精量灌溉決策與控制技術(shù)

蔡甲冰　張寶忠　劉　鈺

精量灌溉決策與控制技術(shù)

蔡甲冰張寶忠劉鈺

精量灌溉及其內(nèi)涵

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)本質(zhì)是利用先進(jìn)技術(shù)裝備支撐農(nóng)業(yè)規(guī)?；镁珳?zhǔn)化信息技術(shù)支撐農(nóng)業(yè)信息化。我國的農(nóng)業(yè)灌溉逐步從單一、分片小塊農(nóng)田轉(zhuǎn)向連片、大農(nóng)場。精量控制灌溉試驗的目的是通過對作物生理生態(tài)和土壤水分狀況以及田間小氣候的觀測和監(jiān)測，對作物的生長狀況進(jìn)行詳盡分析，綜合反映作物需水程度，以指導(dǎo)灌溉的“適時”和“適量”。因此，農(nóng)田精量灌溉及其控制系統(tǒng)能夠根據(jù)所采集的田間各種信息進(jìn)行綜合灌溉決策，使作物在最適宜的時刻得到最適量的水分，從而在水資源日益緊缺的情況下獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益。與來源于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)灌溉相比，精量灌溉更精細(xì)地考慮了作物生長環(huán)境中氣象、作物、土壤供水的情況，同時在優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)下，針對作物生長發(fā)育特點考慮適度虧缺灌溉。2015年，精量灌溉決策與控制技術(shù)入選科技部、環(huán)境保護(hù)部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部發(fā)布的《節(jié)水治污水生態(tài)修復(fù)先進(jìn)適用技術(shù)指導(dǎo)目錄》。精量灌溉的來源及其主要特點見圖1。

圖1　精量灌溉的來源與特點

在土壤—植物—大氣連續(xù)體（SPAC）中，用于灌溉決策的定量指標(biāo)一般有3類（見圖2）：①根據(jù)農(nóng)田土壤水分狀況確定灌溉時間和水量，考慮的因素包括不同作物適宜水分上下限、不同土壤條件、土壤水量平衡方程及參數(shù)選擇等；②根據(jù)作物對水分虧缺的生理反應(yīng)信息確定是否需要灌溉，指標(biāo)包括作物冠層溫度相對環(huán)境溫度的變化、莖果縮漲微變化、莖/葉水勢、莖流變化等；③根據(jù)作物生長的小環(huán)境氣象因素的變化確定灌溉的時間和作物的需水量，通過氣象因素確定作物的蒸騰蒸發(fā)量進(jìn)行灌溉決策。隨著科技進(jìn)步和計算機(jī)等科研輔助工具的普及，人們對SPAC中三要素的研究愈來愈深入。灌溉決策指標(biāo)的研究，往往從定性認(rèn)識到定量確定，從而在田間實際生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用。

精量灌溉決策與控制技術(shù)設(shè)計特征

精量灌溉決策與控制的關(guān)鍵技術(shù)圍繞田間數(shù)據(jù)采集與分析→多指標(biāo)綜合灌溉→灌溉自動控制→灌后田間信息監(jiān)控這一閉環(huán)流程來展開，其設(shè)計特征如下：

①布設(shè)田間農(nóng)情監(jiān)測傳感器：實時采集農(nóng)田氣象信息、土壤墑情、作物水分信息；

②數(shù)據(jù)采集與存儲：通過有線、無線、GPRS的傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫或者網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；

③灌溉綜合決策：對田間農(nóng)情信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用此信息進(jìn)行灌溉分析決策，獲得灌溉時間和適宜灌溉量；

④灌溉自動控制：通過自動灌溉控制系統(tǒng)啟閉水泵和田間電磁閥實施灌溉；

⑤灌后繼續(xù)監(jiān)測：田間實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始新一輪的田間農(nóng)情監(jiān)測。

農(nóng)田精量灌溉系統(tǒng)監(jiān)測和控制流程如圖3所示。

典型案例

精量灌溉決策與控制系統(tǒng)已在北京、新疆和內(nèi)蒙古等?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）推廣應(yīng)用。

項目概況：新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和碩縣智能化精量灌溉決策與控制系統(tǒng)示范區(qū)，位于和碩縣烏什塔拉回族鄉(xiāng)（馬蘭基地旁）。示范區(qū)土地隸屬和碩縣水利局，于2008年在戈壁灘上開墾而成，2009年建成滴灌灌水系統(tǒng)。

技術(shù)指標(biāo)：示范區(qū)灌溉水來源為新疆八一水庫，水庫蓄水經(jīng)灌溉輸水渠道輸送至示范區(qū)田頭蓄水池中，經(jīng)水泵加壓通過過濾系統(tǒng)后為滴灌系統(tǒng)供水。示范區(qū)呈東北向傾斜布置，長度2000m，最大寬度230m，南部最小寬度210m，總面積約700畝（46.67hm2）。示范區(qū)2009年為第1年種植，栽種作物為馬來辣椒。2009年7月，灌溉控制系統(tǒng)在和碩縣灌溉試驗站安裝完成，并同時進(jìn)行了生產(chǎn)運(yùn)用，經(jīng)過近4個月的運(yùn)行證明效果良好。田間工程改造后，灌溉設(shè)計保證率達(dá)到90%，灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.95，項目區(qū)糧食綜合生產(chǎn)能力同比提高15%。

投資費用：項目總投資約15萬元，其中設(shè)備費用投資約10萬元，配套設(shè)施和安裝費用投資約4萬元。主體設(shè)備壽命5年。

圖2　　農(nóng)田精量灌溉決策指標(biāo)與特點

圖3　　農(nóng)田精量灌溉控制與決策系統(tǒng)

發(fā)展前景

考慮國內(nèi)當(dāng)前新農(nóng)村建設(shè)和土地流轉(zhuǎn)新形勢，依據(jù)水資源紅線、勞動力短缺和生態(tài)環(huán)境的要求，需要開展現(xiàn)代灌區(qū)農(nóng)情、水情的實時監(jiān)測和精量灌溉決策技術(shù)與灌溉控制研究，實現(xiàn)信息采集實時化、灌溉管理智能化的節(jié)水型現(xiàn)代灌區(qū)，構(gòu)建并發(fā)展智慧灌區(qū)。智慧型節(jié)水灌區(qū)是以先進(jìn)的科學(xué)發(fā)展理念為引領(lǐng)，在網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)及云計算等高新技術(shù)的支撐下，融合農(nóng)田多尺度信息智能采集、水肥精準(zhǔn)配施及高效利用、智慧決策預(yù)報、水源優(yōu)化調(diào)配、虛擬仿真服務(wù)平臺建設(shè)等多方面的灌區(qū)智慧化關(guān)鍵技術(shù)措施，以可持續(xù)的發(fā)展方式、人水和諧的生產(chǎn)方式為保障，實現(xiàn)信息采集實時化、灌溉水肥精準(zhǔn)化、灌溉管理智能化、灌溉決策智慧化的節(jié)水型灌區(qū)。主要研究內(nèi)容包括：

①以灌區(qū)農(nóng)田作物農(nóng)情信息和環(huán)境要素的數(shù)據(jù)采集、傳輸為基礎(chǔ)，開展從田間到區(qū)域尺度作物及生長環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，實現(xiàn)農(nóng)田實時、可視化和全天候動態(tài)監(jiān)測的功能；

②以多指標(biāo)綜合的精量灌溉決策技術(shù)為核心，確定農(nóng)田不同作物達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)、高效的缺水診斷指標(biāo)及閾值，研究不同尺度作物耗水轉(zhuǎn)化關(guān)系和尺度上推的方法，實現(xiàn)灌區(qū)農(nóng)田耗水、用水、配水、管理的動態(tài)平衡；

③結(jié)合遙感圖像反演地面蒸散發(fā)和同化土壤含水量，利用多點分布的免維護(hù)傳感器采集的土壤墑情信息，構(gòu)建現(xiàn)代灌區(qū)實時、可靠的灌溉預(yù)報和信息發(fā)布系統(tǒng)，最終形成現(xiàn)代灌區(qū)精量灌溉決策與控制，實現(xiàn)智能化管理。

以此基礎(chǔ)研究為支撐，針對全國各個地區(qū)不同特點，可以構(gòu)建如下灌溉管理平臺：

智慧決策預(yù)報技術(shù)與虛擬仿真服務(wù)平臺。以作物生長模擬和SPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移規(guī)律理論為基礎(chǔ)，結(jié)合專家決策、模糊決策等決策技術(shù)和作物缺水診斷指標(biāo)及閾值的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的虛擬仿真。

基于遙感ET的灌區(qū)用水管理及公共服務(wù)平臺。以遙感ET的灌區(qū)用水管理關(guān)鍵技術(shù)為核心，將區(qū)域遙感數(shù)據(jù)與田間實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，并分析關(guān)鍵參數(shù)在田間和灌區(qū)兩個尺度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立基于遙感ET的灌區(qū)用水管理技術(shù)體系和基于GIS的現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用模式綜合評價體系，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建灌區(qū)用水管理信息與技術(shù)服務(wù)體系的公共服務(wù)平臺建設(shè)。

蔡甲冰，張寶忠，劉鈺，中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心）