水稻節(jié)水灌溉決策模型的研究

萬(wàn)偉　李建宜　吳建明

摘 要：我國(guó)現(xiàn)有的農(nóng)田水利灌溉控制系統(tǒng)，已基本滿足自動(dòng)化控制的要求，由人工作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C(jī)械化作業(yè)，但與智能化控制的要求相比，還有很大差距。文章以水稻作物為研究對(duì)象，以水稻不同生長(zhǎng)期的需水要求和灌溉要求為基礎(chǔ)，提出節(jié)水灌溉決策模型的建立。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水稻節(jié)水灌溉模型的使用，節(jié)約了大量的水資源，并且提高了水稻的產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：智能控制；節(jié)水灌溉；仿真模型

中圖分類號(hào)：S275 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0153-02

Abstract： The existing control system of farmland irrigation and water conservancy in China has basically met the the requirement of automatic control， hence the change from manual operation to mechanized operation. However， compared with the requirement of intelligent control， it still has a long way to go. This paper takes the rice crops as the research subject， and on the basis of the requirements of water and irrigation at the different growth stages of rice， establishes a decision-making model of water-saving irrigation. The experimental results show the application of the water-saving model for rice can save a lot of precious water resources， and the yield of rice can be improved.

Keywords： intelligent control； water-saving irrigation； simulation model

1 概述

我國(guó)最新發(fā)布的中央1號(hào)文件中，明確提出要大規(guī)模推進(jìn)農(nóng)田水利建設(shè)。其中，與節(jié)水控制技術(shù)相關(guān)的主要有兩點(diǎn)：一是把農(nóng)田水利作為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)，到2020年農(nóng)田有效灌溉面積達(dá)到10億畝以上，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。二是大力開(kāi)展區(qū)域規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉行動(dòng)，積極推廣先進(jìn)適用節(jié)水灌溉技術(shù)。隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)，我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉不斷提速。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在農(nóng)田水利建設(shè)方面的進(jìn)展：一是新增高效節(jié)水灌溉面積約1億畝；二是高效節(jié)水灌溉面積超過(guò)3億畝；三是灌溉水有效利用系數(shù)達(dá)到0.542。

相比于傳統(tǒng)的灌溉方式，有了很大的進(jìn)步，不過(guò)，水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70%～80%，就此而言，我國(guó)依然有很大的上升空間?，F(xiàn)有的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，但大部分決策判斷依舊依靠人工，比如，稻田的灌溉需要人工判斷是否灌溉或者排水，然后作出決策，達(dá)不到智能化控制的要求。為了提高我國(guó)農(nóng)業(yè)的水資源利用率和利用效率，進(jìn)一步解放人類的雙手，從機(jī)械化作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑鳂I(yè)，提出水稻節(jié)水灌溉決策模型的研究。

2 水稻節(jié)水灌溉模型的建立

2.1 水稻品種的選擇

以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所和江蘇省優(yōu)質(zhì)水稻工程技術(shù)研究中心共同配育的“寧秈優(yōu)8號(hào)”水稻為對(duì)象。使用MATLAB軟件，從“寧秈優(yōu)8號(hào)”水稻[1]自身的生長(zhǎng)特性出發(fā)，結(jié)合水稻栽培學(xué)科老師的意見(jiàn)，以及無(wú)錫市錫山區(qū)太湖水稻示范園區(qū)的實(shí)際情況，來(lái)建立水稻生長(zhǎng)需水模型。

水稻全生育期選取140天，秧苗期不進(jìn)行智能化灌溉，水稻生長(zhǎng)模型的灌溉的日期從秧苗插秧（6月15日）后開(kāi)始計(jì)算，將水稻的生長(zhǎng)階段分為四個(gè)大段，即返青期、分蘗期、拔節(jié)長(zhǎng)穗期和抽穗結(jié)實(shí)期，根據(jù)各個(gè)生長(zhǎng)期不同的需水特點(diǎn)建立水稻需水模型，并驗(yàn)證模型的可行性、適用性。四個(gè)生長(zhǎng)期中的水稻對(duì)環(huán)境的要求都各不相同，但對(duì)水稻的生長(zhǎng)影響最大的還是水分。本文著重考慮水稻各個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)水分的需求特性，結(jié)合生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，建立水稻的節(jié)水灌溉模型。

2.2 節(jié)水灌溉模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

建立節(jié)水灌溉模型，最重要的是確定水稻在各個(gè)生長(zhǎng)階段的作物需水量，影響作物需水量的因素有氣象條件（如溫度，日照、濕度、風(fēng)速等）、土壤含水量、作物品種及其生長(zhǎng)階段、土壤肥力，農(nóng)業(yè)技術(shù)措施、灌溉排水措施等，而影響作物需水量的關(guān)鍵參數(shù)是作物的蒸騰蒸發(fā)量ETc。

本文以標(biāo)準(zhǔn)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的彭曼公式[2][3]為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)（土壤滲漏量、降水量等）和水稻生長(zhǎng)指標(biāo)，建立灌溉模型，水稻生育期中的灌溉制度用下式確定，時(shí)間間隔選取24小時(shí)：

h2=h1+P0+M-ETc-F0-C

式中，h2為某一時(shí)段末田面水層深度，mm；h1為該時(shí)段初田面水層深度，mm；P0為該時(shí)段內(nèi)有效降雨量，mm；M為該時(shí)段內(nèi)水稻灌溉定額，mm；ETc為該時(shí)段內(nèi)水稻實(shí)際蒸騰蒸發(fā)量，即該時(shí)段的水稻作物需水量，mm/d；F0為該時(shí)段內(nèi)稻田滲漏量，mm，結(jié)合錫山區(qū)水稻示范園實(shí)際情況取2mm/d；C為該時(shí)段內(nèi)稻田排水量，mm。

其中，ETc的求解可由ET0乘以作物系數(shù)[4][5]求得。ET0的公式如下：

以上公式中的未知參數(shù)和水稻生長(zhǎng)的階段以及生長(zhǎng)時(shí)段的環(huán)境溫度和濕度有關(guān)[6]。根據(jù)無(wú)錫市錫山區(qū)的經(jīng)緯度，結(jié)合錫山區(qū)的平均溫度、海拔高度、空氣濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)《農(nóng)田水利學(xué)習(xí)題集》查表得出公式中的相關(guān)數(shù)據(jù)的值，將相關(guān)數(shù)值代入得出基本的計(jì)算公式，然后使用MATLAB建立水稻節(jié)水灌溉模型。endprint

由于水稻的生長(zhǎng)時(shí)間在六月至同年十月左右，選取的溫度范圍為20度至40度，與生長(zhǎng)時(shí)段有關(guān)的參數(shù)，按六月至十月的月份劃分，得到相關(guān)參數(shù)的分布規(guī)律，只要將檢測(cè)到的溫度值和計(jì)算時(shí)段的月份，即可自動(dòng)查找出相關(guān)參數(shù)，最終的出實(shí)際的蒸騰蒸發(fā)量。水稻的生長(zhǎng)對(duì)水層的要求很高，設(shè)置適宜水量、水層上限和水層下限，灌溉時(shí)，灌溉到適宜水層，按以上公式進(jìn)行滾輪控制，當(dāng)水層的值超過(guò)上限時(shí)，需要排水，排至適宜水層，當(dāng)水層低于下限時(shí)，需要灌溉，同樣灌溉至適宜水層。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的相配套的智能控制系統(tǒng)只需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，便能夠?qū)崿F(xiàn)水稻的稻田水層的智能控制。

3 模型仿真結(jié)果分析

MATLAB建立水稻節(jié)水灌溉模型后，需要結(jié)合水稻實(shí)際種植情況，進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)溫度的不同和生長(zhǎng)階段的不同，在以上公式中選取的相關(guān)系數(shù)便不同，根據(jù)建立的灌溉模型，建立配套的測(cè)控系統(tǒng)，在灌溉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、濕度、降雨量和地下水位等數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后便可以自動(dòng)查找出相關(guān)系數(shù)的值，從而便能計(jì)算出蒸騰量，確定計(jì)算區(qū)間中的灌溉水量，實(shí)現(xiàn)智能控制。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，使用節(jié)水灌溉模型進(jìn)行灌溉的水稻生長(zhǎng)區(qū)的用水量大大減少，并且水稻的產(chǎn)量更高，品質(zhì)更好。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度講，能夠達(dá)到高效節(jié)水灌溉的目的，對(duì)緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象具有非常重要的意義，值得推廣，后期可以根據(jù)其他農(nóng)作物種類的需水、需肥要求進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出更符合農(nóng)作物自身生長(zhǎng)特性的測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、智能灌溉的要求。

參考文獻(xiàn)：

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