安地灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型構(gòu)建及系統(tǒng)研發(fā)

羅童元，鄭世宗，張亞東，鄭 雷，范翠翠，李 銳

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020；2.金華市梅溪流域管理中心，浙江 金華 321052；3.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

灌區(qū)節(jié)水的潛力50%靠管理挖掘，灌溉管理水平的提高對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水具有重要意義[1]。而灌溉管理水平的提高，需要注重采用先進的節(jié)水灌溉決策技術(shù)，發(fā)展節(jié)水型灌溉農(nóng)業(yè)[2]。金華市安地灌區(qū)由于城市生活和環(huán)境用水激增，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水受到限制，灌區(qū)水資源矛盾突出。采用灌溉預(yù)測預(yù)報技術(shù)手段，提高灌區(qū)灌溉管理水平是安地灌區(qū)解決水資源緊缺問題的有效途徑。高國治[3]等考慮灌區(qū)土壤水分和影響土壤水分變化因子的空間變異性及預(yù)報的實時性，根據(jù)對灌區(qū)各田塊土壤含水率的預(yù)測，提出灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型，模型預(yù)報精度和應(yīng)用性得到較好的統(tǒng)一，但未開發(fā)決策支持系統(tǒng)。李遠華[4]等運用計算機技術(shù)，以實時資料為基礎(chǔ)，編寫相關(guān)程序?qū)φ暮庸鄥^(qū)進行實時灌溉預(yù)報，但程序?qū)崟r資料需要手動輸入，智能化水平不高。李增煥[5]等通過創(chuàng)建通用型智慧灌溉系統(tǒng)實時灌溉預(yù)報模型，應(yīng)用于贛撫平原灌區(qū)晚稻生育期水管理，但僅局限于水稻實時灌溉預(yù)報。本文旨在結(jié)合金華市安地灌區(qū)現(xiàn)狀，構(gòu)建基于多源感知信息（田間水層、土壤墑情、氣象預(yù)報信息、地下水、滲漏量等）的實時灌溉預(yù)報模型，開發(fā)灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型系統(tǒng)，輔助灌區(qū)用水管理者科學(xué)決策，提高灌區(qū)用水管理水平。

2 模型構(gòu)建

2.1 灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型構(gòu)建

實時灌溉預(yù)報模型集成作物需水量預(yù)報模型、降雨量預(yù)報模型和灌水量預(yù)報模型。

2.1.1 作物需水量預(yù)報模型

模型采用Hargreaves-Samani方法和公共天氣預(yù)報信息對灌區(qū)作物進行ET0預(yù)報。Hargreaves-Samani公式以溫度和太陽輻射為基礎(chǔ)建立的ET0計算模型，是常用的采用氣溫數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)的ET0計算公式，在氣象資料匱乏地區(qū)具有普遍適用性[9]。由于其氣象因子輸入較少（最高、最低氣溫）且公共天氣預(yù)報信息中涵蓋最高、最低氣溫，故可用于ET0預(yù)報。

式中：ET0,HS為Hargreaves-Samani法計算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm?d-1；Ra為大氣頂輻射，MJ?m-2?d-1；Tmax、Tmin分別為日最高、日最低氣溫，℃；λ為蒸發(fā)潛熱，取2.45 MJ?kg-1；C、E、T為模型相關(guān)參數(shù)，取值分別為0.002 3、0.5、17.8。

ETCi為預(yù)報的第i天作物實際蒸發(fā)蒸騰量，采用公式（2）進行預(yù)報：

式中：ETCi為預(yù)報的第i天作物實際蒸發(fā)蒸騰量，mm；ET0i預(yù)為預(yù)報的第i天參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；KCi為作物系數(shù)，無量綱；Ks為土壤水分修正系數(shù)，無量綱。

2.1.2 降雨量預(yù)報模型

我國氣象部門發(fā)布的天氣預(yù)報信息包含天氣類型、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)力等級、短期降雨量預(yù)報信息等。氣象預(yù)報信息可直接從浙江省氣象部門調(diào)用相關(guān)接口。

2.1.3 灌水量預(yù)報模型

開展田間水平衡模擬計算，再考慮作物灌溉制度，確定田間灌水日期及凈灌溉水量，田間水分動態(tài)模擬模型如下：

式中：W0為時段初土壤計劃濕潤層內(nèi)的含水率；Wt為時段末土壤計劃濕潤層內(nèi)的含水率；WT為時段t內(nèi)由于計劃濕潤層深度增加而增加的水量；p0為預(yù)報時段內(nèi)降雨量；K為時段t內(nèi)地下水補給量；M為預(yù)報時段t內(nèi)的灌水量；ET為預(yù)報時段t內(nèi)作物蒸發(fā)蒸騰量，以上變量的單位均為mm。

灌溉定額計算模型為：

式中：m為苗木的灌水定額，mm；Wmax、Wmin分別為作物某生育階段允許的最大、最小儲水量，mm。

2.1.4 多源感知信息

以上模型的應(yīng)用需要大量的實時感知信息作為支撐，主要信息為：

（1）氣象預(yù)報信息：獲取未來一個時段（周或旬）灌區(qū)的天氣預(yù)報信息，包括天氣類型、最高氣溫、最低氣溫、濕度、降雨量等，可通過當(dāng)?shù)貧庀蟛块T實時獲取。

（2）土壤水分信息：包括水田作物的田間水層信息、旱作物的土壤墑情信息。這些監(jiān)測信息是開展實時灌溉預(yù)報的基礎(chǔ)，對于提高預(yù)報精度有重要作用。

（3）其他信息：灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)信息、灌區(qū)作物灌溉制度、灌區(qū)渠系分布信息、滲漏量、地下水補給、田間灌溉水利用系數(shù)資料等信息。

3 系統(tǒng)開發(fā)

綜合考慮模型系統(tǒng)的功能和實用性，采用PHP語言和CodeIgniter開發(fā)框架搭建灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型系統(tǒng)。模型系統(tǒng)嵌入安地智慧灌區(qū)云平臺系統(tǒng)中，為安地智慧灌區(qū)云平臺子模塊。模型系統(tǒng)采用框架開發(fā)，具有輕量、開發(fā)快速、安全性高、靈活等優(yōu)點。模型結(jié)構(gòu)由采集層、數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層等組成。模型系統(tǒng)運行原理見圖1。

圖1 模型系統(tǒng)運行原理圖

（1）采集層：模型構(gòu)建所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由分布在灌區(qū)各個監(jiān)測點的設(shè)備進行實時采集。通過安裝土壤墑情監(jiān)測站對灌區(qū)土壤墑情數(shù)據(jù)進行采集；通過專業(yè)的氣象信息網(wǎng)站獲取灌區(qū)氣象預(yù)報信息；通過現(xiàn)場試驗獲取作物灌溉制度、需水量規(guī)律、地下水、滲漏量等信息。

（2）數(shù)據(jù)層：由數(shù)據(jù)交換與云服務(wù)構(gòu)成，是模型系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，模型系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫中。模型系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析都離不開數(shù)據(jù)層。

（3）模型層：通過采集層和數(shù)據(jù)層獲取基礎(chǔ)信息，進行分析、數(shù)據(jù)處理、計算，將模型運行結(jié)果展示給用戶。

（4）應(yīng)用層：為系統(tǒng)展示界面，將氣象預(yù)報信息、田間水分實時監(jiān)測信息、作物需水量預(yù)報信息、灌溉預(yù)報決策信息展示給用戶或灌區(qū)用水管理者，輔助灌溉決策。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 灌區(qū)概況

金華市安地灌區(qū)位于浙江省中部，地處金華市婺城區(qū)和金東區(qū)，是金華市主要產(chǎn)糧區(qū)和浙江省重點糧食生產(chǎn)功能區(qū)。灌區(qū)設(shè)計灌溉面積8 571 hm2，主要水源為安地水庫，其他小型水庫和國湖提水泵站為補充水源。灌區(qū)主要種植作物為苗木、水稻等，由于種植景觀苗木的效益普遍比種植水稻經(jīng)濟效益高，近些年來，苗木種植占灌區(qū)作物種植絕大部分比例。

4.2 灌區(qū)分區(qū)及監(jiān)測點布設(shè)

考慮灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、主要渠系分布、灌溉習(xí)慣對安地灌區(qū)分為9個灌片：總干渠灌片、西干渠灌片、中干渠灌片、蘇孟支渠灌片、東干渠灌片、金長垅支渠灌片、汪家壟支渠灌片、多湖支渠灌片及澧浦支渠灌片。各片區(qū)土壤質(zhì)地基本相同，種植模式和灌水技術(shù)接近，自然條件接近。

綜合安地灌區(qū)分區(qū)、作物種植結(jié)構(gòu)及監(jiān)測點布設(shè)數(shù)量的經(jīng)濟性，對灌區(qū)土壤墑情/田間水位監(jiān)測點進行合理布設(shè)。監(jiān)測點的布設(shè)必須具有代表性，可代表整個分區(qū)或鄰近分區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)、水文條件、地形地貌、田間滲漏、灌排條件等情況。灌區(qū)分區(qū)及監(jiān)測點布設(shè)見圖2。

圖2 灌區(qū)分區(qū)及監(jiān)測點布設(shè)圖

4.3 實時灌溉系統(tǒng)

基于多源感知的灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型主要涵蓋4個模塊：氣象信息預(yù)報模塊、田間水位/土壤墑情監(jiān)測模塊、灌區(qū)作物需水量預(yù)報模塊及實時灌溉預(yù)報決策模塊。

（1）氣象信息預(yù)報模塊。主要為展示灌區(qū)未來1～10 d的氣象預(yù)報信息，主要包含天氣情況、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)力、降雨量等。氣象預(yù)報信息可通過浙江省氣象局調(diào)入接口獲取或從中國天氣網(wǎng)（http://www.weather.com.cn/）抓取。

（2）田間水位/土壤墑情監(jiān)測模塊。主要為展示灌區(qū)田間水位/土壤墑情監(jiān)測點的田間水位/土壤墑情信息。將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的通訊技術(shù)實時上傳服務(wù)器端，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式儲存于數(shù)據(jù)庫中，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)調(diào)用接口，提供田間水位實時數(shù)據(jù)查詢、分析及校正服務(wù)。

（3）灌區(qū)作物需水量預(yù)報模塊。根據(jù)作物需水量預(yù)報模型和灌區(qū)各分區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)，計算灌區(qū)各分區(qū)未來1～10 d作物需水量預(yù)報值并通過頁面展示，讓灌區(qū)用水管理者了解灌區(qū)各分區(qū)未來一旬作物需水量預(yù)報信息，輔助灌區(qū)用水管理者更好的進行灌區(qū)水資源分配與調(diào)度。

（4）實時灌溉預(yù)報決策模塊。分為常規(guī)灌溉預(yù)報決策和節(jié)水灌溉預(yù)報決策。①常規(guī)灌溉預(yù)報決策依據(jù)群眾灌溉經(jīng)驗（氣溫及天氣情況）和作物灌溉制度進行灌溉預(yù)報決策。灌溉決策過程為每旬旬初獲取未來一旬天氣預(yù)報信息，然后依據(jù)天氣預(yù)報信息確定灌溉頻率：氣溫超過35 ℃放水1次/2 d，30～35 ℃放水1次/3 d，溫度在30 ℃以下放水1次/（4～5）d，若期間下雨（15 mm以下認為是無效降雨）認為放水1次。灌水量根據(jù)灌溉制度決策規(guī)則表（見表1）計算獲取。②節(jié)水灌溉預(yù)報決策基于灌區(qū)作物灌溉制度、灌區(qū)實時多源感知信息等，采用水量平衡法推算灌區(qū)灌水量和灌水時間。每旬旬初獲取未來一旬內(nèi)天氣預(yù)報數(shù)據(jù)、降雨量預(yù)報數(shù)據(jù)、作物ETc預(yù)報數(shù)據(jù)，根據(jù)水量平衡原理對灌區(qū)各站點進行田間水層、土壤墑情預(yù)報。若站點未來一旬內(nèi)未達到土壤水分下限，則不灌溉；若出現(xiàn)缺水狀況，則推算灌水中間日和灌水定額。

表1 灌區(qū)苗木灌溉制度決策規(guī)則表

模型系統(tǒng)基于WebGIS開發(fā)，為金華市安地水庫灌區(qū)智慧灌區(qū)綜合管理平臺子系統(tǒng)，主要功能為展示實時灌溉預(yù)報模型創(chuàng)建的4個模塊。模型系統(tǒng)頁面見圖3。

圖3 模型系統(tǒng)頁面圖

4.4 運行結(jié)果

模型系統(tǒng)應(yīng)用于安地灌區(qū)苗木灌溉期用水管理，采用常規(guī)灌溉預(yù)報決策模式對灌區(qū)進行灌溉用水管理，節(jié)水成效明顯。灌區(qū)2019年7—9月農(nóng)業(yè)灌溉用水量比計劃灌溉用水量減少約352.8萬m3，節(jié)水率18.4%，灌區(qū)放水次數(shù)減少4次（見圖4）。通過采用現(xiàn)代化手段對灌區(qū)灌溉用水進行精細化管理，提高降雨利用率，可提高灌區(qū)用水管理水平。

圖4 灌區(qū)計劃灌水量與實際灌水量對比圖

5 結(jié)語

金華市安地水庫靠近城市，隨著經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平推進，原來以灌溉供水為主的水庫增加城市生活供水、環(huán)境配水功能，灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水大大縮減，灌區(qū)水資源矛盾突出[16]。為緩解安地灌區(qū)水資源緊缺現(xiàn)狀，結(jié)合灌區(qū)實際，創(chuàng)建灌區(qū)實時灌溉預(yù)報模型、開發(fā)模型系統(tǒng)，有效減少灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，提高灌區(qū)用水管理水平。