考虑未来降水的南方水稻灌溉风险决策节水效果分析

曹静静，罗玉峰，崔远来，谭君位，罗童元，刘 梦(. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 43007；.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 0098)

我国92%以上的稻田分布在南方湿润区，水稻的灌溉用水量占南方总灌溉用水量的90%上[1]。虽然南方湿润区降水较多，水资源相对丰富，但是近年来工业及城镇需水量日益增长，农业灌溉用水呈下降趋势。为保障我国水安全和粮食安全，南方水稻生产也必须节水。最大限度利用降雨是有效节水灌溉措施之一。

在节水灌溉实践中，最大限度有效利用降水已经被认为一个有效的节水灌溉策略[2]。Rochester和Busch[3]早在1972年就尝试将天气预报应用到灌溉管理中，后续也有较多地研究性尝试[4-6]。黄俊友[7]通过对江苏省水稻灌溉，提出了通过蓄存雨水来最大限度地利用雨水灌溉能带来巨大的经济效益；吕露[8]等提出了提高雨后蓄水上限，深蓄降水又不影响作物生长的情况下可减少灌溉用水量；这些都是在降雨后对雨水的蓄存来进行利用。侯静文[9]等通过对降雨预报准确度分析提出了中雨预报时如作物需水可在计算需灌水量的基础上稍微减少一些加以灌溉。崔远来[10]等提出根据降雨中短期预报，充分利用降雨量，可达到节水增产的目的；在水稻实时灌溉的研究中也考虑了未来3～5 d的预报降雨[11]。但是如果利用天气预报中的降水预报以及利用降水所能产生的节水效果也未做定量分析。以广西青狮潭灌区为例，提出一种考虑未来降水进行水稻灌溉风险决策，并推求水稻灌溉制度，定量分析节水效果。

1 数据和方法

1.1 数 据

青狮潭灌区是广西桂林的大型灌区，设计灌溉面积2.92万hm2。桂林气象站位于灌区中心，东经110°18′，北纬25°19′，海拔高度164.4 m，气候温和，年平均气温为19.3 ℃，多年平均降雨量1 949.5 mm。从“中国天气”网站(http:∥www.weather.com.cn)收集到2013-2014年水稻生育期逐日对未来7 d的气象预报数据，从中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)收集相应时段桂林站地面累年值日值数据集。天气预报数据则包括逐日对未来7 d的天气预报以及日最高气温和日最低气温；历史气象数据包括平均风速、日照时数平均气温、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、降雨量。

1.2 作物需水量计算

采用单作物系数法计算水稻的逐日耗水量[12]：

ETct=KctET0t

(1)

式中：ETct为第t天的耗水量，mm；Kct为第t天的作物系数。

结合当地实际情况，初始、中期和末期Kct值分别取为1.05，1.63和1.03，初始(Initial)、发展(Development)、中期(Middle)和末期(Late)4个阶段的生育天数早稻分别为：13、20、35、30 d；晚稻分别为：10、20、30、30 d。分别为30、19、51和27 d。以此构建单作物系数曲线。由Penman-Monteith公式计算ET0：

(2)

式中：ET0t为第t天参考作物蒸发蒸腾量，mm；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为平均气温，℃；U2为2 m高度处的风速，m/s；es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压-温度曲线上的斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。净辐射可以根据净短波Rns减去净长波辐射Rnl计算。

1.3 灌溉制度推求

水稻灌溉制度推求步骤如下[13]：

(1)从插秧后算起，水稻生育期中第t天灌溉需水量的计算过程如下：采用单作物系数法和ET0值确定第t天的水稻需水量；根据青狮潭灌区的土壤类型，稻田渗漏量平均为3 mm/d，由以上数据计算第 天的灌溉或排水前的稻田蓄水量：

S′t=St-1+Rt-ETct-Pt

(3)

式中：S′t为第t天的灌溉或排水前的稻田蓄水量，mm；St-1为第t-1天末的稻田蓄水量，mm；Rt为第t天的降水量，mm；Pt为第t天的渗漏量，mm。

(2)第t天的灌溉需水量或排水量计算，方法如下：如果灌溉或排水前的稻田蓄水量符合下述灌溉决策的标准(因灌溉模式和灌溉策略不同而不同)，则进行灌溉；如果灌溉或排水前的稻田蓄水量大于该生育期的最小水层深度，且小于或等于该生育期的最大允许水层深度，则不灌溉也不排水；如果灌溉或排水前的稻田蓄水量大于该生育期的降雨后最大允许蓄水深度，则进行排水。即：

(4)

(5)

式中：It为第t天的灌溉需水量，mm；Dt为第t天的可排水量，mm；Sdt、Smt、Sut分别为第t天的最小水层深度、灌溉后最大允许水层深度和降雨后最大允许蓄水深度，mm(表1，根据文献[13]和青狮潭灌区实际情况确定)。

(3)假设严格按照以上计算值进行灌溉和排水，则第t天末的田间蓄水量为：

St=S′t+It-Dt

(6)

(4)重复以上步骤，计算出各年的逐日灌溉需水量，整理得到整个生育期的灌溉制度。

1.4 灌溉模式

考虑2种灌溉模式，即常规的淹水灌溉(简称淹灌)和间歇灌溉模式。根据文献[14]，淹灌各生育期(适宜水层下限～适宜水层上限～降雨后最大蓄水深度)以及间歇灌溉的控制水深和可旱天数如表1所示。对于淹灌，当田间水层深度达到Sdt灌溉，灌后的水深为Smt；遇到降雨，可蓄雨最大深度为Sut。对于间歇灌溉，如果根据脱水天数来确定是否需要灌溉，灌后的水深为Smt；遇到降雨，可蓄雨最大深度为Sut。

1.5 灌溉决策策略

对于常规灌溉决策(常规决策)，如果田间水层深度或脱水天数达到需要灌溉的下限，则进行灌溉。这种情况如果未来短期内有降雨，则灌溉水至少部分浪费，降低田间灌溉水利用率。随着天气预报精度的提高，可利用天气预报修正灌溉决策，避免因灌后遇雨造成的灌水浪费，提高有效降水和灌溉水分利用效率。当然天气预报中存在降雨空报的现象，当预报有雨不灌等雨而实际并未下雨可能造成作物受旱减产。综合考虑2个方面的风险，因此提出考虑未来天气预报的灌溉决策策略，即风险决策：①若未来3 d内有中雨及以上等级的降雨，则不灌溉；②若未来3 d内无中雨及以上等级的降雨，但未来4～5 d内有中雨及以上等级的降雨时，则灌溉至的Sut25%；③未来5 d内无中雨及以上等级的降雨，但未来6～7 d内有中雨及以上等级的降雨时，则灌溉至的Sut的50%；④若未来6～7 d内无中雨及以上降雨，则灌溉至灌后水深上限Sut。

表1 青狮潭灌区水稻生育期划分及灌溉模式

2 结果与分析

2.1 早稻节水效果分析

表2为不同灌溉模式和灌溉决策策略下早稻灌溉用水量。总体来看，早稻生育期降雨量较大，排水量大，有效降雨也较大，灌溉次数较少，灌水量也较小，平均降低灌溉用水量23.5 mm，节水38.3%。由表2可知，采用风险决策策略灌溉用水量总体低于常规决策的灌溉用水量。采用风险决策，早稻平均节水率淹灌为26.5%，间歇灌溉为50.0%；2013年淹灌节水量大，2014年则间歇灌溉节水量大。2013年淹灌模式灌水次数减少1次，节水42.1 mm，占总灌溉需水量的43.1%；而间歇灌溉模式常规决策和风险决策的灌溉次数和灌溉用水量相同。2014年淹灌灌水次数没有减少，节水8.8 mm，占总灌溉需水量的10.0%；间歇灌溉下风险决策灌水次数减少1次，整个生育期不用灌水，可节水43.1 mm，占总灌溉需水量的100.0%。

图1所示为2013年淹灌模式下不同决策策略的早稻稻田水深、降雨量及灌溉水量。由图1(a)可知，采用常规决策需灌水4次，分别在4月16日，6月15日、19日和21日，而4月17日降雨32.3 mm，6月16日降雨15.1 mm，6月19日降雨19.5 mm，即出现了3次灌后遇雨的情况，这不可避免地造成了灌水浪费。而采用风险决策时[图1(b)]，虽然在4月16日田间水层深度已经达到需要灌溉的下限(2.8 mm)，但预报第2天有中雨，因此未灌溉。实际上这次预报也是准确的，因此成功地避免了灌水浪费。6月21日田间水层深度已经达到需要灌溉的下限(9.6 mm)，预报未来5 d都有阵雨，但未来6～7 d都有中雨，考虑到阵雨雨量不确定，未来7 d总的降雨概率较大，因此只灌需水量的25%。事实上6月21日后连续降雨，特别是6月28日降雨达50 mm。虽然此次灌溉后降雨，但灌水量较少，因此也避免了灌水浪费。采用风险决策6月15日也进行了灌溉，原因在于天气预报未来7 d内只有小雨，漏报了6月16日的中雨(15.1 mm)。总体来看，采用风险决策取消1次灌水，并降低了1次灌水量，由此形成了42.1 m节水量。

表2 不同灌溉模式和决策策略下早稻灌溉用水量

图1 2013年淹灌模式下不同决策策略的早稻稻田水深、降雨及灌溉

2013年采用间歇灌溉时，常规决策和风险决策都只有1次灌水，灌溉量一致，因此节水量为0。2014年采用淹灌时，常规决策和风险决策都有3次灌水，总灌水基本一致。2014年间歇灌溉早稻风险决策的节水量主要是由于取消了5月9日的灌溉(图2)，即在5月9日已经脱水4d，但预报未来1 d有大雨，2 d有大雨，因此未灌溉，而实际5月10日有小雨(3.7 mm)，5月11日有暴雨(71.4 mm)，因此也避免一次灌后遇雨而造成的灌水浪费。

2.2 晚稻节水效果分析

表3为不同灌溉模式和灌溉决策策略下晚稻灌溉用水量。总体来看，晚稻生育期降雨量明显较早稻生育期少，有效降雨也较少，灌溉次数较多，灌水量也较大，平均降低灌溉水量21.9 mm，节水6.7%。由表3可知，采用风险决策策略灌溉用水量总体低于常规决策的灌溉用水量。采用风险决策，晚稻平均节水率淹灌为4.4%，间歇灌溉为8.9%；两年都是间歇灌溉节水量大。2013年淹灌模式灌水次数增加2次，可节水20.9 mm，占总灌溉需水量的6.1%；而间歇灌溉模式减少1次灌水，节水44.3 mm，节水13.5%。2014年淹灌灌水次数没有减少，节水8.6 mm，占总灌溉需水量的2.7%；间歇灌溉下风险决策灌水次数没有减少，节水13.9 mm，占总灌溉需水量的4.3%。

以2013年为例，图3和图4所示为2013年淹灌的间歇灌溉模式下不同决策策略的晚稻稻田水深、降雨量及灌溉水量。由图3(a)可知，晚稻生育期降雨明显较上早稻生育其少，暴雨也较少，因此降雨大部分能得到有效利用。常规决策和风险决策的灌溉次数都较多，次均灌水量都较小。风险决策主要降低了8月14-19日连续降雨前这次灌溉的灌溉水量，以及9月23-25日连续降雨前这次灌溉的灌溉水量。2013年采用间歇灌溉时，灌溉次数明显减少，但次均灌溉量显著提高。间歇灌溉晚稻风险决策的节水量主要是由于取消了9月23日的灌溉(图4)，即常规决策在9月23日已经脱水4 d，虽然当天有26.6 mm的降雨，但仍不足以形成田间水层，因此常规决策仍需灌水44.3 mm。而采用风险决策，预报未来1 d有暴雨，2 d有大雨，因此未灌溉，而实际9月24日有大雨(38.4 mm)，9月25日有小雨(9.7 mm)，因此也避免一次灌后遇雨而造成的灌水浪费。2014年的情况类似于2013年，但2014年由于有暴雨出现，因此虽然降雨量比2013年大，但有效降雨并未显著增加，采用风险决策的节水效果也并不明显。

3 结 语

本文以广西青狮潭灌区为例，推求2013-2014两年淹灌和间歇灌溉两种灌溉模式下采用常规灌溉决策和风险灌溉决策的灌溉制度，并分析了风险决策的节水效果。结果表明，采用风险决策可以避免因灌后遇雨造成的灌水浪费，从而减少水稻灌溉用水量、稻田排水量以及灌水次数。早稻和晚稻降低灌水量23.5和21.9 mm，节水分别为38.3%和6.7%。早稻生育期降雨丰富，灌溉需水量并不大，但如果在需水灌溉时能抓住预报的降雨，节水效果也较显著；晚稻总的灌溉水量较大，节水比例稍小。由于天气预报中对降雨的预报存在漏报有些大雨并不能被有效利用，降雨利用率并不能达到最大。

图3 2013年淹灌模式下不同决策策略的晚稻稻田水深、降雨及灌溉

图4 2013年间歇灌溉模式下不同决策策略的晚稻稻田水深、降雨及灌溉

[1] 茆 智.水稻节水灌溉[J].中国农村水利水电,1997,(4):45-47.

[2] 徐凤琴.有效降水量浅析[J]. 气象水文海洋仪器,2009,(1):96-100.

[3] Rochester E W, Busch C D. An irrigation scheduling model which incorporates rainfall predictions[J]. Journal of the American Water Resources Association, 1972,8(3):608-613.

[4] Wang D, Cai X. Irrigation scheduling-Role of weather forecasting and farmers' behavior[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 2009,135(5):364-372.

[5] Agnihotri G, Mohapatra M. Prediction of occurrence of daily summer monsoon precipitation over Karnataka[J]. Meteorological Applications, 2012,19(2):130-139.

[6] Mishra A, Siderius c, Aberson K, et al. Short-term rainfall forecasts as a soft adaptation to climate change in irrigation management in North-East India[J]. Agricultural Water Management, 2013,127:97-106.

[7] 黄俊友. 水稻节水灌溉与雨水利用[J]. 中国农村水利水电, 2005,(7):11-12.

[8] 吕 露,冯常萍,崔远来.水稻不同节水灌溉模式的水分利用效率比较——以荆门、桂林为例[J].节水灌溉,2011,(3):15-17,22.

[9] 侯静文,罗玉峰,崔远来.降雨预报准确度分析及其在水稻节水灌溉决策中的应用[J]. 节水灌溉，2013，(3):24-30.

[10] 崔远来, 袁宏源, 李远华. 考虑随机降雨时稻田高效节水灌溉制度[J]. 水利学报, 1999, 7(7):40-45.

[11] 李远华,崔远来,杨常武,等.漳河灌区实时灌溉预报研究[J], 水科学进展, 1997,8(3):71-77.

[12] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements[M]. FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56, United Nations - FAO, Rome, Italy, 1998.

[13] 罗玉峰, 彭世彰, 王卫光, 等. 气候变化对水稻灌溉需水量的影响——以高邮灌区为例[J]. 武汉大学学报: 工学版, 2009,42(5):609-613.

[14] 郭元裕.农田水利学[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2005.