考慮降雨有效利用的水稻灌溉模式的優(yōu)化

陳夢婷，楊琳，吳光星，吳爭光，茆智，崔遠(yuǎn)來，羅玉峰

(1.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430200；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

水稻是中國主要的糧食作物之一，2017年水稻播種面積為30 747 000 hm2，占全國糧食播種面積的26.1%[1]，92%以上的稻田分布在南方.水稻是喜水性作物，在作物生長過程中會(huì)消耗大量的水分，除了人為進(jìn)行灌溉補(bǔ)充外，利用降雨是滿足水稻生長發(fā)育需水的主要途徑.中國雖然降雨豐沛，水資源相對豐富，但由于降雨量時(shí)空分配不均，容易出現(xiàn)季節(jié)性干旱、洪澇等災(zāi)害，加上城市化的進(jìn)程加快，工業(yè)、生活用水急劇增長，農(nóng)業(yè)用水資源減少，節(jié)水問題刻不容緩.在水稻生育期提高有效降雨利用率是減少灌溉用水量、充分挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力、減少氮磷排放的有效措施之一.

國內(nèi)學(xué)者關(guān)于水稻生長期的降雨利用率研究分析表明，水稻生育期內(nèi)，降雨年際間差異大，規(guī)律性差，不同區(qū)域之間也存在差異，降雨利用率、排水量與降雨量存在一定的關(guān)系，且不同灌溉模式下稻田降雨利用率也存在差異[2-3].中國傳統(tǒng)水稻灌溉模式為淹水灌溉(簡稱淹灌)，即在水稻各個(gè)生育階段田間保持一定深度范圍內(nèi)的水層，以水層深度作為灌溉指標(biāo)對水稻進(jìn)行灌溉管理[4].該灌溉模式應(yīng)用廣泛，在各地區(qū)水稻灌溉中發(fā)揮了巨大的參考作用.但傳統(tǒng)灌溉模式各地統(tǒng)一水層深度灌溉并沒有考慮到降雨時(shí)空分布間的差異性，不能充分利用有效降雨，水資源利用率不高.有學(xué)者對水稻灌溉模式進(jìn)行優(yōu)化，雷彩秀等[5]采用蒙特卡羅方法和漳河灌區(qū)實(shí)際降雨資料，建立了以旬灌溉水量為決策變量的水稻灌溉制度優(yōu)化模型，劉路廣等[6]在鄂北地區(qū)利用ORYZA模型構(gòu)建了田間水稻生長模型，并對現(xiàn)行的灌溉模式進(jìn)行了優(yōu)化.另外，經(jīng)過多年試驗(yàn)研究和實(shí)踐，各地總結(jié)出各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，主要包括間歇灌溉模式、薄淺濕曬灌溉模式、淺灌中蓄灌溉模式以及蓄雨型節(jié)水灌溉模式[7-8].其主要特征是田間有水層和無水層交替，在一定程度上考慮了利用降雨，具有節(jié)水、改善土壤肥力、增產(chǎn)等效果.但水稻節(jié)水灌溉技術(shù)通常對管理人員技術(shù)水平要求較高，推廣和應(yīng)用存在一定難度.故考慮降雨有效利用，對傳統(tǒng)淹灌灌溉模式提出一種簡單有效的優(yōu)化方法必要且迫切.

文中以湖北漳河灌區(qū)為例，提出一種考慮降雨有效利用，優(yōu)化水稻傳統(tǒng)淹灌灌溉模式的方法，并結(jié)合降雨統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析優(yōu)化效果和節(jié)水原因，以期減少水稻灌溉用水量，充分挖掘節(jié)水潛力.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取湖北省荊門市漳河灌區(qū)作為分析對象，該區(qū)域受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，多年平均降雨量為940 mm，多年平均氣溫為16.4 ℃.從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)收集了灌區(qū)內(nèi)部鐘祥氣象站點(diǎn)(112°20′E，31°06′N)1955—2017年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和降水量.

1.2 作物需水量計(jì)算

水稻逐日耗水量采用單作物系數(shù)法，計(jì)算公式為

ETci=Kci·ET0i，

(1)

式中：ET0i為第i天參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm，采用Penman-Monteith公式計(jì)算[9]；Kci為第i天的作物系數(shù).根據(jù)漳河灌區(qū)的團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站資料整理得水稻各生育期的作物系數(shù)Kc，返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期Kc分別為0.93，1.23，1.51，1.60，1.44和0.80.

1.3 灌溉制度的推求

1)在水稻生育期內(nèi)第i天，田間的水深可用水量平衡方程表示為

hi=hi-1+Pi+mi-ETci-fi-di，

(2)

式中：hi為第i天灌溉或排水前田間的水深，mm；hi-1為第i-1天末田間的水深，mm；Pi為第i天降雨量，mm；ETci為第i天耗水量；mi為第i天灌水量，mm；fi為稻田滲漏量，根據(jù)地區(qū)土壤數(shù)據(jù)，漳河灌區(qū)稻田滲漏量平均為2 mm/d；di為第i天排水量，mm.

如果某日計(jì)算得到的hi小于該生育期的適宜水層下限，則進(jìn)行灌溉；若hi大于該生育期的適宜水層下限，且小于或等于該生育期降雨后最大蓄水深度，則不灌溉也不排水；若hi大于該生育期降雨后最大蓄水深度，則進(jìn)行排水，即

(3)

(4)

式中：hmin為適宜水層下限，mm；hmax為適宜水層上限，mm；Hp為降雨后最大蓄水深度，mm.

2)逐日推算水量平衡各要素，整理可得整個(gè)生育期灌溉制度.

3)統(tǒng)計(jì)各生育階段降雨利用率與灌水次數(shù)，降雨利用率計(jì)算公式為

(5)

式中：Pt為第t生育階段的降雨量；dt為第t生育階段的排水量.

1.4 灌溉模式優(yōu)化模型

常規(guī)淹灌各生育階段淹灌控制水層標(biāo)準(zhǔn)[4]如表1所示，當(dāng)田間水層深度下降到hmin時(shí)，灌溉至水深hmax，若遇到降雨，可蓄雨至最大深度Hp.為充分利用有效降雨，對傳統(tǒng)淹灌模式進(jìn)行優(yōu)化，改變各生育階段控制水層深度，尋找最大利用降雨兼顧減少灌水次數(shù)的最優(yōu)水層深度組合.在尋優(yōu)過程中，若采用窮舉法，將每種水層深度組合列舉出來，計(jì)算量巨大，故根據(jù)水稻生長發(fā)育過程分階段窮舉優(yōu)化，減少組合數(shù)和計(jì)算量，具體優(yōu)化過程如下.

表1 常規(guī)淹灌各生育階段控制水層深度

1)劃分生育階段.根據(jù)水稻生長過程，將水稻全生育期劃分為7個(gè)不等長的生育階段，分別為返青期、分蘗前期、分蘗末期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期.

2)確定各生育階段水層深度變化范圍.各階段控制水層深度有3個(gè)變量，即適宜水層下限hmin、適宜水層上限hmax和降雨后最大蓄水深度Hp，以表1的數(shù)據(jù)為參考，增加或減少5，10 mm形成5個(gè)水平，每生育階段3個(gè)變量共計(jì)5×5×5=125種水層深度組合.根據(jù)水稻生長實(shí)際情況，返青期、分蘗末期和黃熟期不進(jìn)行優(yōu)化，具體取值范圍如表2所示.

表2 優(yōu)化灌溉模式各生育階段控制水層深度取值范圍

3)逐階段推求灌溉制度.從水稻第一個(gè)生育階段返青期開始，根據(jù)1.3節(jié)的內(nèi)容，推求該階段所有組合的灌溉制度.

4)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，尋找最優(yōu)組合.根據(jù)推求得出的階段灌溉制度，計(jì)算各水層深度組合灌溉模式下的該階段多年平均降雨利用率和多年平均灌水次數(shù)并進(jìn)行歸一化.為滿足充分利用有效降雨兼顧減少灌水次數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化要求，采用加權(quán)系數(shù)法[10]，首先將歸一化后的灌水次數(shù)求負(fù)值，使各目標(biāo)優(yōu)化方向一致，然后賦予各目標(biāo)權(quán)重系數(shù)，建立新的目標(biāo)函數(shù)，即

(6)

使目標(biāo)函數(shù)值最大的水層深度組合就是所求的該生育階段最優(yōu)的水層深度組合.

5)重復(fù)步驟(3)-(4).最優(yōu)水層組合下的階段末田間水層深度作為下一階段的初始田間水層深度，初始田面水深(泡田后田面水深)取30 mm.

該改進(jìn)模型采用python編程實(shí)現(xiàn)，模型實(shí)現(xiàn)具體流程如圖1所示.

圖1 模型實(shí)現(xiàn)流程

2 結(jié)果與分析

為對傳統(tǒng)淹灌模式進(jìn)行優(yōu)化，本研究改變傳統(tǒng)淹灌模式各生育階段控制水層深度，通過推求灌溉制度，計(jì)算各生育階段水量平衡各要素，分析各控制水層深度對節(jié)水效果的影響，并根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)，即最大利用降雨兼顧減少灌水次數(shù)，尋找最優(yōu)水層深度組合，得出優(yōu)化后的灌溉模式，并分析節(jié)水效果.

2.1 優(yōu)化灌溉模式與節(jié)水效果

經(jīng)過優(yōu)化后最佳的灌溉模式田面水層控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，優(yōu)化后的適宜水層下限均為最小水平，降雨蓄水深度均為最大水平.而優(yōu)化后適宜水層上限規(guī)律則不統(tǒng)一，分蘗前期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期優(yōu)化后適宜水層上限分別為50，50，40,25 mm.

表3 灌溉模式優(yōu)化后各生育階段控制水層深度

雖然優(yōu)化后改變了適宜水層深度，但并不會(huì)對水稻產(chǎn)生生理上的負(fù)面影響.因?yàn)殡m然優(yōu)化后適宜水層下限降低，但田間除黃熟期落干外一直保持有水層狀態(tài)，故不會(huì)對水稻造成水分脅迫現(xiàn)象[11-12]，理論上不會(huì)產(chǎn)生減產(chǎn)現(xiàn)象，關(guān)于增大蓄水深度的做法，已有學(xué)者在湖北地區(qū)采用深蓄灌溉方法對水稻進(jìn)行灌溉，蓄水深度達(dá)120～200 mm，并未造成減產(chǎn)現(xiàn)象[13].在參考傳統(tǒng)淹灌模式確定各生育階段控制水層深度變化范圍時(shí)較為粗略，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r和水稻生長發(fā)育情況做出調(diào)整.

優(yōu)化具體效果如表4所示，其中d為排水量，n為灌水次數(shù)，P為降雨量，m為灌水量，r為降雨利用率，各數(shù)據(jù)均為多年計(jì)算結(jié)果平均值.通過表中數(shù)據(jù)可看出，優(yōu)化后降雨利用率平均提高3.78%，其中分蘗前期增幅最大，為6.41%，拔節(jié)孕穗期增幅最小，為4.25%；優(yōu)化后灌水次數(shù)平均減少4.60次，其中乳熟期減少次數(shù)最多，為2.44次，拔節(jié)孕穗期減少次數(shù)最小，為0.07次；同時(shí)優(yōu)化后灌溉定額平均減少25.5 mm，平均節(jié)水率為5.14%，其中拔節(jié)孕穗期節(jié)水率最高，為7.23%，抽穗開花期節(jié)水率最低，為3.84%.

表4 控制水層深度優(yōu)化前后水量平衡要素對比

相比節(jié)水灌溉模式，優(yōu)化后的淹灌灌溉模式除黃熟期落干外，其余生育期田間仍保留水層，而大多數(shù)節(jié)水灌溉模式除返青期保持薄水層外，其他生育階段經(jīng)常露田或曬田，故適宜水層下限仍有下降空間，淹灌模式可進(jìn)一步優(yōu)化.

2.2 控制水層深度對節(jié)水效果的影響

圖2為不同控制水層深度各生育階段灌水量m、灌水次數(shù)n及降雨有效利用率z多年均值.由圖2a可以看出，在水稻的各個(gè)生長階段，隨著適宜水層下限的降低，灌水量和灌水次數(shù)呈減小趨勢，降雨有效利用率則呈上升趨勢，而且灌水量和灌水次數(shù)的變化趨勢較降雨有效利用率變化明顯，適宜水層下限每下降5 mm，平均各生育期灌水量減少7.18 mm，灌水次數(shù)減少2.89次，降雨利用率增加2.99%.這是因?yàn)檫m宜水層下限降低，使得水稻灌溉的間隔時(shí)間變長，灌水定額變大，相應(yīng)的灌水次數(shù)越少，同時(shí)較低的適宜水層下限使得遇雨能存貯更多的雨水，提高降雨利用率，故較小的適宜水層下限優(yōu)化效果好.

由圖2b可以看出，在水稻的各個(gè)生長階段，隨著不同適宜水層上限的增加，灌水量呈增加趨勢，灌水次數(shù)和降雨有效利用率則呈下降趨勢，而且灌水量和灌水次數(shù)較降雨有效利用率的變化趨勢明顯，適宜水層上限每增加5 mm，平均各生育期灌水量增加8.77 mm，灌水次數(shù)減少2.17次，降雨利用率減小3.81%.這是因?yàn)檫m宜水層上限的變化主要影響灌水量和灌水次數(shù).適宜水層上限降低，灌溉后田間水層深度很快達(dá)到適宜水層下限，水稻灌溉的間隔時(shí)間短，灌水頻繁，田間水層長期維持在一個(gè)較低的水平，在降雨后最大蓄水深度不變的情況下，有更大的空間蓄留雨水，從而提高降雨有效利用率；而適宜水層上限越大，灌水定額就越大，灌水次數(shù)少，但由于灌水后田間水層深度增加，遇到較大的降雨田間水層深度易超過蓄水深度，需要排水，從而降低降雨有效利用率.由于模型的目標(biāo)是尋找最大利用降雨兼顧減少灌水次數(shù)，故適宜水層上限的尋優(yōu)在生育期有不同的結(jié)果，其優(yōu)化結(jié)果與水稻生長所處時(shí)期的降雨分布有關(guān).

由圖2c可以看出，在水稻的各個(gè)生長階段，隨著降雨后最大蓄水深度的增加，灌水量和灌水次數(shù)呈減少趨勢，降雨有效利用率則呈上升趨勢，而且降雨有效利用率的變化趨勢較灌水量和灌水次數(shù)變化明顯，降雨后蓄水上限每增加5 mm，平均各生育期灌水量減少3.73 mm，灌水次數(shù)減少0.18次，降雨利用率增加10.80%.這是因?yàn)榻涤旰笞畲笮钏疃仍黾?，主要使田間在遇到等級(jí)較高的降雨時(shí)能蓄留更多的雨水，提高降雨有效利用率，由于有效利用了降雨，需要灌溉的情況頻率降低，相應(yīng)灌水次數(shù)減少，故較大的降雨后最大蓄水深度優(yōu)化效果好.

圖2 不同生育階段灌水量、灌水次數(shù)及降雨有效利用率多年均值

3 結(jié) 論

文中提出一種考慮利用有效降雨，針對傳統(tǒng)淹灌模式進(jìn)行優(yōu)化的方法，并對其節(jié)水原因和節(jié)水效果進(jìn)行分析.主要結(jié)論如下：

1)與傳統(tǒng)淹灌模式相比，優(yōu)化后的灌溉模式適宜水層下限降低10 mm，降雨后最大蓄水深度增加10 mm，而適宜水層上限分蘗前期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期優(yōu)化后適宜水層上限分別為50，50，40，25 mm.

2)優(yōu)化結(jié)果顯示，優(yōu)化后平均降雨利用率提高3.78%，其中分蘗前期增幅最大，為6.41%，灌水次數(shù)減少4.60次，其中乳熟期減少最多，為2.44次，灌溉定額減少25.50 mm，節(jié)水率為5.14%，其中拔節(jié)孕穗期節(jié)水率最高，為7.23%.

3)適宜水層下限和適宜水層上限主要通過影響灌水次數(shù)和灌水量來影響灌溉模式的優(yōu)化效果，降雨后最大蓄水深度主要通過影響降雨有效利用率來影響灌溉模式的優(yōu)化效果.