基于水势调控的农田灌排节水增效控制方法

司马震

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

我国农民以农业为主，农业用水占中水量的90%，主要用于灌溉。因此，需推广节约用水理念，实现灌溉水高效利用[1]。当前农业节水灌溉是通过增加田间水来实现的，在田间配水过程中，应重点推广灌排节水增效措施，然而，从节水角度分析，其关注对象有明显规模效应[2]。节水效益不能简单地与小规模节水效益相叠加，只考虑田间和配水过程中的节水，忽略了区域水分转换关系和灌溉用水的循环利用[3]。现行灌排规划设计方法仅考虑了满足作物生长发育和排灌标准要求的输配水量，没有考虑到生态服务功能及其对控制土壤侵蚀环境价值[4]。以往采用RS- 485总线通信方式设计智能化节水灌排系统，该系统通过RS- 485总线及时与控制中心通信，确定节水灌排方案，然而使用该方法单纯研究的是农作物需水量，忽略农田生态系统需水难的问题；使用采用AT89S52单片机设计智能化节水灌排系统，通过AT89S52单片机分析各个供水体之间的关系，虽然以补充水源作为基础数据，但违背了当前农田灌排区域用水实际问题，导致农田灌排节水增效控制效果较差。因此，文章提出了基于水势调控的农田灌排节水增效控制方法，简化水势测量步骤，分析以水势为下限的灌排控制指标，采取相应节水增效控制措施，实验证明具有良好的控制效果。

1 模型构建

模型构建与农田土壤中可供水量密不可分，模拟农田作物对水分影响情况，揭示作物节水增效机理[5]。农作物产量对水分响应可用来分析农田农作物生育期内灌排引起的水分亏缺现象，基于水势调控农田灌排节水增效控制模型为：

(1)

式中，U、Ux—农田农作物实际产出量和预期产出量；ET、ETx—农田农作物实际蒸发和预期蒸发水量；Ky—农田作物相对降幅与蒸发降幅比例因子[6]。

基于水势调控农田灌排节水增效控制模型计算步骤如图1所示。

图1 模型计算步骤

由图1可知：该模型计算步骤主要由5部分组成，分别是土壤水分平衡模拟、作物生长模拟、作物蒸腾模拟、地上生物量模拟和作物产量模拟。

(1)土壤水分平衡模拟

将农田农作物生长底部作为一个蓄水池，不间断记录该蓄水池水量，其中包括实际降水量、灌排水量、蒸发量和渗透量[7]。在农田农作物生长过程中，为了提高整个生长过程中土壤水分，需将土壤剖面按照1天和12天这两个时间点分割成小片段形式[8]。节点坐标土壤水平衡表达式为：

θi，j=θi，j-1+Δθi，Δt

(2)

式中，θi，j-1—农田前一个时间节点土壤含水量，Δθi，Δt—农田该时间段内农田水分变化量，公式为：

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

(3)

式中，ΔRt，Δt—时间土壤层新分配水分；ΔDt，Δt—渗漏水分；ΔIi，Δt—大气降水；ΔEi，Δt—灌排水；ΔTi，Δt—蒸发量。

(2)作物生长模拟

植株冠层覆盖指数CC是植物冠层对土壤表层的覆盖程度，不能用叶面积指数来描述植株的生长状况。最佳条件下，植物冠层的形成仅以作物系数来描述，这些系数是作物生长模拟过程中通过检索相应作物相关数据得到的[9]。为了能够真实反映出弄作物实际生长过程中冠层覆盖度的变化，可将其表示为冠层覆盖度的日增量。随着冠层覆盖度的增大，作物逐渐进入老化阶段[10]。冠层覆盖度的日衰减可用于描述作物生长过程中冠层覆盖度的变化。充分考虑水分、盐、矿物质成分对冠层生长影响，根据应力类型和程度不同，具体计算可以通过相应系数来修正植物冠盖度影响[11- 12]。

(3)作物蒸腾模拟

作物蒸腾模拟表达式如下所示：

Tr=KsKcbET0=Ks(KcbxCC*)ET0

(4)

式中，ET0—农田作物潜在蒸腾；Kcb—蒸腾系数，其随着冠层生长情况而发生改变；CC*—作物冠层覆盖率；Ks—土壤水分修正系数，取值范围在0～1之间，作物在水分胁迫下表现较好。数值为0时，作物受到严重水分胁迫，蒸腾被停止。该数值处于中位时，表明土壤根区水分不足，导致气孔闭合，减少了植被蒸腾。

(4)地上生物量模拟

农作物水分生产力可以用单位面积上单位蒸腾积累的土壤干物质量来表示，在特定气候条件下，农田作物实际生产量和实际消耗水分呈线性关系，通过统计标准化农作物水分来模拟地上生物量，并修正在不同气候情况下农作物水分生产力影响结果。地上生物量模拟模型如下所示：

(5)

式中，Tri—农田作物蒸腾量；ETα—参考蒸腾量；Ksb—温度胁迫系数。设温度应力系数范围为[0，1]，当应力系数为0时，说明此时温度最低，不适合农作物生长；当应力系数为1时，说明此时温度满足农作物生长，在农作物蒸腾作用下可将热量完全转化为农作物生物量；当应力系数在0～1之间时，说明此时温度不能完全适合农作物生长，只能将部分热量转化为农作物生物量。除此之外，在模拟过程中，由于模型受到大气中二氧化碳浓度及土壤肥力状况差异等因素影响，作物水分产量应根据具体情况做出实时调整方案。

(5)作物产量模拟

作物产量模拟是由农田作物地上生物量转换得到的，以农田作物成熟收获指标为参考指标，通过调整水分、温度胁迫系数，可确定农田作物产量受到降水影响程度。

通过上述5个步骤，完成水势调控，以此为原理，研究农田灌排节水增效控制方法。

2 农田灌排节水增效控制方法

以土壤水分平衡、作物生长、作物蒸腾、地上生物量和作物产量为指标构建的基于水势调控农田灌排节水增效控制模型，研究农田灌排节水增效控制方法。

2.1 灌排管网布置

在配电网建设前，应根据地势选择合适供电距离，再根据经济分析结果与之相连，形成配电网。对于灌排管网布置，采用H型布局方案，解决了地形复杂，高差大问题。

利用自流固定灌溉排水节水技术，对水源没有特殊要求。采用储存在雨水窖中的区域水源，实现自然滴水产生重力，实现自流半固定节水灌溉排水。自流式半固定式节水灌溉排水技术不需要额外动力，而是利用水源自然重力式滴灌来实现灌溉排水，使固体、液体和空气留在土壤中。相对于传统的地面灌水和喷灌，采用H型布局方案能够降低害虫威胁，提高农田作物抗逆性，防止土壤侵蚀。H型布局方案设计如图2所示。

图2 H形布置示意图

为使农田作物能够均匀地浇水，H型布局中的各个龙头之间间隔应设置30m。

2.2 智能化灌排节水增效流程设计

灌排节水增效流程设计是研究的核心内容，主要实现农田作物抽水灌溉和节水排灌。在研究农田灌排节水增效控制流程之前，应先确定灌排节水增效各个模块的连接情况。

图3 节水灌排模块各个硬件连接示意图

如图3所示，采用电磁阀抽水，可避免增加蓄水池的麻烦。在主管道上设置5个闸门，根据灌排面积，闸门有3个连接口，1个入口，2个出口，其作用是将主管道排入细管，实现灌溉、排水均匀。基于此，设计农田灌排节水增效控制流程设计如下：

step1：参数初始化；

step2：监测各个硬件采集到的数据；

step3：分析监测结果，并确定土壤湿度平均值，如果该土壤湿度平均值符合实际农田灌排节水增效需求，则需利用电磁阀，开始抽水灌溉。否则，返回到step2；

step4：抽水灌溉后，查看土壤湿度是否达到上限阈值，如果达到，则停止灌溉。否则，继续抽水灌溉；

图8所示为钛渣原料、直接酸浸钛渣和经苏打焙烧—酸浸后的钛渣中各杂质含量的对比。对比分析表1和表3中数据可知, 直接酸浸钛渣仅能除去近50%的杂质，得到的产品杂质含量还很高，无法用于氯化法钛白和海绵钛的生产。钛渣经苏打焙烧后，酸浸产物的TiO2含量比钛渣直接酸浸时又提高了近12%, Ca、Mg、Fe、Al、Si、Mn等杂质的浸出都有大幅度的提高,其中Fe、Mg的浸出效果最为明显。这说明苏打焙烧能有效解决黑钛石型富钛料杂质难除的重大难题。

step5：抽水灌溉完成后，开始排水，由此完成农田灌排节水控制。

2.3 灌排节水增效控制

为了提高灌排节水效率，需控制灌排节水时间。在灌排节水过程中，灌排节水的运行时间与供水量及用水效率成反比；即增加供水量或提高输水效率，可有效减少灌溉、排水用水量。毛细直径较小，给水管的水头和局部水头损失较大；针对这一问题，根据区域特点和灌排节水机理，采用更大直径、更大流量的灌排措施，可有效缩短灌排时间，计算公式为：

(6)

式中，E—灌排区所用灌排水量；qi—灌水容器存储水流量；L—灌排输水管路总长度；a—灌排输水管水流速度。根据该公式可确定灌排水所需时间和整个灌排过程，该灌排过程是以自流方式实现的。依据该研究内容，可有效提高灌排节水增效控制效率。

3 实验

为了验证基于水势调控的农田灌排节水增效控制方法合理性，以新疆滴灌棉田为基础进行实验验证分析。

3.1 数据统计

根据农田灌排管道水压大小、坡度、土壤类型，分析坡度阻力等级、土壤阻力等级和土地利用类型阻力等级，见表1—3。

表1 坡度阻力等级

表2 土壤阻力等级

表3 土地利用类型阻力等级

3.2 实验指标确定

在表1—3数据支持下，选择阻力等级为3级30°～45°的坡度、漠土土质和草地土地利用类型种植棉花，在对棉花灌排节水增效控制过程中，需调节整个控制时间，如图4所示。

图4 灌排节水增效时间控制

由图4可知，在反应阶段，农田灌排节水增效控制处于反应阶段，调节时间为0.2s；在启动阶段，农田灌排节水增效控制处于启动阶段，调节时间为0.6s；在运行阶段，调节时间为0.4s；在中断阶段，调节时间为0.4s。

在这四个阶段，分别使用RS- 485总线通信方式、采用AT89S52单片机、基于水势调控控制方法观察棉花作物叶片水势，并以此为依据，对比分析三种方法节水增效控制效果。

3.3 实验结果与分析

在不同方法下，棉花作物叶片水势变化如图5所示。

图5(a)在反应阶段，所有方法棉花叶片水势都呈下降趋势，其中使用RS- 485总线通信方式棉花水势在时间为0.20s时，与标准值相差最大；使用AT89S52单片机方法棉花水势也在时间为0.20s时，与标准值相差最大；使用基于水势调控控制方式与标准值基本一致，仅在时间为0.15s时出现偏差，但不影响整体变化趋势。

图5(b)在启动阶段，所有方法棉花叶片水势变化不具有规律性，使用基于水势调控控制方式与标准值变化趋势基本重合，呈下降-上升趋势；使用RS- 485总线通信方式棉花水势呈下降-上升-下降-上升趋势；使用AT89S52单片机方法棉花水势呈下降-上升趋势，但变化趋势拐点在时间为0.60s处，与实际0.30s拐点时间不一致。

图5(c)在运行阶段，所有方法棉花叶片水势都呈下降-上升-下降-上升趋势，使用RS- 485总线通信方式棉花水势在4个时间点的水势与标准值都不一致，尤其在时间为1.10s时，区别更为明显；使用AT89S52单片机方法棉花水势在4个时间点的水势与标准值都不一致，尤其在时间为1.20时，区别更为明显；使用基于水势调控控制方式与标准值变化趋势一致。

图5(d)在中断阶段，使用RS- 485总线通信方式棉花水势在时间为1.30s、1.50s与标准值相差最大；使用AT89S52单片机方法棉花水势在时间为1.60 s与标准值相差最大；使用基于水势调控控制方式与标准值变化趋势一致。

通过分析棉花水势可确定四个阶段所需灌排时间，为了进一步分析三种方法节水增效控制效率，再次将三种方法进行对比分析，结果见表4。

图5 不同方法下棉花作物叶片水势变化

表4 三种方法节水增效控制效率对比分析

由表4可知：使用水势调控控制方法节水增效控制效率要比RS- 485总线通信方式、AT89S52单片机方法要高，由此可知使用水势调控控制方法控制效率较高。

4 结语

从节水增效角度出发，布设灌排管网，设计灌排节水增效时间控制方案，由实验对比结果可知，使用该方法棉花作物叶片水势变化与标准变化趋势一致，改善了传统方法存在的弊端，保证农田作物在拥有充足产量的前提下获取良好节水增效效益。

由于资料以及研究时间受到限制，研究方法还有待改进，当前农田土壤动物群落丰富度评判标准还未被提出，因此，确定的农田用水量还有待进一步分析。