設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用與番茄灌溉方案優(yōu)化

吳 晨，李發(fā)文，馮 平，劉春來，王現(xiàn)領(lǐng)

設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用與番茄灌溉方案優(yōu)化

吳 晨1，李發(fā)文1※，馮 平1，劉春來2，王現(xiàn)領(lǐng)2

（1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2. 天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

為充分利用雨水資源，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，該研究對(duì)雨水蓄水池容積和大棚番茄灌溉方案進(jìn)行了優(yōu)化。以天津市武清區(qū)一設(shè)施農(nóng)業(yè)小區(qū)為研究區(qū)，根據(jù)2020年6個(gè)場次降雨，對(duì)蓄水池集雨情況進(jìn)行分析，基于AquaCrop模型優(yōu)化大棚番茄灌溉方案，最終設(shè)置3種集雨灌溉情景，采用水量平衡法，分別繪制不同情景的豐、平、枯水年雨水集蓄系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)變化曲線，綜合分析其變化特征并確定雨水蓄水池最優(yōu)容積。結(jié)果表明：研究區(qū)已建蓄水池集雨率約為57%，有較大改進(jìn)空間；番茄優(yōu)化灌溉方案與實(shí)際灌溉方案相比，在產(chǎn)量僅減少5.5%的情況下，可節(jié)省水量23.6 m3，水分利用效率和灌溉利用效率分別提高7.2%和39%，說明優(yōu)化方案在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)可有效節(jié)水；實(shí)際集雨率和實(shí)際灌溉情景下，雨水蓄水池的最佳容積平均值為362 m3，在優(yōu)化灌溉方案和提高雨水收集設(shè)施集雨率后，容積平均值分別為298和288 m3，說明節(jié)水灌溉和提高雨水蓄水池集雨率等措施，對(duì)雨水蓄水池容積優(yōu)化和提高復(fù)用率具有顯著影響。該研究可為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用工程建設(shè)、促進(jìn)非常規(guī)水利用的推廣、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

灌溉；排水；雨水集蓄利用；水量平衡原理；雨水截留率；地下水替代率；供水保證率

0 引 言

中國是一個(gè)水資源短缺的國家，人均占有水資源量不足世界人均水平的1/3。其中，農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的比例從20世紀(jì)80年代的80%降到70%左右，但仍然是用水大戶，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾依舊突出。隨著農(nóng)業(yè)種植和灌溉技術(shù)的發(fā)展，特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，一方面滿足了城市對(duì)果蔬種植的需求，另一方面也加大了農(nóng)業(yè)用水，因此，“開源節(jié)流”是設(shè)施農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路[1-2]。

缺水地區(qū)長期依靠超采地下水進(jìn)行灌溉，而受當(dāng)前地下水壓采、限采政策影響[3-4]，使得農(nóng)業(yè)用水供需矛盾進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。隨著雨水集蓄[5]和節(jié)水灌溉理論技術(shù)的不斷成熟與完善[6-7]，農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用技術(shù)被廣泛推廣和應(yīng)用。集雨蓄水工程蓄水池容積計(jì)算與設(shè)計(jì)是雨水集蓄利用工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[8-9]。目前，國內(nèi)外已進(jìn)行較多的集雨工程設(shè)計(jì)及容積計(jì)算方法研究。其中水量平衡法和容積系數(shù)法是國內(nèi)常用的2種方法。《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》[10]給出了年均降雨量為500～800 mm地區(qū)適用于溫室、大棚灌溉蓄水池容積計(jì)算的容積系數(shù)為0.4～0.5。季文華等[11]認(rèn)為這種確定蓄水工程規(guī)模的方法能夠在較大程度上保證農(nóng)業(yè)用水，但只考慮了年降水量，而沒有充分考慮降水或者雨水利用的年內(nèi)分布，容易使得雨水存貯設(shè)施重復(fù)利用率不高，導(dǎo)致工程效益不足。陳喜靖等[12]提出集雨容積模數(shù)用以描述雨水收集能力與收集程度，按集雨計(jì)劃確定容積模數(shù)，反推設(shè)計(jì)集雨池容積。水量平衡模型則可以模擬時(shí)空尺度上的降水和蓄水的動(dòng)態(tài)變化，并且可以考慮不確定性[13-14]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)城市和農(nóng)業(yè)雨水蓄水池容積的優(yōu)化進(jìn)行了研究。牛文全[15]根據(jù)水量平衡原理，計(jì)算各時(shí)段的水量盈缺狀況并進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算，確定出人畜飲水工程和農(nóng)田補(bǔ)灌工程中雨水集蓄設(shè)施經(jīng)濟(jì)容積的計(jì)算方法。已有學(xué)者[16-17]基于逐日水量平衡模型，根據(jù)不同城市用水模式和長期日降水量確定雨水箱的大小。井雪兒等[18]基于北京市29 a的日降雨資料，采用連續(xù)模擬法，分別繪制3種用水情景下雨水收集利用工程的雨水截留率、自來水替代率、供水保證率以及效益費(fèi)用比變化曲線，綜合分析曲線的變化特征確定出雨水蓄水池最佳設(shè)計(jì)容積。

然而，大部分研究是對(duì)雨水蓄水池容積的單一設(shè)計(jì)，而農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用（Rainwater Harvesting for Irrigation, RWHI）[19]的系統(tǒng)研究相對(duì)較少，尤其是結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的優(yōu)化理論研究相對(duì)不足。目前，關(guān)于城市的雨水集蓄利用系統(tǒng)（Rainwater Harvesting, RWH）[20-24]已較為成熟，可作為參考。針對(duì)以上問題，本文基于水量平衡原理，根據(jù)雨水集蓄利用工程集雨、大棚作物節(jié)水灌溉和雨水蓄水池容積優(yōu)化3部分，建立設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用系統(tǒng)，并給出研究區(qū)內(nèi)不同典型年不同種植模式下的最佳蓄水池容積，以期為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的非常規(guī)水資源利用和節(jié)水灌溉提供參考。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于天津市武清區(qū)天津農(nóng)業(yè)科學(xué)院，是一處設(shè)施農(nóng)業(yè)封閉小區(qū)，地處北緯39°25′38″，東經(jīng)116°57′17″，總面積為6.251萬m2。屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均降水量550～600 mm，降水日數(shù)63～70 d，6—8月降水量約占全年75%，年均日照時(shí)數(shù)2 471～2 769 h。

1.2 雨水集蓄利用系統(tǒng)

研究區(qū)總面積為6.251萬m2，透水區(qū)占比41%，不透水區(qū)包括大棚區(qū)、智能溫室區(qū)、渠道和道路，占比59%。其中，長、寬分別為65 和10 m的7座大棚所在區(qū)域?yàn)榧暝囼?yàn)區(qū)，集雨面為大棚棚面，面積為4 550 m2。目前，集雨試驗(yàn)區(qū)已建雨水蓄水池容積為200 m3。

如圖1所示，雨水集蓄利用系統(tǒng)包括雨水收集設(shè)施、雨水蓄水池和大棚作物雨水灌溉3部分。首先通過大棚側(cè)邊修建的集雨槽收集7座大棚棚面雨水，經(jīng)雨水運(yùn)輸渠道匯入雨水蓄水池儲(chǔ)存，最后根據(jù)灌溉制度用于設(shè)施農(nóng)業(yè)作物灌溉。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用系統(tǒng)

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)包括：降水?dāng)?shù)據(jù)、土壤含水率數(shù)據(jù)、雨水收集數(shù)據(jù)及大棚番茄生長發(fā)育及灌水量數(shù)據(jù)。

1）2019—2020年逐日日照時(shí)數(shù)和1989年1月至2020年10月天津站逐日降雨量，由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供。

2）2020年7、8月份6場蓄水池集雨量數(shù)據(jù)，由研究區(qū)集雨試驗(yàn)區(qū)雨水集蓄工程采集得到。

3）大棚內(nèi)日最高、最低氣溫、日相對(duì)平均濕度、番茄生長發(fā)育、種植管理和產(chǎn)量數(shù)據(jù)由天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所提供。

2 研究方法

參考RWH系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)雨水利用相關(guān)研究成果[19]，該研究建立的設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要計(jì)算3部分?jǐn)?shù)據(jù)。

1）集雨量。收集場次降雨蓄水池集雨數(shù)據(jù)，確定雨水收集設(shè)施的集雨率。

2）需水量。設(shè)施農(nóng)業(yè)作物正常生長發(fā)育所需灌溉水量即為系統(tǒng)的需水量，可通過文獻(xiàn)、記錄作物灌溉數(shù)據(jù)或計(jì)算作物需水量等途徑獲得。

3）雨水蓄水池容積。基于水量平衡模型，考慮每個(gè)時(shí)間步長的輸入量（集雨量）和輸出量（需水量），計(jì)算合適的雨水蓄水池容積。

2.1 集雨量計(jì)算

對(duì)于封閉式的雨水蓄水池，可用下式計(jì)算蓄水池可收集雨量。

式中為蓄水池可收集雨量，m3；為降水量，mm；為初期雨水棄流量，mm；為雨水收集設(shè)施的集雨率，%；為集雨區(qū)匯水面積，m2。

2.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)作物灌溉方案優(yōu)化

2.2.1 AquaCrop模型

AquaCrop是由世界糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）研究提出的用于模擬作物產(chǎn)量對(duì)水分響應(yīng)的模型。與其他模型相比，AquaCrop具有輸入?yún)?shù)少、精度高、適用范圍廣和界面簡單等優(yōu)點(diǎn)。Raes等[25]報(bào)道了AquaCrop的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和算法（圖2）。與許多其他作物生長模型類似，AquaCrop進(jìn)一步開發(fā)了子模塊，包括氣象、土壤、作物和管理4部分。不同的是，該模型考慮了水分對(duì)植物生長的限制并通過3種水分脅迫反應(yīng)模擬樹冠擴(kuò)張速率、氣孔關(guān)閉和衰老加速。

注：Ks表示水分脅迫系數(shù)；WP表示水分生產(chǎn)系數(shù)；HI表示收獲指數(shù)。1表示Ks對(duì)葉片擴(kuò)張的影響；2表示Ks對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響；3表示Ks對(duì)作物衰老的影響；4表示Ks對(duì)WP的影響；5表示Ks對(duì)HI的影響。

在輸入該模型的氣象數(shù)據(jù)中，參考作物蒸散量（ET0）是確定作物需水量的重要依據(jù)。設(shè)施農(nóng)業(yè)參考作物蒸散量（ET0）的計(jì)算與大田作物有所區(qū)別。通常，溫室大棚中空氣不流通，風(fēng)速可近似為零。然而風(fēng)速為零時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Penman-Monteith（P-M）公式中的空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)為零，與實(shí)際不符。為避免這樣的情況，常引入空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)阻抗進(jìn)行修正，并采用Thom等[27]提出的公式計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)阻抗，對(duì)P-M公式進(jìn)行改進(jìn)。

本文基于改進(jìn)的P-M公式計(jì)算設(shè)施農(nóng)業(yè)參考作物蒸散發(fā)量，大量研究表明修正后的P-M公式適用于估算大棚參考作物需水量[28-30]，

式中ET0為參考作物蒸散發(fā)，mm；n為凈太陽輻射，MJ/(m2·d)；為土壤通量，MJ/(m2·d)；為日均平均氣溫，℃；d為飽和水汽壓，kPa；a為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

2.2.2 灌溉方案優(yōu)化評(píng)價(jià)

在實(shí)踐中，通常使用土壤水分下限來啟動(dòng)灌溉的時(shí)間，最常用的下限為允許土壤水分耗竭而不給植物造成壓力，上限值通常用于防止根區(qū)過度排水。該研究利用AquaCrop作物模型來模擬不同灌溉方案下的作物生長發(fā)育，利用3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合分析。評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為以實(shí)際產(chǎn)量為準(zhǔn)的產(chǎn)量變化率（Yield Change Rate, YCR）、水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）和灌溉利用效率（Irrigation Efficiency, IE）來評(píng)價(jià)灌溉方案的優(yōu)劣。

式中YCR為以實(shí)際產(chǎn)量為準(zhǔn)的產(chǎn)量變化率，%；為a為作物產(chǎn)量觀測值，t/hm2；s為作物產(chǎn)量模擬值，t/hm2。

式中WUE為水分利用效率，kg/m3；為作物產(chǎn)量，t/hm2；ETc為作物蒸散發(fā)，mm。

式中IE為灌溉利用效率，kg/m3；為灌溉量，mm。

2.3 蓄水池容積優(yōu)化

雨水蓄水池一般為全封閉式，蒸發(fā)和滲漏損失微小，可忽略不計(jì)。目前，集雨水量平衡確定雨水蓄水池容積的方法中，“供水優(yōu)先”（Yield Before Spillage, YBS）和“集雨優(yōu)先”（Yield After Spillage, YAS）是使用最廣泛的2種方法[16]。在該研究中，大棚作物灌溉時(shí)間一般在上午8時(shí)至9時(shí)，大部分時(shí)間蓄水池先“供水（灌溉）”，后“集雨”，因此，YBS法更適用于這項(xiàng)研究。雨水蓄水池的供需水量平衡方程可表示為

式中C為模擬的第個(gè)蓄水池的容積，m3；S-1,j，S,j分別為第個(gè)蓄水池第個(gè)月初、末的蓄水池儲(chǔ)水量，m3；Y,j，Q,j分別為第個(gè)蓄水池和個(gè)月的供水量和蓄水池收集到的雨量，m3；D，W分別為時(shí)刻的需水量和蓄水池可收集雨量，m3。

該研究使用雨水截留率、地下水替代率和供水保證率3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)估模型運(yùn)行性能和蓄水池容積的合理性，指標(biāo)數(shù)值范圍均為0～1。

雨水截留率RC,j是在一定時(shí)期內(nèi)雨水蓄水池收集到的雨量占匯水區(qū)蓄水池可收集雨量的比值。該指標(biāo)是衡量雨水集蓄利用工程收集雨水能力、緩解匯水區(qū)內(nèi)澇問題功效的重要指標(biāo)之一。

式中為計(jì)算期內(nèi)的總月數(shù)；Q,j為第個(gè)蓄水池第個(gè)月蓄水池收集到的雨量，m3。

地下水替代率GW,j是在一定時(shí)期內(nèi)蓄水池提供的總雨量與該時(shí)期內(nèi)的總需水量的比值。該指標(biāo)是衡量雨水集蓄利用工程替代地下水、緩解水資源短缺問題功效的重要指標(biāo)。

式中D為第個(gè)月的需水量，m3。

供水保證率g是在一定時(shí)期內(nèi)雨水集蓄利用系統(tǒng)在時(shí)間上能夠充分滿足研究區(qū)需水量的概率。該指標(biāo)是評(píng)估雨水集蓄利用工程供水能力和可靠率的重要指標(biāo)。

式中為蓄水池蓄水量無法完全滿足需水量的時(shí)間，月。

綜上所述，蓄水池容積優(yōu)化目標(biāo)為地下水替代率最大和供水保證率最高。優(yōu)化過程中考慮的約束條件包括：1）水量平衡約束；2）蓄水池容積約束；3）供水約束。因此，優(yōu)化模型描述如下：

在所有蓄水池容積方案中，選擇目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的容積作為最優(yōu)蓄水池容積。

具體計(jì)算流程見圖3。根據(jù)以下步驟進(jìn)行容積優(yōu)化。

1）給定蓄水池儲(chǔ)水量初始值S和蓄水池模擬容積C，根據(jù)大棚作物需水量D和棚面集雨確定當(dāng)前時(shí)刻作物需水量和蓄水池可收集雨量W，根據(jù)式（6）計(jì)算雨水蓄水池供水量Y。

2）當(dāng)W小于蓄水池余留容積時(shí)，由式（7）得時(shí)刻末即下一時(shí)刻初的雨水蓄水池儲(chǔ)水量S,j=S-1,j+W-Y,j，否則產(chǎn)生溢流，S,j=C。

3）由式（8）得到蓄水池收集到的雨量Q,j。

4）循環(huán)步驟1）、2）、3）。

5）時(shí)間序列循環(huán)結(jié)束后，由式（9）～（12）得到蓄水池容積為C時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值和目標(biāo)函數(shù)值。

6）重復(fù)以上步驟，當(dāng)雨水蓄水池容積增加使得目標(biāo)函數(shù)數(shù)值僅增加1%或更小時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)雨水蓄水池容積。

注：S0為蓄水池初始儲(chǔ)水量，m3；Cj為模擬的第j個(gè)蓄水池的容積，m3；Yi,j，Qi,j分別為第j個(gè)蓄水池第i個(gè)月的供水量和蓄水池收集到的雨量，m3；Si-1,j，Si,j分別為第j個(gè)蓄水池第i個(gè)月初、末的蓄水池儲(chǔ)水量，m3；Di，Wi分別為需水量和蓄水池可收集雨量，m3；λGW,j，λGW,j-1分別為模擬第j、j-1個(gè)蓄水池容積時(shí)的地下水替代率，%；gj，gj-1分別為模擬第j、j-1個(gè)蓄水池容積時(shí)的供水保證率，%。

3 實(shí)例分析

3.1 降水典型年集雨量

集雨試驗(yàn)區(qū)收集到2020年6場次降雨和蓄水池集雨數(shù)據(jù)，并根據(jù)式（1）計(jì)算得到棚面產(chǎn)流量，蓄水池實(shí)測集雨量與產(chǎn)流量相比得到雨水收集設(shè)施的集雨率（表1）。確定雨水收集設(shè)施集雨率后，將天津市年降雨量進(jìn)行頻率計(jì)算，選用水文頻率分布線型為Pearson-III型曲線，采用適線法將資料序列（1989—2020年）劃分成不同典型年。選取降水保證率25%、50%、75%對(duì)應(yīng)的降雨量值作為典型豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值。選取與設(shè)計(jì)值相等或接近的年份作為代表年，利用同倍比法對(duì)代表年日降雨過程進(jìn)行縮放，得到不同典型年設(shè)計(jì)降雨年內(nèi)分配。由公式（1）得到蓄水池逐日可收集雨量，按月累加得到各月W，作為雨水蓄水池容積優(yōu)化模型的輸入。

表1 研究區(qū)集雨信息

3.2 番茄灌溉優(yōu)化方案設(shè)置

3.2.1 AquaCrop模型的構(gòu)建

天津市常見設(shè)施農(nóng)業(yè)種植作物有蔬菜和水果，一年一茬到一年四茬不等。該研究以2019年9月至2020年2月為研究時(shí)間序列，以1日為步長，對(duì)大棚番茄進(jìn)行建模。在模型的初始操作界面，依次輸入氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

1）氣象數(shù)據(jù)

模型需要輸入的氣象數(shù)據(jù)包括：日最高溫度、日最低溫度、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)空氣濕度、大氣CO2濃度和參考作物蒸散量（ET0）。CO2濃度采用模型默認(rèn)的數(shù)據(jù)——Maunaloa.CO2，其余氣象數(shù)據(jù)由武清區(qū)天津農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。調(diào)整FAO研發(fā)的ET0計(jì)算器參數(shù)，可使其計(jì)算公式與估算大棚參考作物需水量的式（2）一致，最終計(jì)算得到大棚參考作物蒸散量（ET0），建立氣象數(shù)據(jù)庫.CLI。

2）作物數(shù)據(jù)

查閱有關(guān)大棚內(nèi)番茄生育期的相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合研究區(qū)作物生長實(shí)際情況以及FAO推薦的作物參數(shù)，確定作物的生育期、種植密度、最大有效根深、收獲指數(shù)等參數(shù)，建立模型作物數(shù)據(jù)庫.CRO。研究區(qū)大棚番茄為 土壤栽培，每年夏季（7—8月）悶棚消毒，定植后覆蓋黑色地膜，畝定植1 300株，生育期各階段信息如表2所示。

3）土壤數(shù)據(jù)

根據(jù)FAO和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA）所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database, HWSD）確定研究區(qū)的土壤類型為壤土，土層厚度為40 cm，容重為1.41 g/cm3，田間持水量、飽和含水量和凋萎系數(shù)分別為26.8%、43.9%和13.3%，飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)190 mm/d。建立土壤參數(shù)數(shù)據(jù)庫文件.SOL。

表2 大棚番茄生育期

4）管理參數(shù)數(shù)據(jù)

管理數(shù)據(jù)主要包括灌溉數(shù)據(jù)和田間管理數(shù)據(jù)兩部分。灌溉數(shù)據(jù)包括灌溉方式、灌溉時(shí)間和灌溉定額，灌溉方式包括溝灌、漫灌、滴灌等。耕作措施參數(shù)設(shè)置為：施肥水平無限制且灌溉不產(chǎn)生地表徑流，其中滴灌具有蒸發(fā)損失小，不產(chǎn)生地表徑流的特點(diǎn)，加蓋地膜后可進(jìn)一步減小蒸發(fā)，且滴灌在番茄的大棚種植中已有較好的應(yīng)用。武清研究區(qū)大棚番茄灌溉情況為平均6 d澆一次水，總計(jì)灌溉19次，單次灌溉量約4 m3，總計(jì)灌溉量 74 m3。根據(jù)田間實(shí)際措施建立管理參數(shù)數(shù)據(jù)庫文件.MAN。

5）地下水與土壤初始條件

研究區(qū)的地下水埋深較淺，平均地下水位為3.5 m。土壤初始條件保持不變。模型運(yùn)行的初始條件包含土壤層數(shù)、土壤層厚度以及各層初始含水量。

3.2.2 模型參數(shù)驗(yàn)證

由于驗(yàn)證數(shù)據(jù)較少，因此不再進(jìn)行參數(shù)率定，參考FAO提供的作物參數(shù)的參考范圍值，參考文獻(xiàn)[31]及番茄實(shí)際生長情況，確定AquaCrop模型參數(shù)。主要參數(shù)有單株苗初始冠層覆蓋面積為5.8 cm2/株，最大冠層覆蓋度為75%，冠層增長系數(shù)為0.007 5%，冠層衰減系數(shù)為0.004%，標(biāo)準(zhǔn)化的水分生產(chǎn)效率為18 g/m2，最大有效根深為1 m，參考收獲系數(shù)為50%。

對(duì)2019年9月至2020年2月的秋冬茬大棚番茄產(chǎn)量進(jìn)行驗(yàn)證，以評(píng)估模型的適用性。選擇相對(duì)誤差（Relative Error, RE）來評(píng)估模擬效果，計(jì)算公式如下：

RE=|–|/（13）

式中和分別是產(chǎn)量的觀測值和模擬值，t；RE描述產(chǎn)量模擬值的精準(zhǔn)度，相對(duì)誤差在±20%以內(nèi)，認(rèn)為模型能夠較好地模擬作物的生長狀況。

3.2.3 番茄灌溉方案設(shè)置

設(shè)置3種灌溉總量，分別為W1（50%的作物需水量）、W2（75%的作物需水量）和W3（100%的作物需水量）。設(shè)置2種單次灌溉量，分別為I1（單次10 mm/m2）、I2（單次5 mm/m2）。兩兩組合共有6種灌溉方案，并與研究區(qū)實(shí)際灌溉方案進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 大棚番茄灌溉方案

3.3 集雨灌溉情景設(shè)置

圍繞“開源節(jié)流”的思想，模擬3種集雨灌溉情景，優(yōu)化各情景不同典型年的最佳蓄水池容積。首先以實(shí)際情況為例設(shè)置情景1，集雨率為57%，大棚番茄實(shí)施實(shí)際灌溉方案；接下來模擬節(jié)水灌溉方案對(duì)蓄水池容積的影響，設(shè)置情景2，集雨率為57%，大棚番茄實(shí)施優(yōu)化后的灌溉方案；最終，模擬提高雨水收集設(shè)施集雨率和節(jié)水灌溉后對(duì)蓄水池容積的影響，設(shè)置情景3，集雨率為80%，大棚番茄實(shí)施優(yōu)化后的灌溉方案。詳見圖4。

圖4 集雨灌溉情景

根據(jù)3.1介紹的計(jì)算步驟，得到各情景的逐月W?；谥鹪滤科胶庠恚捎眯钏厝莘e優(yōu)化模型估算各情景豐、平、枯水年的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析其隨蓄水池容積改變而變化的特征，確定不同典型年蓄水池最佳容積。

4 結(jié)果與分析

4.1 集雨率與降水量分析

由研究區(qū)集雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，雨水集蓄利用工程平均集雨率約為57%（表1）。集雨率較低主要存在以下2方面原因：1）雨滴降落到棚面時(shí)存在一定的濺落現(xiàn)象，導(dǎo)致部分棚面產(chǎn)流無法進(jìn)入集雨溝渠；2）集雨設(shè)施的集雨渠道存在滲漏和填洼情況?！队晁罾霉こ碳夹g(shù)規(guī)范》[10]中關(guān)于降雨量500～1 000 mm地區(qū)裸露塑膜集流效率推薦值為85%～92%。楊封科[32]利用1996—1998年連續(xù)監(jiān)測不同集水面積上不同降雨量下的集水率在84.4%～93.6%之間，平均為88.06%。因此，本研究區(qū)雨水集蓄設(shè)施有很大改進(jìn)空間。

經(jīng)年降水量頻率計(jì)算得到，天津市31a平均年降雨量為514.36 mm，典型豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值分別為574.62、501.11、439.71 mm。選與設(shè)計(jì)值相等或接近的年份2016、1996、2002年分別作為豐、平、枯代表年。

不同典型年不僅在降雨量上差別較大，且降雨天數(shù)及日降雨量也有較大差別。其中，豐水年存在一場特大暴雨，24 h降雨量達(dá)200 mm，大雨及中雨場次較多且降雨量高。平水年有2場暴雨，中雨及大雨場次較多，降雨量比豐水年稍低?？菟隂]有暴雨及以上降雨，雖中雨和大雨場次和豐、平水年相當(dāng)，但是場次降雨量較低。根據(jù)圖5分析不同典型年雨量等級(jí)占比發(fā)現(xiàn)，由于豐水年降雨天數(shù)多，因此中雨及大雨相對(duì)歷時(shí)比平水年和枯水年低，但是日降雨量高且降雨總天數(shù)長，使得年降雨量較高?？偟膩碚f，豐平枯水年均是小雨占比較高，均在70%以上，因此無效降雨較多，導(dǎo)致產(chǎn)流量較少。

4.2 番茄灌溉方案優(yōu)化分析

構(gòu)建AquaCrop模型后，模擬得到大棚番茄產(chǎn)量模擬值為8.18 t/hm2，實(shí)測值為8.21 t/hm2。結(jié)果表明，產(chǎn)量的相對(duì)誤差為0.4%。因此模型經(jīng)過本地化確定的參數(shù)適用于模擬研究區(qū)大棚番茄的生長發(fā)育狀況。

由結(jié)果（表4）可知，方案I1W1和I1W2番茄產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量相比分別降低了16.9%和5.5%，雖然I1W2的灌溉利用效率較低，但是水分利用效率與I1W1相當(dāng)。 方案I1W3的番茄產(chǎn)量雖沒有減少，但是水分利用效率相對(duì)I1W1和I1W2分別降低了5.8%和5.1%，灌溉利用效率降低39.8%和23.1%。綜上所述，大棚番茄產(chǎn)量由大到小灌溉方案排序?yàn)椋篒1W3等于I2W3、I1W2、I2W2、I1W1、I2W1；水分利用效率排序?yàn)椋篒1W1、I1W2、I2W2、I2W1、I1W3、I2W3；灌溉利用效率排序?yàn)椋篒1W1、I2W1、I1W2、I2W2、I1W3、I2W3?？梢钥闯龇桨窱1W2綜合表現(xiàn)較好。I1W2與實(shí)際方案相比，在產(chǎn)量僅僅減少5.5.%的情況下，可節(jié)省水量23.6 m3，水分利用效率和灌溉利用效率分別提高7.2%和39%。因此選定為大棚番茄節(jié)水灌溉方案。

圖5 豐、平、枯水年降雨相對(duì)歷時(shí)曲線

表4 灌溉方案評(píng)價(jià)結(jié)果

4.3 不同情景下最佳蓄水池容積分析

3種情景下豐、平、枯水年不同蓄水池容積下的雨水截留率、地下水替代率和供水保證率變化曲線（圖6）顯示，不同典型年雨水截留率、地下水替代率和供水保證率均隨蓄水池容積的增加而升高，在容積到達(dá)某值后，地下水替代率和供水保證率不再變化。3種情景地下水替代率和供水保證率均可達(dá)到100%，說明各情景的雨水池蓄水量均可滿足棚內(nèi)作物的灌溉用水量。然而，雨水截留率較低，在最佳蓄水池容積時(shí)沒有達(dá)到100%，說明可收集雨量沒有得到充分利用，棚面集雨棄雨量較多。相較于豐水年和平水年，枯水年降水量少，地下水替代率和供水保證率曲線達(dá)到最大值時(shí)，所需蓄水池容積更大。在地下水替代率和供水保證率不再變化的節(jié)點(diǎn)，豐、平、枯水年雨水截留率數(shù)值則依次升高。這說明，降水量越少，雨水蓄水池越大，棄流量則越小，相對(duì)來說對(duì)雨水資源的利用率更高。

研究區(qū)雨水集蓄利用試驗(yàn)區(qū)已建雨水池總?cè)莘e為200 m3，各大棚按現(xiàn)有灌溉制度種植番茄。表5顯示，已建雨水蓄水池不同典型年供水總量均值為356.3 m3，雨水截留率、地下水替代率和供水保證率分別為35.78%、68.78%和65.48%，說明蓄水池容積較小，沒有充分收集并利用可收集雨量?，F(xiàn)有蓄水池供水量替代地下水量較少，對(duì)節(jié)約與保護(hù)地下水資源貢獻(xiàn)較小，且保證大棚番茄灌溉用水量程度低。由圖6可知，情景1地下水替代率和供水保證率可達(dá)100%，表明雨水資源豐富且可供應(yīng)7所大棚灌溉用水。綜上所述，改進(jìn)現(xiàn)有雨水集蓄利用工程是必要的。

圖6 3種情景不同典型年下雨水蓄水池評(píng)價(jià)指標(biāo)隨蓄水池容積變化曲線

表5 已建雨水蓄水池評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表6顯示，各情景下豐、平、枯水年供水總量均大于蓄水池容積，說明蓄水池復(fù)用率較高，與容積系數(shù)法所求容積相比，節(jié)省了容積。相比已建蓄水池容積，情景1不同典型年地下水替代率和供水保證率均達(dá)到了100%，高效利用了可收集雨量，進(jìn)一步說明現(xiàn)有工程中的雨水蓄水池容積需要擴(kuò)大。3種情景下不同典型年雨水蓄水池最佳容積平均值分別為362、298、288 m3。情景1和情景2表明，優(yōu)化作物灌溉方案，減小用水量對(duì)節(jié)省蓄水池容積的影響非常顯著，平均雨水蓄水池容積節(jié)省了64 m3，使得蓄水池的復(fù)用率更高，降低建設(shè)成本。情景2和情景3對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雨水集蓄利用設(shè)施集雨率提高，各月蓄水池可集雨量增加，則6—8月份需要提前儲(chǔ)存的雨量減少，可節(jié)省蓄水池容積，提高復(fù)用率。綜上所述，節(jié)水灌溉、改善雨水集蓄利用設(shè)施并提高蓄水池集雨率，對(duì)雨水集蓄利用工程的發(fā)展具有重要意義。

表6 各情景最佳蓄水池容積及各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果

5 結(jié) 論

該研究基于“節(jié)流開源”的思想，構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程包括集雨量計(jì)算，設(shè)施農(nóng)業(yè)作物灌溉優(yōu)化和雨水蓄水池容積優(yōu)化3部分。得到以下結(jié)論：

1）該研究區(qū)已建集雨設(shè)施的集雨率約為57%，仍有較大改進(jìn)空間。天津近31a典型豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值分別為574.62、501.11、439.71 mm，其中小雨占比較高，約為全年降雨的70%。

2）優(yōu)化后的灌溉方案與實(shí)際灌溉方案相比，在產(chǎn)量僅減少5.5%的情況下，可節(jié)省水量23.6 m3，水分利用效率和灌溉利用效率分別提高7.2%和39%。

3）3種集雨灌溉情景顯示，在實(shí)際集雨率和實(shí)際灌溉情景下，雨水蓄水池不同典型年的最佳容積平均值為362 m3，在節(jié)水灌溉和提高集雨率后的情景下，容積平均值分別為298和288 m3，表明優(yōu)化作物灌溉方案降低用水量和改善雨水集蓄利用設(shè)施提高蓄水池集雨率等措施，對(duì)優(yōu)化雨水蓄水池容積和農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用工程的發(fā)展具有重要意義。

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Rainwater harvesting and tomato irrigation schemes optimization for facilities agriculture

Wu Chen1, Li Fawen1※, Feng Ping1, Liu Chunlai2, Wang Xianling2

(1.300072; 2300061)

A rainwater harvesting has been widely used to collect and store the rainwater into natural reservoirs or tanks for later purposes, further to balance between water supply and demand in recent years. In this study, a systematic optimization was conducted on rainwater harvesting for tomato irrigation. A protected agricultural plot was also chosen as the study area in the Wuqing District, Tianjin of China. A storage tank was then built with a volume of 200 m3. A rainwater harvesting rate was calculated, according to six rainfall events in 2020 and the runoff from the surfaces of seven greenhouses. At the same time, the data set on tomato irrigation in the greenhouses was collected for the crop models. An irrigation scheme was first optimized for the tomatoes in the greenhouses using the improved Penman-Monteith formula and AquaCrop model. Then, three schemes of rainwater harvesting and irrigation were established, including the actual rainwater harvesting with the actual irrigation scheme, the actual rainwater harvesting with the optimized irrigation scheme, and the improved rainwater harvesting with the optimized irrigation scheme. Finally, the water balance was applied to calculate the rainwater retention rate, groundwater replacement rate, and water supply guarantee rate in the rainwater harvesting system for different schemes in a wet, normal, and dry year. Optimal storage was thus achieved after the comprehensive analysis of reliability indexes. The results showed that the rainwater harvesting rate of the project in the study area was about 57%, indicating much potential for improvement. The optimized irrigation scheme for the tomatoes saved 23.6 m3of water, but the yield decreased by 5.5%, compared with the actual. Furthermore, the water use and irrigation efficiency increased by 7.2% and 39%, respectively, indicating that the optimized scheme effectively saved the water while holding the crop yield. Besides, the rainwater interception rate, groundwater replacement rate, and probability of water supply increased as the volume of storage tank increased. There was no change in the groundwater replacement rate and the probability of water supply when the storage tank volume reached the optimum volume. Additionally, the magnitude of the rainwater interception rate increased with the decrease of the precipitation. More importantly, the total annual water supply was 356.3 m3in the existing project, where the rainwater interception rate, groundwater replacement rate, and probability of water supply were 35.78%, 68.78%, and 65.48%, respectively. Correspondingly, there was also an urgent need to improve rainwater harvesting and irrigation schemes. Specifically, the average volume of the rainwater storage tank was saved 64 m3for the higher reuse, while the lower construction costs in Scheme 2, compared with Scheme 1. Similarly, Schemes 3 saved 10 m3average volume of the rainwater storage tank, compared with Scheme 2. Moreover, the optimal volumes of the storage tank in each scheme were 362, 298, and 288 m3, respectively. Consequently, improved rainwater harvesting and irrigation schemes were achieved to optimize the rainwater tank, thereby reducing the consumption of irrigation water for a higher rainwater collection rate. This finding can also provide a strong reference to guide the construction of agricultural rainwater harvesting and storage projects, as well as the promotion of non-conventional water use in sustainable agriculture.

irrigation; drainage; rainwater harvesting and utilization; water balance; rainfall interception rate; groundwater replacement rate; probability of water supply

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.018

S271

A

1002-6819(2021)-21-0153-10

吳晨，李發(fā)文，馮平，等.設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用與番茄灌溉方案優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(21)：153-162.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.018 http://www.tcsae.org

Wu Chen, Li Fawen, Feng Ping, et al. Rainwater harvesting and tomato irrigation schemes optimization for facilities agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 153-162. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.018 http://www.tcsae.org

2021-06-14

2021-10-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51879181）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0401407）

吳晨，研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。Email: wuchen1229@163.com

李發(fā)文，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源研究。Email: lifawen@tju.edu.cn