基于WinSRFR軟件的農田水利灌溉優化組合模型研究

李勛章，付梁其，潘 磊，何曉靜

（1.常州市金壇區水資源管理服務中心，江蘇 常州 213200；2.常州市水利規劃設計院有限公司，江蘇 常州 213000；3.常州市金壇區水利規劃服務中心，江蘇 常州 213200；4.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213002）

針對江蘇省常州市金壇區的灌溉系統，本文采用地表水灌溉WinSRFR 模型和地下水灌溉SWAP模型，同時模擬地表水和地下水的流量，形成組合化模擬模型；確定最佳灌溉深度和灌溉次數，提高灌溉用水效率，達到農田灌溉效率優化的效果[1]。

1 研究區域概況

常州市金壇區地處江蘇省南部，位于北緯31°33'42″～31°53'22″、東經119°17'45″～119°44'59″，該地區的農作物生長主要依賴灌溉用水。金壇區常采用壟溝系統或管道系統進行灌溉，共有9個分區，每個分區灌溉約8 h，通常在4 d 內完成一輪完整的灌溉。河水通過泵站、運河和管道網絡輸送至農田。

2 模型方法

本研究采用了組合模型的方法：SWAP 模型用于確定灌溉計劃和灌溉深度，而WinSRFR 模型用于確定土壤入滲功能和優化灌溉方案。組合模型的建模過程，如圖1所示。

圖1 基于WinSRFR軟件的農田水利灌溉優化組合模型

2.1 SWAP模型

為了使灌溉期間的鹽分浸出厚度保持在SWAP模型可接受的范圍內，本文采用如下公式計算鹽分浸出厚度[2]：

式中：LR為浸出厚度（mm）；LF為浸出分數；Dir為灌溉深度（mm）；ECiw為灌溉水的電導率（S/m）；ECe為所需土壤飽和糊狀提取物的鹽度。

在高蒸騰和低蒸騰的根系水分吸收期間，內澇和干旱脅迫被模擬為潛在蒸騰減少系數的函數。相對作物產量Yact/Ypot的計算公式如下[3]：

式中：Yact為實際產量（kg）；Ypot為潛在產量（kg）；Tact為實際蒸騰量（mm）；Tpot為潛在蒸騰量（mm）。

為了描述土層的水力特性，SWAP 模型使用的土壤水力函數如下[4]：

式中：θ為體積含水量（cm3/cm3）；θres為殘余含水量（cm3/cm3）；θsat為飽和含水量（cm3/cm3）；h為土壤水頭（cm）；α（1/cm）、n和m為經驗形狀因子；K為水力傳導率（cm/d）；Ksat為飽和水力傳導率（cm/d）；λ為形狀參數；Se為相對飽和度。

2.2 WinSRFR模型

WinSRFR 模型的校準主要依靠滲透指標進行，在使用WinSRFR 模型評估或優化地面農田灌溉前，必須首先使用現場數據校準模型。當模擬入滲函數與現場數據中的土壤入滲函數相匹配時，即可在WinSRFR 模型中進行校準。土壤入滲函數計算公式如下[5]：

式中：Z為累積入滲深度（mm）；k和a為經驗擬合參數；b為基本入滲率（mm/h）；t為入滲時間（h）；c為初始快速滲透到裂縫中的深度（mm）。k、a、b和c根據現場實測確定。

在研究區域現場開展數據收集工作，并選取了7 條具有代表性的相鄰壟溝。每條壟溝寬1.83 m，分別用5 個木柱標記。木柱位于距離壟溝上游端0、60、120、180 和240 m 的位置，如圖2 所示。現場收集數據如下：①使用帶刻度的水桶和秒表測量每條壟溝的灌溉流量，并控制灌溉用水到達不同的位置，如圖2 中灰色水體所示；②土壤的基本入滲率使用雙環入滲儀測定，入滲儀安裝在壟溝中央位置（圖2 中的F（m））；③通過測量獲得壟溝的平均橫截面幾何形狀，并以20 m 的間隔沿壟溝測量縱向坡度。

圖2 WinSRFR模型模擬試驗中測試壟溝示意

在實測數據基礎上，使用WinSRFR 模型優化灌溉流量為1.0～4.0 L/s，截止時間為0～20 h，壟溝縱向坡度范圍為0.02%～0.12%。模型輸入數據是所需灌溉深度、壟溝幾何形狀（長度、形狀、坡度）、土壤入滲函數、流量和截止時間。當最小灌溉深度等于所需灌溉深度75 mm 時，模型輸出內容為優化的流量大小、應用均勻性、分布均勻性和截止時間曲線。最后，選擇最大化的應用效率和分布均勻的流量及截止時間作為實際優化灌溉的依據。

3 模擬結果

對于天氣和作物數據，本研究將來自江蘇省氣象站的每日氣象數據和研究區2021 年的農作物數據輸入SWAP 模型中，如圖3 所示。在高蒸騰和低蒸騰的根系水分吸收期間，相對作物產量和土壤水力函數則依據研究區域現場試驗確定。

圖3 試驗區內自然數據統計

3.1 SWAP模型的校準和驗證

SWAP 模型在驗證期間模擬地下水位深度的結果與觀測值的平均值顯著相關。當排水水位以上（K上）和以下（K下）土壤的水力傳導率分別調整為1.5和4.0 cm/d 時，發現了兩者最佳相關性，SWAP 模型標定參數結果詳見表1。在驗證期間，SWAP模型在預測地下水位深度方面的性能結果也顯示出觀測值和模擬值之間的良好一致性，MAE為11.02 cm，RMSE為25.00 cm。在校準和驗證期間，負CRM值分別為-0.90 和-1.09，表明SWAP 模型估算地下水位深度的誤差較小。SWAP 模型統計分析結果，詳見表2。

表1 SWAP模型標定參數結果 cm/d

表2 SWAP模型統計分析結果

3.2 WinSRFR模型應用

研究發現在土壤深度75 mm 處，水的滲透作用比162 mm深度處更大，即使在滲透深度較低的壟溝長度的1/4 處，平均接收到的水量也是需要量的1.8倍。綜合所有灌溉壟溝的灌溉效率，可得整體灌溉效率約為47%，這意味著超過1/2的灌溉用水因深層滲漏而流失。灌溉用水的滲漏損失進而影響作物產量值。例如，在F（-2）和F（-3）中，壟溝下游端的產量比上游端低30%。WinSRFR 模型優化灌溉評估結果，詳見表3。由表3 可知，3.0 L/s 的流量和3.2 h的截止時間適合0.02%的坡度，而1.6 L/s 的流量和6.5 h的截止時間更適合0.12%的坡度。

此外，在坡度小于0.05%的壟溝中，最小和最大入滲深度分別出現在下游端和上游端。而在坡度大于0.05%的壟溝中，最大入滲深度出現在下游端。坡度較緩的情況下，灌溉用水的應用效率和分布均勻性更高。對于0.02%和0.12%的坡度，優化灌溉實踐的應用效率分別為95%和88%時同時停止灌溉。

4 結論

本文對WinSRFR模型中研究區域所需灌溉深度75 mm 的封閉壟溝灌溉優化結果表明：當前實踐中的2.5 L/s流量和8 h截止時間應分別減少到2.2 L/s和4.5 h，可使應用效率從47%增加到92%；隨著壟溝坡度從0.02%增加到0.12%，優化的灌溉流量從3.0 L/s 減少到1.6 L/s，而截止時間從3.2 h 增加到6.5 h。本文研究指出了土地平整和壟溝形狀對于實現高灌溉效率和分布均勻性的重要性。