入該模型的氣象數據中，參考作物蒸散量（ET0）是確定作物需水量的重要依據。設施農業參考作物蒸散量（ET0）的計算與大田作物有所區別。通常，溫室大棚中空氣不流通，風速可近似為零。然而風速為零時，會導致Penman-Monteith（P-M）公式中的空氣動力學項為零，與實際不符。為避免這樣的情況，常引入空氣動力學項阻抗進行修正，并采用Thom等[27]提出的公式計算空氣動力學項阻抗，對P-M公式進行改進。

本文基于改進的P-M公式計算設施農業參考作物蒸散發量，大量研究表明修正后的P-M公式適用于估算大棚參考作物需水量[28-30]，

式中ET0為參考作物蒸散發，mm；n為凈太陽輻射，MJ/(m2·d)；為土壤通量，MJ/(m2·d)；為日均平均氣溫，℃；d為飽和水汽壓，kPa；a為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；為濕度計常數，kPa/℃。

2.2.2 灌溉方案優化評價

在實踐中，通常使用土壤水分下限來啟動灌溉的時間，最常用的下限為允許土壤水分耗竭而不給植物造成壓力，上限值通常用于防止根區過度排水。該研究利用AquaCrop作物模型來模擬不同灌溉方案下的作物生長發育，利用3個評價指標綜合分析。評價指標分別為以實際產量為準的產量變化率（Yield Change Rate, YCR）、水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）和灌溉利用效率（Irrigation Efficiency, IE）來評價灌溉方案的優劣。

式中YCR為以實際產量為準的產量變化率，%；為a為作物產量觀測值，t/hm2；s為作物產量模擬值，t/hm2。

式中WUE為水分利用效率，kg/m3；為作物產量，t/hm2；ETc為作物蒸散發，mm。

式中IE為灌溉利用效率，kg/m3；為灌溉量，mm。

2.3 蓄水池容積優化

雨水蓄水池一般為全封閉式，蒸發和滲漏損失微小，可忽略不計。目前，集雨水量平衡確定雨水蓄水池容積的方法中，“供水優先”（Yield Before Spillage, YBS）和“集雨優先”（Yield After Spillage, YAS）是使用最廣泛的2種方法[16]。在該研究中，大棚作物灌溉時間一般在上午8時至9時，大部分時間蓄水池先“供水（灌溉）”，后“集雨”，因此，YBS法更適用于這項研究。雨水蓄水池的供需水量平衡方程可表示為

式中C為模擬的第個蓄水池的容積，m3；S-1,j，S,j分別為第個蓄水池第個月初、末的蓄水池儲水量，m3；Y,j，Q,j分別為第個蓄水池和個月的供水量和蓄水池收集到的雨量，m3；D，W分別為時刻的需水量和蓄水池可收集雨量，m3。

該研究使用雨水截留率、地下水替代率和供水保證率3個評價指標來評估模型運行性能和蓄水池容積的合理性，指標數值范圍均為0～1。

雨水截留率RC,j是在一定時期內雨水蓄水池收集到的雨量占匯水區蓄水池可收集雨量的比值。該指標是衡量雨水集蓄利用工程收集雨水能力、緩解匯水區內澇問題功效的重要指標之一。

式中為計算期內的總月數；Q,j為第個蓄水池第個月蓄水池收集到的雨量，m3。

地下水替代率GW,j是在一定時期內蓄水池提供的總雨量與該時期內的總需水量的比值。該指標是衡量雨水集蓄利用工程替代地下水、緩解水資源短缺問題功效的重要指標。

式中D為第個月的需水量，m3。

供水保證率g是在一定時期內雨水集蓄利用系統在時間上能夠充分滿足研究區需水量的概率。該指標是評估雨水集蓄利用工程供水能力和可靠率的重要指標。

式中為蓄水池蓄水量無法完全滿足需水量的時間，月。

綜上所述，蓄水池容積優化目標為地下水替代率最大和供水保證率最高。優化過程中考慮的約束條件包括：1）水量平衡約束；2）蓄水池容積約束；3）供水約束。因此，優化模型描述如下：

在所有蓄水池容積方案中，選擇目標函數最大值對應的容積作為最優蓄水池容積。

具體計算流程見圖3。根據以下步驟進行容積優化。

1）給定蓄水池儲水量初始值S和蓄水池模擬容積C，根據大棚作物需水量D和棚面集雨確定當前時刻作物需水量和蓄水池可收集雨量W，根據式（6）計算雨水蓄水池供水量Y。

2）當W小于蓄水池余留容積時，由式（7）得時刻末即下一時刻初的雨水蓄水池儲水量S,j=S-1,j+W-Y,j，否則產生溢流，S,j=C。

3）由式（8）得到蓄水池收集到的雨量Q,j。

4）循環步驟1）、2）、3）。

5）時間序列循環結束后，由式（9）～（12）得到蓄水池容積為C時的評價指標值和目標函數值。

6）重復以上步驟，當雨水蓄水池容積增加使得目標函數數值僅增加1%或更小時，則認為此時已經達到最優雨水蓄水池容積。

注：S0為蓄水池初始儲水量，m3；Cj為模擬的第j個蓄水池的容積，m3；Yi,j，Qi,j分別為第j個蓄水池第i個月的供水量和蓄水池收集到的雨量，m3；Si-1,j，Si,j分別為第j個蓄水池第i個月初、末的蓄水池儲水量，m3；Di，Wi分別為需水量和蓄水池可收集雨量，m3；λGW,j，λGW,j-1分別為模擬第j、j-1個蓄水池容積時的地下水替代率，%；gj，gj-1分別為模擬第j、j-1個蓄水池容積時的供水保證率，%。

3 實例分析

3.1 降水典型年集雨量

集雨試驗區收集到2020年6場次降雨和蓄水池集雨數據，并根據式（1）計算得到棚面產流量，蓄水池實測集雨量與產流量相比得到雨水收集設施的集雨率（表1）。確定雨水收集設施集雨率后，將天津市年降雨量進行頻率計算，選用水文頻率分布線型為Pearson-III型曲線，采用適線法將資料序列（1989—2020年）劃分成不同典型年。選取降水保證率25%、50%、75%對應的降雨量值作為典型豐、平、枯水年的設計值。選取與設計值相等或接近的年份作為代表年，利用同倍比法對代表年日降雨過程進行縮放，得到不同典型年設計降雨年內分配。由公式（1）得到蓄水池逐日可收集雨量，按月累加得到各月W，作為雨水蓄水池容積優化模型的輸入。

表1 研究區集雨信息

3.2 番茄灌溉優化方案設置

3.2.1 AquaCrop模型的構建

天津市常見設施農業種植作物有蔬菜和水果，一年一茬到一年四茬不等。該研究以2019年9月至2020年2月為研究時間序列，以1日為步長，對大棚番茄進行建模。在模型的初始操作界面，依次輸入氣象數據、作物數據、土壤數據以及管理數據，并建立相應的數據庫。

1）氣象數據

模型需要輸入的氣象數據包括：日最高溫度、日最低溫度、日照時數、平均相對空氣濕度、大氣CO2濃度和參考作物蒸散量（ET0）。CO2濃度采用模型默認的數據——Maunaloa.CO2，其余氣象數據由武清區天津農業科學研究院提供。調整FAO研發的ET0計算器參數，可使其計算公式與估算大棚參考作物需水量的式（2）一致，最終計算得到大棚參考作物蒸散量（ET0），建立氣象數據庫.CLI。

2）作物數據

查閱有關大棚內番茄生育期的相關文獻，結合研究區作物生長實際情況以及FAO推薦的作物參數，確定作物的生育期、種植密度、最大有效根深、收獲指數等參數，建立模型作物數據庫.CRO。研究區大棚番茄為 土壤栽培，每年夏季（7—8月）悶棚消毒，定植后覆蓋黑色地膜，畝定植1 300株，生育期各階段信息如表2所示。

3）土壤數據

根據FAO和維也納國際應用系統研究所（International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA）所構建的世界土壤數據庫（Harmonized World Soil Database, HWSD）確定研究區的土壤類型為壤土，土層厚度為40 cm，容重為1.41 g/cm3，田間持水量、飽和含水量和凋萎系數分別為26.8%、43.9%和13.3%，飽和水力傳導系數190 mm/d。建立土壤參數數據庫文件.SOL。

表2 大棚番茄生育期

4）管理參數數據

管理數據主要包括灌溉數據和田間管理數據兩部分。灌溉數據包括灌溉方式、灌溉時間和灌溉定額，灌溉方式包括溝灌、漫灌、滴灌等。耕作措施參數設置為：施肥水平無限制且灌溉不產生地表徑流，其中滴灌具有蒸發損失小，不產生地表徑流的特點，加蓋地膜后可進一步減小蒸發，且滴灌在番茄的大棚種植中已有較好的應用。武清研究區大棚番茄灌溉情況為平均6 d澆一次水，總計灌溉19次，單次灌溉量約4 m3，總計灌溉量 74 m3。根據田間實際措施建立管理參數數據庫文件.MAN。

5）地下水與土壤初始條件

研究區的地下水埋深較淺，平均地下水位為3.5 m。土壤初始條件保持不變。模型運行的初始條件包含土壤層數、土壤層厚度以及各層初始含水量。

3.2.2 模型參數驗證

由于驗證數據較少，因此不再進行參數率定，參考FAO提供的作物參數的參考范圍值，參考文獻[31]及番茄實際生長情況，確定AquaCrop模型參數。主要參數有單株苗初始冠層覆蓋面積為5.8 cm2/株，最大冠層覆蓋度為75%，冠層增長系數為0.007 5%，冠層衰減系數為0.004%，標準化的水分生產效率為18 g/m2，最大有效根深為1 m，參考收獲系數為50%。

對2019年9月至2020年2月的秋冬茬大棚番茄產量進行驗證，以評估模型的適用性。選擇相對誤差（Relative Error, RE）來評估模擬效果，計算公式如下：

RE=|–|/（13）

式中和分別是產量的觀測值和模擬值，t；RE描述產量模擬值的精準度，相對誤差在±20%以內，認為模型能夠較好地模擬作物的生長狀況。

3.2.3 番茄灌溉方案設置

設置3種灌溉總量，分別為W1（50%的作物需水量）、W2（75%的作物需水量）和W3（100%的作物需水量）。設置2種單次灌溉量，分別為I1（單次10 mm/m2）、I2（單次5 mm/m2）。兩兩組合共有6種灌溉方案，并與研究區實際灌溉方案進行對比，如表3所示。

表3 大棚番茄灌溉方案

3.3 集雨灌溉情景設置

圍繞“開源節流”的思想，模擬3種集雨灌溉情景，優化各情景不同典型年的最佳蓄水池容積。首先以實際情況為例設置情景1，集雨率為57%，大棚番茄實施實際灌溉方案；接下來模擬節水灌溉方案對蓄水池容積的影響，設置情景2，集雨率為57%，大棚番茄實施優化后的灌溉方案；最終，模擬提高雨水收集設施集雨率和節水灌溉后對蓄水池容積的影響，設置情景3，集雨率為80%，大棚番茄實施優化后的灌溉方案。詳見圖4。

圖4 集雨灌溉情景

根據3.1介紹的計算步驟，得到各情景的逐月W。基于逐月水量平衡原理，采用蓄水池容積優化模型估算各情景豐、平、枯水年的評價指標，分析其隨蓄水池容積改變而變化的特征，確定不同典型年蓄水池最佳容積。

4 結果與分析

4.1 集雨率與降水量分析

由研究區集雨試驗數據可知，雨水集蓄利用工程平均集雨率約為57%（表1）。集雨率較低主要存在以下2方面原因：1）雨滴降落到棚面時存在一定的濺落現象，導致部分棚面產流無法進入集雨溝渠；2）集雨設施的集雨渠道存在滲漏和填洼情況。《雨水集蓄利用工程技術規范》[10]中關于降雨量500～1 000 mm地區裸露塑膜集流效率推薦值為85%～92%。楊封科[32]利用1996—1998年連續監測不同集水面積上不同降雨量下的集水率在84.4%～93.6%之間，平均為88.06%。因此，本研究區雨水集蓄設施有很大改進空間。

經年降水量頻率計算得到，天津市31a平均年降雨量為514.36 mm，典型豐、平、枯水年的設計值分別為574.62、501.11、439.71 mm。選與設計值相等或接近的年份2016、1996、2002年分別作為豐、平、枯代表年。

不同典型年不僅在降雨量上差別較大，且降雨天數及日降雨量也有較大差別。其中，豐水年存在一場特大暴雨，24 h降雨量達200 mm，大雨及中雨場次較多且降雨量高。平水年有2場暴雨，中雨及大雨場次較多，降雨量比豐水年稍低。枯水年沒有暴雨及以上降雨，雖中雨和大雨場次和豐、平水年相當，但是場次降雨量較低。根據圖5分析不同典型年雨量等級占比發現，由于豐水年降雨天數多，因此中雨及大雨相對歷時比平水年和枯水年低，但是日降雨量高且降雨總天數長，使得年降雨量較高。總的來說，豐平枯水年均是小雨占比較高，均在70%以上，因此無效降雨較多，導致產流量較少。

4.2 番茄灌溉方案優化分析

構建AquaCrop模型后，模擬得到大棚番茄產量模擬值為8.18 t/hm2，實測值為8.21 t/hm2。結果表明，產量的相對誤差為0.4%。因此模型經過本地化確定的參數適用于模擬研究區大棚番茄的生長發育狀況。

由結果（表4）可知，方案I1W1和I1W2番茄產量與實際產量相比分別降低了16.9%和5.5%，雖然I1W2的灌溉利用效率較低，但是水分利用效率與I1W1相當。 方案I1W3的番茄產量雖沒有減少，但是水分利用效率相對I1W1和I1W2分別降低了5.8%和5.1%，灌溉利用效率降低39.8%和23.1%。綜上所述，大棚番茄產量由大到小灌溉方案排序為：I1W3等于I2W3、I1W2、I2W2、I1W1、I2W1；水分利用效率排序為：I1W1、I1W2、I2W2、I2W1、I1W3、I2W3；灌溉利用效率排序為：I1W1、I2W1、I1W2、I2W2、I1W3、I2W3。可以看出方案I1W2綜合表現較好。I1W2與實際方案相比，在產量僅僅減少5.5.%的情況下，可節省水量23.6 m3，水分利用效率和灌溉利用效率分別提高7.2%和39%。因此選定為大棚番茄節水灌溉方案。

圖5 豐、平、枯水年降雨相對歷時曲線

表4 灌溉方案評價結果

4.3 不同情景下最佳蓄水池容積分析

3種情景下豐、平、枯水年不同蓄水池容積下的雨水截留率、地下水替代率和供水保證率變化曲線（圖6）顯示，不同典型年雨水截留率、地下水替代率和供水保證率均隨蓄水池容積的增加而升高，在容積到達某值后，地下水替代率和供水保證率不再變化。3種情景地下水替代率和供水保證率均可達到100%，說明各情景的雨水池蓄水量均可滿足棚內作物的灌溉用水量。然而，雨水截留率較低，在最佳蓄水池容積時沒有達到100%，說明可收集雨量沒有得到充分利用，棚面集雨棄雨量較多。相較于豐水年和平水年，枯水年降水量少，地下水替代率和供水保證率曲線達到最大值時，所需蓄水池容積更大。在地下水替代率和供水保證率不再變化的節點，豐、平、枯水年雨水截留率數值則依次升高。這說明，降水量越少，雨水蓄水池越大，棄流量則越小，相對來說對雨水資源的利用率更高。

研究區雨水集蓄利用試驗區已建雨水池總容積為200 m3，各大棚按現有灌溉制度種植番茄。表5顯示，已建雨水蓄水池不同典型年供水總量均值為356.3 m3，雨水截留率、地下水替代率和供水保證率分別為35.78%、68.78%和65.48%，說明蓄水池容積較小，沒有充分收集并利用可收集雨量。現有蓄水池供水量替代地下水量較少，對節約與保護地下水資源貢獻較小，且保證大棚番茄灌溉用水量程度低。由圖6可知，情景1地下水替代率和供水保證率可達100%，表明雨水資源豐富且可供應7所大棚灌溉用水。綜上所述，改進現有雨水集蓄利用工程是必要的。

圖6 3種情景不同典型年下雨水蓄水池評價指標隨蓄水池容積變化曲線

表5 已建雨水蓄水池評價指標計算結果

表6顯示，各情景下豐、平、枯水年供水總量均大于蓄水池容積，說明蓄水池復用率較高，與容積系數法所求容積相比，節省了容積。相比已建蓄水池容積，情景1不同典型年地下水替代率和供水保證率均達到了100%，高效利用了可收集雨量，進一步說明現有工程中的雨水蓄水池容積需要擴大。3種情景下不同典型年雨水蓄水池最佳容積平均值分別為362、298、288 m3。情景1和情景2表明，優化作物灌溉方案，減小用水量對節省蓄水池容積的影響非常顯著，平均雨水蓄水池容積節省了64 m3，使得蓄水池的復用率更高，降低建設成本。情景2和情景3對比發現，雨水集蓄利用設施集雨率提高，各月蓄水池可集雨量增加，則6—8月份需要提前儲存的雨量減少，可節省蓄水池容積，提高復用率。綜上所述，節水灌溉、改善雨水集蓄利用設施并提高蓄水池集雨率，對雨水集蓄利用工程的發展具有重要意義。

表6 各情景最佳蓄水池容積及各項指標結果

5 結 論

該研究基于“節流開源”的思想，構建設施農業雨水集蓄利用系統，優化設計過程包括集雨量計算，設施農業作物灌溉優化和雨水蓄水池容積優化3部分。得到以下結論：

1）該研究區已建集雨設施的集雨率約為57%，仍有較大改進空間。天津近31a典型豐、平、枯水年的設計值分別為574.62、501.11、439.71 mm，其中小雨占比較高，約為全年降雨的70%。

2）優化后的灌溉方案與實際灌溉方案相比，在產量僅減少5.5%的情況下，可節省水量23.6 m3，水分利用效率和灌溉利用效率分別提高7.2%和39%。

3）3種集雨灌溉情景顯示，在實際集雨率和實際灌溉情景下，雨水蓄水池不同典型年的最佳容積平均值為362 m3，在節水灌溉和提高集雨率后的情景下，容積平均值分別為298和288 m3，表明優化作物灌溉方案降低用水量和改善雨水集蓄利用設施提高蓄水池集雨率等措施，對優化雨水蓄水池容積和農業雨水集蓄利用工程的發展具有重要意義。

[1] 仇錦先，程吉林，謝亞軍，等. 新沂市丘陵山區雨水集蓄利用灌溉調度優化研究[J]. 農業工程學報，2005，（增刊1）：23-28.

Qiu Jinxian, Cheng Jilin, Xie Yajun, et al. Optimal regulation of irrigation on rainwater-collection-storage utilization in the hilly areas in Xinyi City of Jiangsu Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, (Supplement 1): 23-28. (in Chinese with English abstract)

[2] Gercek S, Demirkaya M, Isik D. Water pillow irrigation versus drip irrigation with regard to growth and yield of tomato grown under greenhouse conditions in a semi-arid region[J]. Agricultural Water Management, 2017, 180: 172-177.

[3] 劉春來，楊萬龍，李娟. 天津市農業水資源開發利用存在問題及對策探討[J]. 海河水利，2018(4)：1-3.

Liu Chunlai, Yang Wanlong, Li Juan. Discussion on the existing problems and solutions in the development and utilization of agricaltural water resources in Tianjin[J]. Haihe Water Resources, 2018(4): 1-3. (in Chinese with English abstract)

[4] Chatterjee R, Jain A K, Chandra S, et al. Mapping and management of aquifers suffering from over-exploitation of groundwater resources in Baswa-Bandikui watershed, Rajasthan, India[J]. Environmental Earth Sciences, 2018, 77(5): 1-14.

[5] 孫挺，倪廣恒，唐莉華，等. 綠化屋頂雨水滯蓄能力試驗研究[J]. 水力發電學報，2012，31(3): 44-48.

Sun Ting, Ni Guangheng, Tang Lihua, et al. Experimental study on green roof stormwater retention[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2012, 31(3): 44-48. (in Chinese with English abstract)

[6] 杜斌，段超宇，張紅玲，等. 寧夏紅寺堡揚黃灌區農業灌溉供需平衡研究[J]. 節水灌溉，2018(3)：74-76.

Du Bin, Duan Chaoyu, Zhang Hongling, et al. Research on the balance between supply and demand of agricaltural irrigation in Yanghuang irrigation area, Hongsibao, Ningxia[J]. Water Saving Irrigation, 2018(3): 74-76. (in Chinese with English abstract)

[7] Liu H, Li H H, Ning H F, et al. Optimizing irrigation frequency and amount to balance yield, fruit quality and water use efficiency of greenhouse tomato[J]. Agricultural Water Management, 2019, 226: 1-11.

[8] 胡良明，李逸之，樊思熠. 城市雨水蓄水池容積計算與研究[J]. 華北水利水電學院學報，2012，33(4)：22-24.

Hu Liangming, Li Yizhi, Fan Siyi. Study on the volume determination of rainwater cistern in cities[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, 2012, 33(4): 22-24. (in Chinese with English abstract)

[9] 何勝男，陳文學，劉燕，等. 基于人工神經網絡和粒子群優化的初期雨水調蓄池設計方法研究[J]. 水利學報，2020，51(12)：1558-1566.

He Shengnan, Chen Wenxue, Liu Yan, et al. Study on design method of the initial rainwater storage tank based on ANN and PSO[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(12): 1558-1566. (in Chinese with English abstract)

[10] 國家質檢總局. 雨水集蓄利用工程技術規范：GB/T 50596-2010[S]. 北京：中國計劃出版社，2010.

[11] 季文華，蔡建明，王志平，等. 溫室農業雨水集蓄利用工程規模優化[J]. 農業工程學報，2010，26(8)：248-253.

Ji Wenhua, Cai Jianming, Wang Zhiping, et al. Scale optimization of greenhouse agricultural rainwater harvesting and utilization project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(8): 248-253. (in Chinese with English abstract)

[12] 陳喜靖，奚輝，肖華，等. 濕潤地區連棟溫室集雨量與蓄水容積計算[J]. 農業工程學報，2013，29(24)：103-109.

Chen Xijing, Xi Hui, Xiao Hua, et al. Calculation of rain collection amount and tank volume in multi–span greenhouse in humid region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 2013, 29(24): 103-109. (in Chinese with English abstract)

[13] Campisano A, Modica C. Appropriate resolution timescale to evaluate water saving and retention potential of rainwater harvesting for toilet flushing in single houses[J]. Journal of Hydroinformatics, 2015, 17(3): 331-346.

[14] Melville-Shreeve P, Ward S, Butler D. Rainwater harvesting typologies for UK houses: A multi criteria analysis of system configurations[J]. Water, 2016, 8(4): 1-18

[15] 牛文全. 雨水集蓄設施經濟容積的確定方法[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2004，32(8)：125-129.

Niu Wenquan. Calculation method for economical capaci ty of rainwater catchment container[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2004, 32(8): 125-129. (in Chinese with English abstract)

[16] Devkota J, Schlachter H, Apul D. Life cycle based evaluation of harvested rainwater use in toilets and for irrigation[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 95: 311-321.

[17] Sample D J, Liu J. Optimizing rainwater harvesting systems for the dual purposes of water supply and runoff capture[J]. Journal of Cleaner Production, 2014, 75: 174-194.

[18] 井雪兒，張守紅. 北京市雨水收集利用蓄水池容積計算與分析[J]. 水資源保護，2017，33(5)：91-97.

Jing Xue'er, Zhang Shouhong. Volume calculation and analysis of rainwater collection and utilization reservoir in Beijing[J]. Water Resources Protection, 2017, 33(5): 91-97. (in Chinese with English abstract)

[19] 康宏志，郭祺忠，練繼建，等. 海綿城市建設全生命周期效果模擬模型研究進展[J]. 水力發電學報，2017，36(11)：82-93.

Kang Hongzhi, Guo Qizhong, Lian Jijian, et al. Advances in simulation models for whole-life-cycle effectiveness of sponge city construction[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2017, 36(11): 82-93. (in Chinese with English abstract)

[20] 蔣春博，李家科，高佳玉，等. 海綿城市建設雨水基礎設施優化配置研究進展[J]. 水力發電學報，2021，40(3)：19-29.

Jiang Chunbo, Li Jiake, Gao Jiayu, et al. Research progress of grey-green rainwater infrastructure optimal configuration in sponge city construction[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2021, 40(3): 19-29. (in Chinese with English abstract)

[21] 張書函，丁躍元，陳建剛. 城市雨水利用工程設計中的若干關鍵技術[J]. 水利學報，2012，43(3)：308-314.

Zhang Shuhan, Ding Yueyuan, Chen Jiangang. Key techniques in designing rainwater harvesting works in urban areas[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(3): 308-314. (in Chinese with English abstract)

[22] 董春君，黃陽陽，趙怡超，等. 國內外城市雨水利用發展現狀分析[J]. 中國資源綜合利用，2017，35(5)：30-32.

Dong Chunjun, Huang Yangyang, Zhao Yichao, et al. Analysis on Current Situation of Urban Rainwater Utilization in China and Abroad[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2017, 35(5): 30-32. (in Chinese with English abstract)

[23] Campisano A, Butler D, Ward S, et al. Urban rainwater harvesting systems: Research, implementation and future perspectives[J]. Water Research, 2017, 121: 386-386.

[24] Velasco-Munoz J F, Aznar-Sanchez J A, Batlles-Delafuente A, et al. Rainwater harvesting for agricultural irrigation: An analysis of global research[J]. Water, 2019, 11(7): 1-18.

[25] Raes D, Steduto P, Hsiao T C, et al. AquaCrop-The FAO crop model to simulate yield response to water: II. main algorithms and software description[J]. Agronomy Journal, 2009, 101(3): 438-447.

[26] 韋婉. 海河流域典型灌區節水水平評估及節水潛力估算[D]. 天津：天津大學，2017.

Wei Wan. Evaluation of Water Saving Level and Estimation of Water Saving Potential in Typical Irrigation District of Haihe river Basin[D]. Tianjin: Tianjin University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[27] Thom A, Oliver H R. On Penman's equation for estimating regional evaporation[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1977, 103(436): 345-357.

[28] 王健，蔡煥杰，李紅星，等. 日光溫室作物蒸發蒸騰量的計算方法研究及其評價[J]. 灌溉排水學報，2006，25(6)：11-14.

Wang Jian, Cai Huanjie, Li Hongxing, et al. Study and evaluation of the calculation methods of reference crop evapotranspiration in solar-heated greenhouse[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2006, 25(6): 11-14. (in Chinese with English abstract)

[29] 陳新明，蔡煥杰，李紅星，等. 溫室大棚內作物蒸發蒸騰量計算[J]. 應用生態學報，2007，18(2)：317-321.

Chen Xinming, Cai Huanjie, Li Hongxing, et al. Calculation of crop evapotranspiration in greenhouse[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(2): 317-321. (in Chinese with English abstract)

[30] 劉浩，孫景生，梁媛媛，等. 滴灌條件下溫室番茄需水量估算模型[J]. 應用生態學報，2011，22(5)：1201-1206.

Liu Hao, Sun Jingsheng, Liang Yuanyuan, et al. Estimation model for water requirement of greenhouse tomato under drip irrigation[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(5): 1201-1206. (in Chinese with English abstract)

[31] 李木子，杜秋月，孫書洪，等. 水分脅迫條件下西紅柿耗水規律及產量研究[J]. 節水灌溉，2019，(3)：38-42.

Li Muzi, Du Qiuyue, Sun Shuhong, et al. Study on water consumption and yield of tomato under water stress[J]. Water Saving Irrigation, 2019, (3): 38-42. (in Chinese with English abstract)

[32] 楊封科. 半干旱區集水農業高效用水模式研究[D]. 蘭州：甘肅農業大學，2002.

Yang Fengke. Study on High Effective Rainwater Use Models of Catchment Agricalture in Semiarid Area[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2002. (in Chinese with English abstract)

Rainwater harvesting and tomato irrigation schemes optimization for facilities agriculture

Wu Chen1, Li Fawen1※, Feng Ping1, Liu Chunlai2, Wang Xianling2

(1.300072; 2300061)

A rainwater harvesting has been widely used to collect and store the rainwater into natural reservoirs or tanks for later purposes, further to balance between water supply and demand in recent years. In this study, a systematic optimization was conducted on rainwater harvesting for tomato irrigation. A protected agricultural plot was also chosen as the study area in the Wuqing District, Tianjin of China. A storage tank was then built with a volume of 200 m3. A rainwater harvesting rate was calculated, according to six rainfall events in 2020 and the runoff from the surfaces of seven greenhouses. At the same time, the data set on tomato irrigation in the greenhouses was collected for the crop models. An irrigation scheme was first optimized for the tomatoes in the greenhouses using the improved Penman-Monteith formula and AquaCrop model. Then, three schemes of rainwater harvesting and irrigation were established, including the actual rainwater harvesting with the actual irrigation scheme, the actual rainwater harvesting with the optimized irrigation scheme, and the improved rainwater harvesting with the optimized irrigation scheme. Finally, the water balance was applied to calculate the rainwater retention rate, groundwater replacement rate, and water supply guarantee rate in the rainwater harvesting system for different schemes in a wet, normal, and dry year. Optimal storage was thus achieved after the comprehensive analysis of reliability indexes. The results showed that the rainwater harvesting rate of the project in the study area was about 57%, indicating much potential for improvement. The optimized irrigation scheme for the tomatoes saved 23.6 m3of water, but the yield decreased by 5.5%, compared with the actual. Furthermore, the water use and irrigation efficiency increased by 7.2% and 39%, respectively, indicating that the optimized scheme effectively saved the water while holding the crop yield. Besides, the rainwater interception rate, groundwater replacement rate, and probability of water supply increased as the volume of storage tank increased. There was no change in the groundwater replacement rate and the probability of water supply when the storage tank volume reached the optimum volume. Additionally, the magnitude of the rainwater interception rate increased with the decrease of the precipitation. More importantly, the total annual water supply was 356.3 m3in the existing project, where the rainwater interception rate, groundwater replacement rate, and probability of water supply were 35.78%, 68.78%, and 65.48%, respectively. Correspondingly, there was also an urgent need to improve rainwater harvesting and irrigation schemes. Specifically, the average volume of the rainwater storage tank was saved 64 m3for the higher reuse, while the lower construction costs in Scheme 2, compared with Scheme 1. Similarly, Schemes 3 saved 10 m3average volume of the rainwater storage tank, compared with Scheme 2. Moreover, the optimal volumes of the storage tank in each scheme were 362, 298, and 288 m3, respectively. Consequently, improved rainwater harvesting and irrigation schemes were achieved to optimize the rainwater tank, thereby reducing the consumption of irrigation water for a higher rainwater collection rate. This finding can also provide a strong reference to guide the construction of agricultural rainwater harvesting and storage projects, as well as the promotion of non-conventional water use in sustainable agriculture.

irrigation; drainage; rainwater harvesting and utilization; water balance; rainfall interception rate; groundwater replacement rate; probability of water supply

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.018

S271

A

1002-6819(2021)-21-0153-10

吳晨，李發文，馮平，等.設施農業雨水集蓄利用與番茄灌溉方案優化[J]. 農業工程學報，2021，37(21)：153-162.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.018 http://www.tcsae.org

Wu Chen, Li Fawen, Feng Ping, et al. Rainwater harvesting and tomato irrigation schemes optimization for facilities agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 153-162. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.018 http://www.tcsae.org

2021-06-14

2021-10-03

國家自然科學基金項目（51879181）；國家重點研發計劃項目（2016YFC0401407）

吳晨，研究方向為水文學及水資源。Email: wuchen1229@163.com

李發文，教授，博士生導師，研究方向為水文學及水資源研究。Email: lifawen@tju.edu.cn