基于ISAREG模型的平原地區灌區灌溉制度優化研究

高立杰

(聊城市東昌府區沙鎮鎮水利站，山東 聊城 252031)

我國是農業大國，灌溉用水是主要的農業用水，而水資源有限，因此對于旨在控制灌溉水量或者改進灌溉方式來實現產品的產量或者效益最優的灌溉制度[1]的研究就尤為重要。

早在20世紀60年代，國內外學者就進行了相關的研究，對灌溉制度的優化取得了一定成果。郭宗樓[2]通過非線性模型對作物怎樣達到產量最優化進行了研究。尚松浩[1]通過灌溉的日期進行作物灌溉制度的優化。崔遠來[3]、袁宏源[4]等人提出了多維動態的模型對于灌溉制度的優化進行了研究。張建新[5]使用EViews模型對新疆疏勒流域灌區進行了定額預測分析。葛旭峰[6]通過試驗對龍塘水庫灌區冬小麥和夏玉米的最優灌溉制度進行了分析。崔遠來[7]、Dudley[8]等人使用SDP模型對于單一植物的灌溉制度進行了優化。灌溉制度的優化對于植物生產的意義不言而喻，目前主要是試驗方法，使用數值模擬的較少。

本文在前人灌溉制度優化方面的研究基礎上，使用ISAREG模型對黃河流域灌區番茄在不同灌水量以及是否含有覆蓋膜條件下的生長發育進行模擬，得出最佳的灌溉制度，為實際作物的種植提供參考。

1 模型建立

本文選取的黃河流域平原地區灌區屬于溫帶大陸性氣候，常年四季分明，溫度變化較大。地區的土壤為壤土，土壤內有機物的含量為15.9g/kg，0～50cm內土壤平均容重為1.39g/kg。

本文采用葡萄牙里斯本技術大學研發的ISAREG模型[9]對該灌區灌溉制度優化進行分析。該軟件通過模擬灌溉區內水分的變化，對該區域的灌溉制度進行分析，計算區域內灌溉需要的水量和對應的灌溉區內植物需要的水量。灌溉模型本構方程為水量平衡方程，見公式(1)。

(1)

式中,θi—第i天根系層的土壤含水率,%；Pi—第i天的有效降雨量,mm；Imi—第i天的凈降雨量,mm；ETai—第i天植物的實際蒸騰量,mm；DPi—第i天的深層滲漏,mm；GWi—第i天的地下水補給量，mm；Zri，第i天的根系層深度，m。

ISAREG模型的操作流程如圖1所示。

圖1 ISAREG模型流程圖

作物數據主要包含作物的類型、生長期、作物反應系數、計劃濕潤層、實效水可利用系數等。土壤數據包括土壤分層、土壤每層的田間持水率和土壤深度、有效含水率(TAW)、調位系數、灌溉后蒸騰量(TEW)以及大氣蒸發占主要作用蒸發的水量(REW)等。氣象數據包括作物蒸騰量、灌溉區內的最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫、日照時間、降雨量和風速等。其中有效降雨量采用公式(2)進行計算。灌溉特征數據包括灌溉方式、灌水定額以及時間安排、地下水數據的情況等。

Pe=α·P

(2)

式中,Pe—有效降雨量,mm；P—實際降雨量,mm；α—有效降雨系數。

本文對實際番茄種植后含有覆蓋膜和沒有覆蓋膜通過180mm、210mm、240mm三種不同的定額水量分成六個工況進行研究，具體工況分配見表1。

表1 灌溉工況布置

根據ISAREG模型進行相關參數設置，實際模擬灌溉區土壤分為三層，從上到下分別為粉壤土、粉土和粉壤土。其他的數據根據實際情況記錄進行相關計算后進行設置。根據實際情況進行模型系數的修正，番茄的作物系數在生長初期、生長中期、生長后期分別為0.26、0.63、0.46，產量反應系數為1.06。

2 結果分析

2.1 模型驗證

從對灌區進行灌水開始，進行100d的土壤含水量抽樣監測，六種工況進行計算后不同時期的土壤含水率隨時間的變化曲線與實驗數據對比如圖2所示。

根據圖2可知，從第一次灌水開始，隨著時間的增加，土壤中含水率降低，當再次進行灌溉時土壤的含水率發生突變，然后逐漸降低。將使用ISAREG模型計算的土壤含水率隨時間變化曲線與實驗抽樣數據進行對比發現數據基本吻合。六種工況計算值的平均誤差分別為3.4%、2.9%、4.0%、3.8%、3.3%、3.5%，均小于5%；最大誤差分別為4.3%、6.3%、4.5%、7.8%、4.3%、4.5%，均在10%范圍內。說明ISAREG模型可以很好地用來進行灌區灌溉制度優化模擬。

2.2 灌溉特征量結果分析

使用ISAREG模型計算出六種不同工況下的番茄生長灌溉制度特征指標見表2。

圖2 不同工況下含水率隨時間變化曲線

表2 計算結果

由表2可知，不管是否有覆蓋膜，隨著灌水量的增加，土壤內地下水補給和滲漏量均出現先減小后增大的趨勢，而實際蒸騰量則正好相反。將有覆蓋膜和沒有覆蓋膜進行對比發現，有覆蓋膜條件下土壤內的地下水補給、滲漏量和實際蒸騰量均要小于同樣條件下沒有覆蓋膜的土壤，說明覆蓋膜對于植物的影響比較明顯。

圖3 不同工況下的灌溉效率

根據圖3可知，隨著灌水量的增加，土壤的灌溉效率先增加后減小，這主要是由于三種不同的灌水量的施加次數不一樣。參考表1和圖2進行分析可知，在剛開始植物生產期進行灌水有助于植物的生產，隨后在合適的時間和開花期進行了第二次和第三次灌水。主要區別在第四次灌水，灌水量為180mm時只進行了三次灌水，植物在結果的時候缺乏水分；灌水量為210mm時第四次灌水37.5mm，比較符合植物需要；灌水量為240mm時第四次灌水67.5mm超過植物的需求量，多余的水分流失進而造成灌溉效率降低。有覆蓋膜的土壤灌溉效率要優于沒有覆蓋膜土壤的灌溉效率。

根據圖4可知，有覆蓋膜的條件下，隨著灌水量的增加，減產率分別為10.8%、8.3%、8.5%，呈現先減小后增加的變化趨勢。沒有覆蓋膜的條件下，隨著灌水量的增加，減產率分別為12.6%、9.1%、9.5%，同樣呈現先減小后增加的變化趨勢。這主要時因為灌水量在180mm時，在結果期不能滿足植物需要的水分，造成減產；灌水量為240mm，過多的水分在土壤中會造成植物的根莖腐爛進而增加了減產率。有覆蓋膜的減產率要明顯低于沒有覆蓋膜土壤的減產率。說明覆蓋膜有很好的增產效果。

圖4 不同工況下的減產率

3 結論

(1)對不同灌水量下土壤含水率的數值計算結果和試驗結果進行對比，發現平均誤差均在5%以內，最大誤差均在10%，說明ISAREG模型可以很好地用于灌溉制度的優化。

(2)隨著灌水量的增加，灌溉效率呈現先增加后減小的趨勢，有覆蓋膜的灌溉效率要明顯優于沒有覆蓋膜的。

(3)隨著灌水量的增加，減產率變化趨勢與灌溉效率相反，呈現先減小后增加的趨勢，有覆蓋膜的減產率要明顯小于沒有覆蓋膜的。

(4)從灌溉效率和減產率等方面綜合考慮，選擇有覆蓋膜處理時灌水量為210mm的灌溉制度為最優。