萬偉　李建宜　吳建明

摘 要：我國現(xiàn)有的農(nóng)田水利灌溉控制系統(tǒng)，已基本滿足自動化控制的要求，由人工作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C械化作業(yè)，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(chǔ)，提出節(jié)水灌溉決策模型的建立。實驗結(jié)果表明：水稻節(jié)水灌溉模型的使用，節(jié)約了大量的水資源，并且提高了水稻的產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：智能控制；節(jié)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(fā)布的中央1號文件中，明確提出要大規(guī)模推進農(nóng)田水利建設。其中，與節(jié)水控制技術(shù)相關(guān)的主要有兩點：一是把農(nóng)田水利作為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設施建設的重點，到2020年農(nóng)田有效灌溉面積達到10億畝以上，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。二是大力開展區(qū)域規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉行動，積極推廣先進適用節(jié)水灌溉技術(shù)。隨著國家生態(tài)文明建設的深入推進，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉不斷提速。

據(jù)統(tǒng)計，我國在農(nóng)田水利建設方面的進展：一是新增高效節(jié)水灌溉面積約1億畝；二是高效節(jié)水灌溉面積超過3億畝；三是灌溉水有效利用系數(shù)達到0.542。

相比于傳統(tǒng)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?，F(xiàn)有的自動化灌溉系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)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(nóng)業(yè)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(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑鳂I(yè)，提出水稻節(jié)水灌溉決策模型的研究。

2 水稻節(jié)水灌溉模型的建立

2.1 水稻品種的選擇

以江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所和江蘇省優(yōu)質(zhì)水稻工程技術(shù)研究中心共同配育的“寧秈優(yōu)8號”水稻為對象。使用MATLAB軟件，從“寧秈優(yōu)8號”水稻[1]自身的生長特性出發(fā)，結(jié)合水稻栽培學科老師的意見，以及無錫市錫山區(qū)太湖水稻示范園區(qū)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(jié)長穗期和抽穗結(jié)實期，根據(jù)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(huán)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(jié)合生長環(huán)境參數(shù)，建立水稻的節(jié)水灌溉模型。

2.2 節(jié)水灌溉模型相關(guān)參數(shù)的設定

建立節(jié)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(nóng)業(yè)技術(shù)措施、灌溉排水措施等，而影響作物需水量的關(guān)鍵參數(shù)是作物的蒸騰蒸發(fā)量ETc。

本文以標準參考作物蒸發(fā)蒸騰量的彭曼公式[2][3]為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)生長環(huán)境參數(shù)（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(nèi)有效降雨量，mm；M為該時段內(nèi)水稻灌溉定額，mm；ETc為該時段內(nèi)水稻實際蒸騰蒸發(fā)量，即該時段的水稻作物需水量，mm/d；F0為該時段內(nèi)稻田滲漏量，mm，結(jié)合錫山區(qū)水稻示范園實際情況取2mm/d；C為該時段內(nèi)稻田排水量，mm。

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

以上公式中的未知參數(shù)和水稻生長的階段以及生長時段的環(huán)境溫度和濕度有關(guān)[6]。根據(jù)無錫市錫山區(qū)的經(jīng)緯度，結(jié)合錫山區(qū)的平均溫度、海拔高度、空氣濕度、風速等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)《農(nóng)田水利學習題集》查表得出公式中的相關(guān)數(shù)據(jù)的值，將相關(guān)數(shù)值代入得出基本的計算公式，然后使用MATLAB建立水稻節(jié)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(guān)的參數(shù)，按六月至十月的月份劃分，得到相關(guān)參數(shù)的分布規(guī)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(guān)參數(shù)，最終的出實際的蒸騰蒸發(fā)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(tǒng)只需要實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)傳輸，便能夠?qū)崿F(xiàn)水稻的稻田水層的智能控制。

3 模型仿真結(jié)果分析

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

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

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

參考文獻：

[1]張亞東，趙慶勇，朱鎮(zhèn)，等.高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交稻寧秈優(yōu)8號特性及栽培技術(shù)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(qū)參考作物騰發(fā)量預報方法比較[J].農(nóng)業(yè)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(shù)[M].南京：河海大學出版社，2011.

[5]王衛(wèi)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(nóng)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(jié)水灌溉全自動控制系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（25）：23-25.endprint