水稻節水灌溉決策模型的研究

萬偉　李建宜　吳建明

摘 要：我國現有的農田水利灌溉控制系統，已基本滿足自動化控制的要求，由人工作業轉變為了機械化作業，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象，以水稻不同生長期的需水要求和灌溉要求為基礎，提出節水灌溉決策模型的建立。實驗結果表明：水稻節水灌溉模型的使用，節約了大量的水資源，并且提高了水稻的產量。

關鍵詞：智能控制；節水灌溉；仿真模型

中圖分類號：S275 文獻標志碼：A 文章編號：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

我國最新發布的中央1號文件中，明確提出要大規模推進農田水利建設。其中，與節水控制技術相關的主要有兩點：一是把農田水利作為農業基礎設施建設的重點，到2020年農田有效灌溉面積達到10億畝以上，農田灌溉水有效利用系數提高到0.55以上。二是大力開展區域規模化高效節水灌溉行動，積極推廣先進適用節水灌溉技術。隨著國家生態文明建設的深入推進，我國農業節水灌溉不斷提速。

據統計，我國在農田水利建設方面的進展：一是新增高效節水灌溉面積約1億畝；二是高效節水灌溉面積超過3億畝；三是灌溉水有效利用系數達到0.542。

相比于傳統的灌溉方式，有了很大的進步，不過，水資源利用率高的國家已達70%～80%，就此而言，我國依然有很大的上升空間。現有的自動化灌溉系統，能夠實現遠程自動控制，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，達不到智能化控制的要求。為了提高我國農業的水資源利用率和利用效率，進一步解放人類的雙手，從機械化作業轉變為智能化作業，提出水稻節水灌溉決策模型的研究。

2 水稻節水灌溉模型的建立

2.1 水稻品種的選擇

以江蘇省農業科學院糧食作物研究所和江蘇省優質水稻工程技術研究中心共同配育的“寧秈優8號”水稻為對象。使用MATLAB軟件，從“寧秈優8號”水稻[1]自身的生長特性出發，結合水稻栽培學科老師的意見，以及無錫市錫山區太湖水稻示范園區的實際情況，來建立水稻生長需水模型。

水稻全生育期選取140天，秧苗期不進行智能化灌溉，水稻生長模型的灌溉的日期從秧苗插秧（6月15日）后開始計算，將水稻的生長階段分為四個大段，即返青期、分蘗期、拔節長穗期和抽穗結實期，根據各個生長期不同的需水特點建立水稻需水模型，并驗證模型的可行性、適用性。四個生長期中的水稻對環境的要求都各不相同，但對水稻的生長影響最大的還是水分。本文著重考慮水稻各個生長期對水分的需求特性，結合生長環境參數，建立水稻的節水灌溉模型。

2.2 節水灌溉模型相關參數的設定

建立節水灌溉模型，最重要的是確定水稻在各個生長階段的作物需水量，影響作物需水量的因素有氣象條件（如溫度，日照、濕度、風速等）、土壤含水量、作物品種及其生長階段、土壤肥力，農業技術措施、灌溉排水措施等，而影響作物需水量的關鍵參數是作物的蒸騰蒸發量ETc。

本文以標準參考作物蒸發蒸騰量的彭曼公式[2][3]為基礎，結合相關生長環境參數（土壤滲漏量、降水量等）和水稻生長指標，建立灌溉模型，水稻生育期中的灌溉制度用下式確定，時間間隔選取24小時：

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

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

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

以上公式中的未知參數和水稻生長的階段以及生長時段的環境溫度和濕度有關[6]。根據無錫市錫山區的經緯度，結合錫山區的平均溫度、海拔高度、空氣濕度、風速等環境參數，根據《農田水利學習題集》查表得出公式中的相關數據的值，將相關數值代入得出基本的計算公式，然后使用MATLAB建立水稻節水灌溉模型。endprint

由于水稻的生長時間在六月至同年十月左右，選取的溫度范圍為20度至40度，與生長時段有關的參數，按六月至十月的月份劃分，得到相關參數的分布規律，只要將檢測到的溫度值和計算時段的月份，即可自動查找出相關參數，最終的出實際的蒸騰蒸發量。水稻的生長對水層的要求很高，設置適宜水量、水層上限和水層下限，灌溉時，灌溉到適宜水層，按以上公式進行滾輪控制，當水層的值超過上限時，需要排水，排至適宜水層，當水層低于下限時，需要灌溉，同樣灌溉至適宜水層。由此可見，設計的相配套的智能控制系統只需要實現實時的數據傳輸，便能夠實現水稻的稻田水層的智能控制。

3 模型仿真結果分析

MATLAB建立水稻節水灌溉模型后，需要結合水稻實際種植情況，進行仿真分析。

根據溫度的不同和生長階段的不同，在以上公式中選取的相關系數便不同，根據建立的灌溉模型，建立配套的測控系統，在灌溉系統運行時，根據實時檢測到的生長環境中的溫度、濕度、降雨量和地下水位等數據，上位機接收到數據后便可以自動查找出相關系數的值，從而便能計算出蒸騰量，確定計算區間中的灌溉水量，實現智能控制。

經實驗，使用節水灌溉模型進行灌溉的水稻生長區的用水量大大減少，并且水稻的產量更高，品質更好。從長遠的角度講，能夠達到高效節水灌溉的目的，對緩解我國農業用水短缺現象具有非常重要的意義，值得推廣，后期可以根據其他農作物種類的需水、需肥要求進行修改，設計出更符合農作物自身生長特性的測控系統，進一步實現節水灌溉、智能灌溉的要求。

參考文獻：

[1]張亞東，趙慶勇，朱鎮，等.高產優質雜交稻寧秈優8號特性及栽培技術要點[J].中國稻米，2016，22（2）：95-96.

[2]劉夢，羅玉峰，汪文超，等.基于天氣預報的漳河灌區參考作物騰發量預報方法比較[J].農業工程學報，2017，33（19）：156-162.

[3]TRAJKORIC S. Temperature-based approaches for estimating reference evapotranspiration [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2005，131（4）.

[4]彭世彰，徐俊增.水稻控制灌溉理論與技術[M].南京：河海大學出版社，2011.

[5]王衛光，彭世彰，孫風朝，等.氣候變化下長江中下游水稻灌溉需水量時空變化特征[J].水科學進展，2012，23（5）：656-664.

[6]王慶河，李宗堯，繳錫云.農田水利[M].中國水利水電出版社，2006.

[7]邱照寧，晏清洪，王建忠，等.水稻田精準節水灌溉全自動控制系統研究[J].科技創新與應用，2016（25）：23-25.endprint