基于水勢調控的農田灌排節水增效控制方法

司馬震

(五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300)

我國農民以農業為主，農業用水占中水量的90%，主要用于灌溉。因此，需推廣節約用水理念，實現灌溉水高效利用[1]。當前農業節水灌溉是通過增加田間水來實現的，在田間配水過程中，應重點推廣灌排節水增效措施，然而，從節水角度分析，其關注對象有明顯規模效應[2]。節水效益不能簡單地與小規模節水效益相疊加，只考慮田間和配水過程中的節水，忽略了區域水分轉換關系和灌溉用水的循環利用[3]。現行灌排規劃設計方法僅考慮了滿足作物生長發育和排灌標準要求的輸配水量，沒有考慮到生態服務功能及其對控制土壤侵蝕環境價值[4]。以往采用RS- 485總線通信方式設計智能化節水灌排系統，該系統通過RS- 485總線及時與控制中心通信，確定節水灌排方案，然而使用該方法單純研究的是農作物需水量，忽略農田生態系統需水難的問題；使用采用AT89S52單片機設計智能化節水灌排系統，通過AT89S52單片機分析各個供水體之間的關系，雖然以補充水源作為基礎數據，但違背了當前農田灌排區域用水實際問題，導致農田灌排節水增效控制效果較差。因此，文章提出了基于水勢調控的農田灌排節水增效控制方法，簡化水勢測量步驟，分析以水勢為下限的灌排控制指標，采取相應節水增效控制措施，實驗證明具有良好的控制效果。

1 模型構建

模型構建與農田土壤中可供水量密不可分，模擬農田作物對水分影響情況，揭示作物節水增效機理[5]。農作物產量對水分響應可用來分析農田農作物生育期內灌排引起的水分虧缺現象，基于水勢調控農田灌排節水增效控制模型為：

(1)

式中，U、Ux—農田農作物實際產出量和預期產出量；ET、ETx—農田農作物實際蒸發和預期蒸發水量；Ky—農田作物相對降幅與蒸發降幅比例因子[6]。

基于水勢調控農田灌排節水增效控制模型計算步驟如圖1所示。

圖1 模型計算步驟

由圖1可知：該模型計算步驟主要由5部分組成，分別是土壤水分平衡模擬、作物生長模擬、作物蒸騰模擬、地上生物量模擬和作物產量模擬。

(1)土壤水分平衡模擬

將農田農作物生長底部作為一個蓄水池，不間斷記錄該蓄水池水量，其中包括實際降水量、灌排水量、蒸發量和滲透量[7]。在農田農作物生長過程中，為了提高整個生長過程中土壤水分，需將土壤剖面按照1天和12天這兩個時間點分割成小片段形式[8]。節點坐標土壤水平衡表達式為：

θi，j=θi，j-1+Δθi，Δt

(2)

式中，θi，j-1—農田前一個時間節點土壤含水量，Δθi，Δt—農田該時間段內農田水分變化量，公式為：

Δθi，Δt=ΔRt，Δt+ΔDt，Δt+ΔIi，Δt+ΔEi，Δt+ΔTi，Δt

(3)

式中，ΔRt，Δt—時間土壤層新分配水分；ΔDt，Δt—滲漏水分；ΔIi，Δt—大氣降水；ΔEi，Δt—灌排水；ΔTi，Δt—蒸發量。

(2)作物生長模擬

植株冠層覆蓋指數CC是植物冠層對土壤表層的覆蓋程度，不能用葉面積指數來描述植株的生長狀況。最佳條件下，植物冠層的形成僅以作物系數來描述，這些系數是作物生長模擬過程中通過檢索相應作物相關數據得到的[9]。為了能夠真實反映出弄作物實際生長過程中冠層覆蓋度的變化，可將其表示為冠層覆蓋度的日增量。隨著冠層覆蓋度的增大，作物逐漸進入老化階段[10]。冠層覆蓋度的日衰減可用于描述作物生長過程中冠層覆蓋度的變化。充分考慮水分、鹽、礦物質成分對冠層生長影響，根據應力類型和程度不同，具體計算可以通過相應系數來修正植物冠蓋度影響[11- 12]。

(3)作物蒸騰模擬

作物蒸騰模擬表達式如下所示：

Tr=KsKcbET0=Ks(KcbxCC*)ET0

(4)

式中，ET0—農田作物潛在蒸騰；Kcb—蒸騰系數，其隨著冠層生長情況而發生改變；CC*—作物冠層覆蓋率；Ks—土壤水分修正系數，取值范圍在0～1之間，作物在水分脅迫下表現較好。數值為0時，作物受到嚴重水分脅迫，蒸騰被停止。該數值處于中位時，表明土壤根區水分不足，導致氣孔閉合，減少了植被蒸騰。

(4)地上生物量模擬

農作物水分生產力可以用單位面積上單位蒸騰積累的土壤干物質量來表示，在特定氣候條件下，農田作物實際生產量和實際消耗水分呈線性關系，通過統計標準化農作物水分來模擬地上生物量，并修正在不同氣候情況下農作物水分生產力影響結果。地上生物量模擬模型如下所示：

(5)

式中，Tri—農田作物蒸騰量；ETα—參考蒸騰量；Ksb—溫度脅迫系數。設溫度應力系數范圍為[0，1]，當應力系數為0時，說明此時溫度最低，不適合農作物生長；當應力系數為1時，說明此時溫度滿足農作物生長，在農作物蒸騰作用下可將熱量完全轉化為農作物生物量；當應力系數在0～1之間時，說明此時溫度不能完全適合農作物生長，只能將部分熱量轉化為農作物生物量。除此之外，在模擬過程中，由于模型受到大氣中二氧化碳濃度及土壤肥力狀況差異等因素影響，作物水分產量應根據具體情況做出實時調整方案。

(5)作物產量模擬

作物產量模擬是由農田作物地上生物量轉換得到的，以農田作物成熟收獲指標為參考指標，通過調整水分、溫度脅迫系數，可確定農田作物產量受到降水影響程度。

通過上述5個步驟，完成水勢調控，以此為原理，研究農田灌排節水增效控制方法。

2 農田灌排節水增效控制方法

以土壤水分平衡、作物生長、作物蒸騰、地上生物量和作物產量為指標構建的基于水勢調控農田灌排節水增效控制模型，研究農田灌排節水增效控制方法。

2.1 灌排管網布置

在配電網建設前，應根據地勢選擇合適供電距離，再根據經濟分析結果與之相連，形成配電網。對于灌排管網布置，采用H型布局方案，解決了地形復雜，高差大問題。

利用自流固定灌溉排水節水技術，對水源沒有特殊要求。采用儲存在雨水窖中的區域水源，實現自然滴水產生重力，實現自流半固定節水灌溉排水。自流式半固定式節水灌溉排水技術不需要額外動力，而是利用水源自然重力式滴灌來實現灌溉排水，使固體、液體和空氣留在土壤中。相對于傳統的地面灌水和噴灌，采用H型布局方案能夠降低害蟲威脅，提高農田作物抗逆性，防止土壤侵蝕。H型布局方案設計如圖2所示。

圖2 H形布置示意圖

為使農田作物能夠均勻地澆水，H型布局中的各個龍頭之間間隔應設置30m。

2.2 智能化灌排節水增效流程設計

灌排節水增效流程設計是研究的核心內容，主要實現農田作物抽水灌溉和節水排灌。在研究農田灌排節水增效控制流程之前，應先確定灌排節水增效各個模塊的連接情況。

圖3 節水灌排模塊各個硬件連接示意圖

如圖3所示，采用電磁閥抽水，可避免增加蓄水池的麻煩。在主管道上設置5個閘門，根據灌排面積，閘門有3個連接口，1個入口，2個出口，其作用是將主管道排入細管，實現灌溉、排水均勻。基于此，設計農田灌排節水增效控制流程設計如下：

step1：參數初始化；

step2：監測各個硬件采集到的數據；

step3：分析監測結果，并確定土壤濕度平均值，如果該土壤濕度平均值符合實際農田灌排節水增效需求，則需利用電磁閥，開始抽水灌溉。否則，返回到step2；

step4：抽水灌溉后，查看土壤濕度是否達到上限閾值，如果達到，則停止灌溉。否則，繼續抽水灌溉；

圖8所示為鈦渣原料、直接酸浸鈦渣和經蘇打焙燒—酸浸后的鈦渣中各雜質含量的對比。對比分析表1和表3中數據可知, 直接酸浸鈦渣僅能除去近50%的雜質，得到的產品雜質含量還很高，無法用于氯化法鈦白和海綿鈦的生產。鈦渣經蘇打焙燒后，酸浸產物的TiO2含量比鈦渣直接酸浸時又提高了近12%, Ca、Mg、Fe、Al、Si、Mn等雜質的浸出都有大幅度的提高,其中Fe、Mg的浸出效果最為明顯。這說明蘇打焙燒能有效解決黑鈦石型富鈦料雜質難除的重大難題。

step5：抽水灌溉完成后，開始排水，由此完成農田灌排節水控制。

2.3 灌排節水增效控制

為了提高灌排節水效率，需控制灌排節水時間。在灌排節水過程中，灌排節水的運行時間與供水量及用水效率成反比；即增加供水量或提高輸水效率，可有效減少灌溉、排水用水量。毛細直徑較小，給水管的水頭和局部水頭損失較大；針對這一問題，根據區域特點和灌排節水機理，采用更大直徑、更大流量的灌排措施，可有效縮短灌排時間，計算公式為：

(6)

式中，E—灌排區所用灌排水量；qi—灌水容器存儲水流量；L—灌排輸水管路總長度；a—灌排輸水管水流速度。根據該公式可確定灌排水所需時間和整個灌排過程，該灌排過程是以自流方式實現的。依據該研究內容，可有效提高灌排節水增效控制效率。

3 實驗

為了驗證基于水勢調控的農田灌排節水增效控制方法合理性，以新疆滴灌棉田為基礎進行實驗驗證分析。

3.1 數據統計

根據農田灌排管道水壓大小、坡度、土壤類型，分析坡度阻力等級、土壤阻力等級和土地利用類型阻力等級，見表1—3。

表1 坡度阻力等級

表2 土壤阻力等級

表3 土地利用類型阻力等級

3.2 實驗指標確定

在表1—3數據支持下，選擇阻力等級為3級30°～45°的坡度、漠土土質和草地土地利用類型種植棉花，在對棉花灌排節水增效控制過程中，需調節整個控制時間，如圖4所示。

圖4 灌排節水增效時間控制

由圖4可知，在反應階段，農田灌排節水增效控制處于反應階段，調節時間為0.2s；在啟動階段，農田灌排節水增效控制處于啟動階段，調節時間為0.6s；在運行階段，調節時間為0.4s；在中斷階段，調節時間為0.4s。

在這四個階段，分別使用RS- 485總線通信方式、采用AT89S52單片機、基于水勢調控控制方法觀察棉花作物葉片水勢，并以此為依據，對比分析三種方法節水增效控制效果。

3.3 實驗結果與分析

在不同方法下，棉花作物葉片水勢變化如圖5所示。

圖5(a)在反應階段，所有方法棉花葉片水勢都呈下降趨勢，其中使用RS- 485總線通信方式棉花水勢在時間為0.20s時，與標準值相差最大；使用AT89S52單片機方法棉花水勢也在時間為0.20s時，與標準值相差最大；使用基于水勢調控控制方式與標準值基本一致，僅在時間為0.15s時出現偏差，但不影響整體變化趨勢。

圖5(b)在啟動階段，所有方法棉花葉片水勢變化不具有規律性，使用基于水勢調控控制方式與標準值變化趨勢基本重合，呈下降-上升趨勢；使用RS- 485總線通信方式棉花水勢呈下降-上升-下降-上升趨勢；使用AT89S52單片機方法棉花水勢呈下降-上升趨勢，但變化趨勢拐點在時間為0.60s處，與實際0.30s拐點時間不一致。

圖5(c)在運行階段，所有方法棉花葉片水勢都呈下降-上升-下降-上升趨勢，使用RS- 485總線通信方式棉花水勢在4個時間點的水勢與標準值都不一致，尤其在時間為1.10s時，區別更為明顯；使用AT89S52單片機方法棉花水勢在4個時間點的水勢與標準值都不一致，尤其在時間為1.20時，區別更為明顯；使用基于水勢調控控制方式與標準值變化趨勢一致。

圖5(d)在中斷階段，使用RS- 485總線通信方式棉花水勢在時間為1.30s、1.50s與標準值相差最大；使用AT89S52單片機方法棉花水勢在時間為1.60 s與標準值相差最大；使用基于水勢調控控制方式與標準值變化趨勢一致。

通過分析棉花水勢可確定四個階段所需灌排時間，為了進一步分析三種方法節水增效控制效率，再次將三種方法進行對比分析，結果見表4。

圖5 不同方法下棉花作物葉片水勢變化

表4 三種方法節水增效控制效率對比分析

由表4可知：使用水勢調控控制方法節水增效控制效率要比RS- 485總線通信方式、AT89S52單片機方法要高，由此可知使用水勢調控控制方法控制效率較高。

4 結語

從節水增效角度出發，布設灌排管網，設計灌排節水增效時間控制方案，由實驗對比結果可知，使用該方法棉花作物葉片水勢變化與標準變化趨勢一致，改善了傳統方法存在的弊端，保證農田作物在擁有充足產量的前提下獲取良好節水增效效益。

由于資料以及研究時間受到限制，研究方法還有待改進，當前農田土壤動物群落豐富度評判標準還未被提出，因此，確定的農田用水量還有待進一步分析。