基于节水灌溉技术智能化管理系统的作物需水模型分析研究

蒋报春，戴旺卓，吕 航，李 嘉

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 背 景

我国水资源占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4 位，但人均只有2 200 m3，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列第121 位，是全球13 个人均水资源最贫乏的国家之一。我国水资源供需矛盾十分突出，全国669 个城市中有400 余座城市供水不足，全国有16 个省、自治区、直辖市人均水资源拥有量低于国际公认的用水紧张线，北京、天津、山东等10 个省、市低于严重缺水线。

在农业灌溉的水源管理中，往往注重供水管理，在灌溉利用效率，节水保水措施方面较为薄弱。面对上述问题，结合可持续发展理念，我国出台了水资源应用、开发管理等相关政策，坚持节约、高效、环保等观念，并加强对农民节水教育与普及，做好节水宣传，从管理制度、管理模式、灌溉技术等多方面入手提升水资源利用效率[1]。

近年来农业灌溉中许多新兴节水技术都被大量应用，以渠道防渗、喷灌、微灌、细流沟灌及管道输水等为代表的新兴技术极大地提升了农业灌溉中水资源利用效率。由于影响因素众多，作物的需水量往往是由理论值与经验值结合供给，在现代化技术普及率低的灌区，往往以经验值供给为主，这样造成水资源流失严重，灌溉利用效率低下等问题。建立了一种节水灌溉智能化管理系统，通过对作物需水量的观察与统计，建立出早稻的全生育期需水模型，有效地将经验值转化为理论值，通过自动控制渠首及田间进、出水口闸门来调整灌溉量，极大减少了因人工经验值参与而导致的水资源浪费，根据现场数据以及灌溉模型，做出灌溉决策，控制渠道灌溉水量、田间水位以及田间进排水量，实现精准灌溉。通过该系统可有效避免渠系末端的水量损失，提高田间灌溉管理水平，避免了粗放式供水带来的水量浪费以及操作不及时带来的水量损失，是有效的节水减漏措施[2～3]。

2 作物需水模型的建立

2.1 以水面蒸发为参数的需水系数法

气象因素是影响作物需水量的主要因素，而当地的水面蒸发又是各种气象因素综合影响的结果。因腾发量与水面蒸发都是水汽扩散，因此可以用水面蒸发这一参数估算作物需水量，其计算公式为：

式中 ET——某时段内的作物需水量，以水层深度计（mm）；

E0——与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度计（mm），E0一般采用80 cm 口径蒸发皿的蒸发值，若用20 cm 口径蒸发皿，则E80=0.8E20；

α——各时段的需水系数，即同时期需水量与水面蒸发量之比值，一般由试验确定，水稻α=0.9～1.3，旱作物α=0.3～0.7；

b——经验常数。由于“α 值法”只需要水面蒸发量资料，所以该法在我国水稻地区曾被广泛采用。在水稻地区，气象条件对ET及E0的影响相同，故应用“α 值法”较为接近实际，也较为稳定。对于水稻及土壤水分充足的旱作物，用此式计算，其误差一般小于20%～30%；对土壤含水量较低的旱作物和实施湿润灌溉的水稻，因其腾发量还与土壤水分有密切关系，所以此法不太适宜。

根据查询得到的20 cm 口径逐日蒸发量，可求得80 cm 口径逐日蒸发量，并求出生育期内蒸发量的综合，即：

利用需水系数值α 根据式（1）可求得生育期的作物需水量综合，根据地区生育期各生育阶段的需水量分配比，可得各生育阶段的作物需水量。根据生育阶段天数的不同，将各生育阶段的作物需水量平均到每天，即逐日耗水量，则求得各生育阶段的逐日耗水量。

2.2 水量平衡方程

式中 Wt、Wo——时段初和任一时间t 时的土壤计划湿润层内的储水量；

WT——由于计划湿润层增加而增加的水量；

Po——降雨入渗量，即有效降雨量，统计灌区的降雨入渗量可根据降雨量与次降雨的有效利用系数求得。即以连续降雨日期中降雨最大的日期为降雨日期，降雨量为该阶段的降雨量之和P，用该降雨阶段雨量之和乘以次降雨有效利用系数σ，即Po=σP，σ 选取原则如下：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——时段t 内的地下水补给量，用所占玉米生育期需水量的百分数表示，这里忽略不计；

m——时段t 内的灌溉水量。

ET——时段t 内的作物田间需水量，已由第一步计算求得。

2.3 灌溉定额即允许储水深度上、下限的计算

式中 m——灌水定额（m3/亩）；

H——时段内土壤计划湿润层深度（m）；

γ——计划湿润层内土壤的干容重（t/m3）；

θmax-θmin——时段内允许的土壤最大含水率和最小含水率。

即：当土壤中含水量低于适宜含水量下限时，需要灌水；当土壤中含水量高于田间持水量时，需要排水。因此实时土壤中含水量h 表达式为：

式中ht+1，ht-ht+1，t 时土壤中的储水深度（mm），在不同生育阶段，h＞hmax则排水，h＜hmin，则灌水，灌水按照灌水定额灌溉。其中t=0 时，土壤含水量为初始值，土层中含水量换算成水层深度，表达式如下：

式中 h初始——土壤初始含水量（mm）；

hs——土层深度（mm），按照生育阶段不同而选取；

其他符号意义同前。

3 双季稻水肥耦合节水灌溉技术智能化管理系统对区域进行用水分析研究

3.1 双季稻水肥耦合节水灌溉技术智能化管理系统设计

带有实时需水模型的双季稻水肥耦合节水灌溉技术智能化管理系统是利用水稻的不同生长时期的需水量不同，通过控制进、排水来控制田间水位深度以达到智能灌溉的效果，此方法配合系统中的各个计量模块测得的实时参数，并连接大数据云平台，对天气进行预测，在进、排水时将一定时间内蒸发量与降雨量计算到需水模型中，使控水闸门的开关次数达到最优化，很大程度上减少了水资源的浪费。此方法的优点是简单方便实施，只需对田间水位进行实施监测来控制闸门进行进、排水控制，减少人工的浪费，并保证水资源的使用在最大程度上的节省[4～5]。

在我国某市的标准实验田进行雨量、水位、进出口水量以及现场图像监测，根据作物实际用水和作物生长用水模型预测用水量，并进行放水水量、田间水位控制。首先，在实验田中将雨量筒、投入式水位计、智能水表、土壤墒情传感器、图片摄像机以及遥测终端机进行集成，建立现地数据监测站以实现田间水位、雨量、进出水量、土壤含水量、图像监测，进水口、出水口闸门控制以及田间水位控制的功能。其次，部署观测控制信息平台，设置数据接收软件、搭建农田节水灌溉模型及数据信息分析库、建立数据显示和控制平台。

现地数据监测站主要负责监测每天的降雨量、田间水位、田间含水量、灌溉或排水时的起止读数、现场图片信息，并将监测到的数据无线传输至观测控制信息平台。

利用总控云平台发送数据至现地监测站，可查询当前田间水位、累计雨量、进出水阀门状态、进出水量等信息；可控制进、出口阀门开启或关闭；可人工设置田间水位标准。站点智能化灌溉管理系统具有以下几点功能：①智能采集，系统可实时监测每天的降雨量、田间水位、田间含水量、灌溉或排水时田间进、排水量、现场视频信息，并将实时数据上传至总控云平台显示并储存。②渠道进水阀、田间进水阀、田间排水阀的自动控制。③田间每日灌溉计划制定，系统自带需水模型，也可根据实际情况完善需水模型可实时在线修改需水模型从而改变灌溉计划。总控云平台具有以下几点功能：①片区多点实时监测与调控功能。②具有深度学习灌溉模型的大数据库。③单或多站点作物灌溉量的日、月、季、年总结。④基于片区或作物灌溉模型的建立模拟[6]（见图1、图2）。

3.2 基于双季稻水肥耦合节水灌溉技术智能化管理系统的需水模型建立

因作物需水量与灌溉利用系数的影响因子较多，如种植地气候、地貌、排灌设施的完善程度等。以田间水位作为样本，建立数学模型得出作物各个生长期的需水模型，将需水模型输入至渠系闸门自动控制系统中，通过控制渠系与田间入水口、出水口的日累计流量并不断调整，在保证作物增产发育的情况下，最大化地减少水资源浪费。

图1 双季稻水肥耦合节水灌溉智能化管理系统组成图

图2 双季稻水肥耦合节水灌溉智能化管理系统工作流程图

3.3 案例分析

水稻逐日需水量在全生育期为连续的，其需水模型在时间上无需分段模拟或作为离散模型分析，采用非线性模型即可得出水稻的近似需水模型。建立水稻的非线性需水模型主要分为以下两个步骤：

1）采集数据样本。将我国南方某市的标准试验田作为采集区域，早稻作为采集对象，以2017 年4 月18日至2017 年7 月11 日早稻全生育期的田间水位数据作为样本，如图3 所示。假定田面高程设为0 mm，早稻于2017 年4 月18 日进行插秧，于2017 年7 月6 日收割[7]。

图3 早稻全生育期田间水位

2）去除扰动。通过滤波的方式将整个数据集进行优化，注：在多组数据情况下建议采用均值滤波去噪、中值滤波去噪，在数据样本量较低的情况下小波去噪，不建议采用高斯滤波去噪，由图3 明显可知，早稻的需水模型随季节变化的非线性函数模型并不满足于高斯分布模型[8]。

由数据分析可以看出，以3 天为滤波核对早稻全生育期进行滤波后，因降雨量影响（降雨为扰动因素），经对比发现，中值滤波更加适合早稻全生育期的需水模型。

由滤波核为3 天对比7 天的均值滤波与中值滤波发现，滤波核为3 天更适应于早稻全生育期的需水模型，并对比图4～图7 为滤波核的均值滤波与中值滤波结果，发现滤波核在3 天的中值滤波最适合早稻全生育期的需水模型[9～10]。

图4 对早稻全生育期田间水位进行均值滤波（3）后模型

图5 对早稻全生育期田间水位进行中值滤波（3）后模型

图6 对早稻全生育期田间水位进行均值滤波（7）后模型

图7 对早稻全生育期田间水位进行中值滤波（7）后模型

4 结 论

双季稻水肥耦合节水灌溉技术智能化管理系统可有效地利用水资源，可根据作物全生育期调整逐日供水量，还能够提高自动化生产效率，降低人力成本和管理成本，显著提高效益。但因为成本较高，可利用于经济价值较高的作物上。能够实时了解灌区水资源分配状况，对水资源进行及时有效的调度，减少因为水资源短缺而造成的损失，提高田间灌溉的保证率，从而提高地区的经济效益，提高管理水平，增加社会效益。

双季稻水肥耦合节水灌溉技术智能化管理系统，充分发掘水源工程的水资源利用，提高水源工程监控、水资源优化调度和水行政管理的整体科技水平，促进水利管理业务的现代化，使水源工程管理工作走上自动化、科学化的轨道，大大增强管理调度能力，为供水指挥决策提供科学、高效、可靠的技术支持。