豐爾蔓,李援農(nóng)*,胡戰(zhàn)峰,楊靖,閔迪
(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2. 陜西省桃曲坡水庫(kù)灌溉中心,陜西 銅川 727031)
real-time irrigation forecast;channel distribution model
根據(jù)中華人民共和國(guó)水利部2017年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào),中國(guó)總耕地灌溉面積為6 146萬(wàn)hm2,其中大型灌區(qū)456處,灌溉面積為1 867萬(wàn)hm2;中型灌區(qū)7 316處,灌溉面積為1 553萬(wàn)hm2.在中國(guó),大中型灌區(qū)的灌溉面積占總灌溉面積比例較大,灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[1-3],因此提高灌區(qū)水資源利用率、進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)水灌溉迫在眉睫.世界上農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家大多在發(fā)展灌溉管理自動(dòng)化,借助精準(zhǔn)的量控設(shè)備完善田間信息采集,建立數(shù)據(jù)庫(kù)、開(kāi)發(fā)灌區(qū)用水管理系統(tǒng).另外,越來(lái)越多國(guó)家開(kāi)始實(shí)行用水戶參與灌溉的管理模式;國(guó)內(nèi)也在多個(gè)灌區(qū)試行,效果顯著.研究表明,灌區(qū)的節(jié)水灌溉水平與灌區(qū)的管理水平聯(lián)系密切,科學(xué)用水管理能夠使灌區(qū)灌溉整體節(jié)水20%[4-5].而灌區(qū)用水管理合理與否,很大程度上取決于用水計(jì)劃的編制情況.
常規(guī)的用水計(jì)劃編制通常是以完成灌區(qū)年度生產(chǎn)、灌溉等任務(wù)為目標(biāo),預(yù)測(cè)各作物的灌水量和灌溉時(shí)間,計(jì)劃取水和灌水,相對(duì)缺乏靈活性,當(dāng)實(shí)際情況與原設(shè)定情況相差較大時(shí),例如種植制度調(diào)整、管理措施變化以及氣象條件變化等,則無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況迅速做出相應(yīng)的調(diào)整.
而充分利用灌區(qū)水分監(jiān)測(cè)和旱情預(yù)報(bào),在實(shí)時(shí)獲取作物生長(zhǎng)和土壤含水量信息的前提下編制用水計(jì)劃,能較為準(zhǔn)確地設(shè)置農(nóng)田灌水時(shí)間、灌水量,合理安排渠系輸配水,提高灌溉水利用率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的高效生產(chǎn).由此可見(jiàn),進(jìn)行動(dòng)態(tài)的灌區(qū)用水計(jì)劃編制意義重大.
文中將用水計(jì)劃編制的計(jì)算與預(yù)報(bào)方法研究大體劃分為實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)及渠系優(yōu)化配水兩部分進(jìn)行闡述.
灌區(qū)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)是編制動(dòng)態(tài)用水計(jì)劃中不可或缺的一個(gè)部分,其關(guān)鍵在于對(duì)灌區(qū)土壤水分含量的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào).國(guó)內(nèi)外常用的土壤水分預(yù)報(bào)方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法、土壤水動(dòng)力學(xué)法和時(shí)間序列模型法等.基于水量平衡法建立的監(jiān)測(cè)模型,由于其原理簡(jiǎn)單、易于操作,可適用于諸多情況,故而應(yīng)用廣泛.因此對(duì)采用水量平衡法實(shí)現(xiàn)灌區(qū)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)的過(guò)程進(jìn)行總結(jié).
基于水量平衡法的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)是農(nóng)田水量平衡方程;充分調(diào)動(dòng)相關(guān)田塊的作物、土壤、水文等實(shí)時(shí)信息,輸入所需數(shù)據(jù),循環(huán)計(jì)算水量平衡方程,逐日預(yù)測(cè)土壤含水量Wt,并預(yù)測(cè)達(dá)到灌水下限的時(shí)間和所需水量.以旱作物為例,其需水情況適用的水量平衡方程為
Wi=Wi-1+P0i+Ii-ETCi+Gei+WTi,
(1)
式中:Wi-1,Wi分別為第i天初與末的土壤含水量,mm;P0i為第i天的有效降雨量,mm;Ii為第i天內(nèi)灌溉水量,mm;ETCi為第i天內(nèi)作物騰發(fā)量,mm;Gei為第i天內(nèi)地下水補(bǔ)給量,mm;WTi為第i天內(nèi)因計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的土壤含水量,mm.
在實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)中各參數(shù)分為預(yù)測(cè)值與實(shí)際值,預(yù)測(cè)值由短期的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)得出,用于估算灌水時(shí)間和灌水量;實(shí)際值為實(shí)測(cè)土壤含水量或經(jīng)氣象站提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后計(jì)算得到,用于修正各參數(shù).預(yù)測(cè)值與實(shí)際值建議使用不同方法進(jìn)行計(jì)算.故對(duì)水量平衡方程中各參數(shù)的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)方法進(jìn)行闡述和分析.
目前土壤水分測(cè)定中常用的方法主要可分為取樣測(cè)定法、定位測(cè)定法和遙感監(jiān)測(cè)法三大類(lèi)[6-7].
取樣測(cè)定法主要有烘干法、比重法、實(shí)容法、稱重儀法、離心機(jī)法、蒸汽壓法、超聲波法、壓力板法、冰點(diǎn)下降法和一些化學(xué)方法[8].其中最經(jīng)典的方法為烘干法,由于操作簡(jiǎn)單,設(shè)備簡(jiǎn)易,結(jié)果相對(duì)精準(zhǔn),常作為土壤水分測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法,可用于驗(yàn)證其他方法的精確度;但耗時(shí)久,對(duì)取樣時(shí)間和地點(diǎn)有限制,在大中型灌區(qū)中難以廣泛應(yīng)用.
另外,定位測(cè)定法是主要包括基于土壤介電特性的測(cè)量方法.中子儀不會(huì)破壞作物與土壤,受深度限制小,可連續(xù)定點(diǎn)測(cè)量,方便快捷,適宜用作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).時(shí)域反射法(TDR)測(cè)定速度快,精度高于中子儀法,且沒(méi)有輻射,適用于長(zhǎng)期測(cè)定.中子儀和時(shí)域反射儀較為昂貴.駐波率法成本低于時(shí)域反射儀法,但精度仍有所欠缺[9-10].探地雷達(dá)法(GPR)優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量同一地點(diǎn)不同深度的土壤含水量,精度較高,可用作較大范圍的測(cè)量,但對(duì)土壤類(lèi)型有限制[11],不適用于所有土壤.
遙感技術(shù)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)前進(jìn)的一個(gè)方向,有著廣闊的發(fā)展前景.遙感監(jiān)測(cè)方法主要分為熱慣量法與表觀熱慣量法、地表溫度法、植被指數(shù)法、溫度-植被指數(shù)法、反射率法、高光譜法、微波技術(shù)遙感法、作物水分脅迫指數(shù)法等[11-13].其中微波遙感法儀器輕便、測(cè)量精度高,且可長(zhǎng)時(shí)段監(jiān)測(cè),適宜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大范圍的土壤含水量[14].
在普遍實(shí)施中,一次灌水預(yù)報(bào)只需實(shí)測(cè)初始日的土壤含水量,即可循環(huán)預(yù)測(cè)后續(xù)日期的水分狀況Wt.再根據(jù)作物生長(zhǎng)情況,選取關(guān)鍵期前后進(jìn)行測(cè)定校核,在設(shè)備完備的灌區(qū)可借助遙感監(jiān)測(cè)、探地雷達(dá)等方法,一般的灌區(qū)可采用烘干法定點(diǎn)測(cè)定.
實(shí)地儀器測(cè)定、經(jīng)驗(yàn)公式法和土壤水量平衡法是獲取有效降雨量P0最常用的方法.
利用滲漏計(jì)、水稻筒測(cè)法等儀器進(jìn)行測(cè)量可以直接得到有效降雨量,但缺點(diǎn)是測(cè)量難度較大;蒸滲儀可以通過(guò)測(cè)定深層滲漏和地表徑流來(lái)間接確定有效降雨量,準(zhǔn)確度較高,但不適用于大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[15];遙感影像與氣象數(shù)據(jù)相結(jié)合[16]精度更好,覆蓋更廣,更符合未來(lái)應(yīng)用的方向.
經(jīng)驗(yàn)公式法是根據(jù)美國(guó)土壤保持局(USDA Soil Conservation Service)推薦方法、Hershfield諾模圖[15]或采用FAO推薦的降水量與參照蒸散量值大小比較的方法[17]以確定有效降雨量,國(guó)內(nèi)多采用降雨有效利用系數(shù)法,雖然精度不算高,但參數(shù)少,簡(jiǎn)便易得,便于在實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)中使用,計(jì)算公式為
P0i=αPi,
(2)
式中:Pi為降水量,mm;α為降水有效利用系數(shù).
除了降雨有效利用系數(shù)法,還可以采用總量扣除法,即
P0=P-R-D,
(3)
式中:P為某次降雨總量,mm;R為地面徑流量,mm;D為深層滲漏量,mm.參數(shù)可參照胡玲[18]在灌區(qū)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型中的公式計(jì)算.
土壤水量平衡法是通過(guò)確定水量平衡方程中相關(guān)的其他參數(shù),反推有效降雨量.常用的有土壤濕度變換法[15]、實(shí)時(shí)估算法和逐日作物根系濕潤(rùn)層水量平衡計(jì)算.土壤濕度變換法和實(shí)時(shí)估算法都結(jié)合了作物生長(zhǎng)特質(zhì),分析降雨前后田間土壤含水量差和蒸發(fā)蒸騰量,后者比前者多考慮了降雨引起的深層滲漏量,精度略高.馬建琴等[19]在計(jì)算冬小麥的有效降雨量時(shí)詳細(xì)地應(yīng)用了逐日作物根系濕潤(rùn)層水量平衡計(jì)算法,能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算日有效降雨量.
綜合對(duì)比下,采用降雨有效利用系數(shù)法計(jì)算和預(yù)測(cè)有效降雨量更具有普適性,且參數(shù)簡(jiǎn)單,易于操作,適合使用在灌溉預(yù)報(bào)模型中.為了方便運(yùn)算,可利用系數(shù)與天氣預(yù)報(bào)中雨型的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表1.
表1 天氣預(yù)報(bào)雨型對(duì)應(yīng)P0i值
在降雨發(fā)生后,可采用實(shí)地測(cè)量法和日水量平衡分析法對(duì)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)作出修正或替換,維持實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度.
作物需水量ETc的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與修正是灌區(qū)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)的重點(diǎn),做到作物需水量的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)可以有效地減少灌溉水浪費(fèi),提高灌區(qū)水利用效率.蒸滲儀可直接測(cè)定作物需水量[20],但價(jià)格高昂,應(yīng)用不廣.間接計(jì)算作物需水量的方法可大致分3類(lèi):統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、參考作物需水量法和建模法.
統(tǒng)計(jì)學(xué)方法借助合適的參數(shù),例如水面蒸發(fā)量(簡(jiǎn)稱α值法或蒸發(fā)皿法)和產(chǎn)量(產(chǎn)量法或K值法),根據(jù)多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析所選參數(shù)與作物需水量之間的關(guān)系,建立經(jīng)驗(yàn)公式估算作物需水量,這類(lèi)方法優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)便,但各參數(shù)均有不適用的范圍,精確度不夠高.
建模計(jì)算作物需水量主要是時(shí)間序列分析法[21-22]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[23-24].時(shí)間序列法是指對(duì)歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行有序處理,結(jié)果精確性較高,計(jì)算簡(jiǎn)便,但每年氣象數(shù)據(jù)、種植結(jié)構(gòu)等存在差異,需水量需根據(jù)周期性和隨機(jī)性綜合預(yù)測(cè).人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需輸入氣溫、濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、降雨量等值,運(yùn)行簡(jiǎn)單,誤差較小.
目前國(guó)內(nèi)外研究最深入、應(yīng)用最廣泛的是參考作物需水量法,公式為
ETc=Kc·ET0,
(4)
式中:Kc為作物系數(shù);ET0為參考作物需水量,mm.
FAO56 Penman-Monteith公式是計(jì)算參考作物需水量ET0最標(biāo)準(zhǔn)的方法,可用于檢驗(yàn)其他各種方法的精確程度.P-M公式既考慮了作物生理特性又囊括了空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化,公式為
(5)
式中:Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率,kPa/℃;Rn為作物表面凈輻射,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量密度,MJ/(m2·d);γ為溫度計(jì)常數(shù),kPa/℃;T為2 m處平均氣溫,℃;u2為2 m高處的風(fēng)速,m/s;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實(shí)際水汽壓,kPa.
除了式(4)和(5),還有根據(jù)氣壓、溫度改進(jìn)的彭曼公式[25-26],以及Hargreaves公式、McClound公式等[27-28],這類(lèi)方法涉及參數(shù)簡(jiǎn)單,精確度略低于P-M公式,在氣象數(shù)據(jù)不全、追求簡(jiǎn)便的灌區(qū)可作相應(yīng)選擇.
作物需水量的預(yù)測(cè)是灌溉預(yù)報(bào)最核心的一步,需要綜合考量簡(jiǎn)潔性與準(zhǔn)確度.綜合上述方法,對(duì)于一般灌區(qū),筆者推薦使用P-M公式進(jìn)行作物需水量的預(yù)報(bào),在天氣預(yù)報(bào)只能提供最高最低氣溫、風(fēng)力等級(jí)、天氣類(lèi)別信息的情況下,可將天氣預(yù)報(bào)中的信息進(jìn)行解析計(jì)算[25,29].
地下水補(bǔ)給量Ge隨外界條件變化而變化,在作物生育期內(nèi)取值不穩(wěn)定,逐日測(cè)量的計(jì)算難度大,在有多年地下水補(bǔ)給數(shù)據(jù)的灌區(qū)可以直接利用相關(guān)數(shù)據(jù),其他灌區(qū)可以將地下水補(bǔ)給量視為穩(wěn)定值,地下水埋深大于5 m視為無(wú)地下水補(bǔ)給,埋深小于5 m時(shí)計(jì)算公式為
Ge=Q·ETc,
(6)
Q=B-0.15GWD,
(7)
式中:ETc為作物需水量,mm/d;B為地下水補(bǔ)給系數(shù),與土壤類(lèi)型、作物種類(lèi)、地下水埋深有關(guān);GWD為地下水埋深,m.
作物的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度隨著根系的生長(zhǎng)不斷加深,直至根系停止生長(zhǎng).假設(shè)在作物各生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度是線性增長(zhǎng)的,則因計(jì)劃濕潤(rùn)層深度增加而增加的水量WTi計(jì)算公式為
(8)
式中:θwi為第i天土層的質(zhì)量含水率,%;ρb為土壤干容重,g/cm3;Hn-1為第n個(gè)生育階段初的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,mm;Hn為第n個(gè)生育階段末的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,mm;t為第n個(gè)生育階段的天數(shù),d.
1.6.1 灌水日期與灌水量的初選
當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層的含水量降至土壤水分下限時(shí)應(yīng)進(jìn)行灌水.一般情況下,灌水上限采用田間持水率,灌水下限選用該作物所處生育期適宜含水量的最小值.灌水量計(jì)算為
m=ρb(θf(wàn)c-θt)H,
(9)
式中:m為灌水定額,mm;θf(wàn)c為田間持水率;θt為灌水日的土壤質(zhì)量含水率;ρb為土壤干容重,g/cm3;H為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,mm.
1.6.2 灌水預(yù)報(bào)的修正
根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)灌水預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,能使灌水日期和灌水量更精確.可考慮在以下方面作出修正:
1) 利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立土壤含水量計(jì)算模型,定期調(diào)取灌區(qū)氣象站的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算土壤含水量;
2) 根據(jù)作物實(shí)時(shí)長(zhǎng)勢(shì)及生育期特征,適當(dāng)增加對(duì)土壤含水量的實(shí)測(cè)頻次,校核原預(yù)報(bào)結(jié)果;
3) 當(dāng)預(yù)報(bào)模型采用的氣象等數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差較大時(shí),將土壤含水量計(jì)算模型得到的土壤含水量修正或替換原預(yù)報(bào)灌溉預(yù)報(bào);
4) 若在應(yīng)灌水日前后有降水,則可以根據(jù)降水預(yù)報(bào)情況對(duì)灌水進(jìn)行調(diào)整,盡可能地利用降水.
根據(jù)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)確定所需灌水的田塊以及相應(yīng)的灌水時(shí)間和灌水量,綜合用水戶的需求,確定最終該次灌水涉及的田塊及渠道,推算各支渠需水量,再按灌水目的進(jìn)行優(yōu)化配水,劃分輪灌組,確定最終的配水形式.
根據(jù)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)得到灌水定額,各渠系需水量計(jì)算式為
(10)
(11)
(12)
式中:MNET為該區(qū)域的凈灌溉需水量,m3;mi為該區(qū)域第i種作物的灌水定額,m3/hm2;Si為第i種作物的種植面積,hm2;MG為該區(qū)域的毛灌溉需水量,m3;ηW為灌溉水利用系數(shù);T為被配水渠道引水時(shí)間,h;q為該渠道的設(shè)計(jì)引水流量,m3/h.
以兩級(jí)渠道計(jì)算式(13),可以依次計(jì)算出每一級(jí)渠道的配水流量,即
(13)
式中:QHL為上級(jí)渠道的計(jì)算流量,m3/s;QLL,k為第k條下級(jí)渠道的計(jì)算流量,m3/s;ηHL為上級(jí)渠道水利用系數(shù).
現(xiàn)各灌區(qū)多采用“定流量,變歷時(shí)”的方式進(jìn)行配水.一般情況下,干、支渠實(shí)行續(xù)灌,斗、農(nóng)渠實(shí)行輪灌.輪灌分組是根據(jù)渠道配水流量和時(shí)間確定.渠系動(dòng)態(tài)配水要考慮到用水戶的意愿、灌區(qū)的效益、渠道間水流銜接的平穩(wěn)度,盡可能減少滲水損失,較大程度實(shí)現(xiàn)大流量、短歷時(shí)灌水,提高灌區(qū)水利用率.國(guó)內(nèi)在此方面的研究中,目標(biāo)函數(shù)多以以下幾種為主:
1) 灌溉棄水或水量損失最小[30];
2) 配水渠道輸水時(shí)間最短[31];
3) 各輪灌組合持續(xù)引水時(shí)間差異最小[32];
4) 灌區(qū)凈灌溉增產(chǎn)效益最大[33];
5) 灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益最高[33];
6) 被配水渠道進(jìn)口閘調(diào)節(jié)次數(shù)最少;
7) 輪灌組最少[34].
各灌區(qū)根據(jù)自身需求選擇1,2個(gè)甚至多目標(biāo)函數(shù)[35]參與計(jì)算,可采用層次分析法確定各目標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行渠系配水.
對(duì)所選目標(biāo)函數(shù)采取相應(yīng)約束:
1) 輪期約束.輪灌組的總引水時(shí)間不得大于輪期Trp.
(14)
式中:xij=1時(shí),代表第j支渠劃分在第i組輪灌組;xij=0時(shí),代表第j支渠未被劃分在第i組輪灌組.
2) 出水一次性約束.在該輪期內(nèi),任一出水口只開(kāi)啟一次.
(15)
3) 整數(shù)0—1約束.
xij∈{0,1},i=1,2,…,M;j=1,2,…,N.
(16)
4) 水量約束.渠道需水量等于該渠實(shí)配流量qj與引水時(shí)間tj之積:
Wj=qjtj.
(17)
5) 渠道流量約束.流量過(guò)小將會(huì)造成沿程損失過(guò)大,流量過(guò)大可能導(dǎo)致渠道損壞.為了避免此情況,實(shí)配流量應(yīng)滿足式(18).
JdQ≤qj≤JuQ,
(18)
式中:Jd為渠道最小流量折減系數(shù);Ju為渠道加大流量系數(shù),取值按實(shí)際情況調(diào)節(jié);Q為設(shè)計(jì)流量;qj為實(shí)配流量.
另外,約束可根據(jù)具體情況靈活設(shè)置.例如鹽漬地區(qū)增加水鹽約束,施肥時(shí)期考慮水肥約束等.
為了方便灌區(qū)實(shí)際操作管理,在確定輪灌組后,同一組的多田塊確定灌水中間日集中灌水,調(diào)整各田塊的灌溉時(shí)間及灌水定額,調(diào)整的結(jié)果會(huì)影響到本次及下次的預(yù)報(bào),需要及時(shí)更新反饋.
合理的灌區(qū)管理可以在很大程度上優(yōu)化田間灌水,動(dòng)態(tài)用水計(jì)劃的編制可提高水資源的利用率,實(shí)現(xiàn)高效化、精細(xì)化農(nóng)業(yè).文中通過(guò)對(duì)灌區(qū)用水計(jì)劃實(shí)時(shí)編制與修正方法的綜合敘述,為參數(shù)的預(yù)測(cè)方法選擇和建立優(yōu)化配水模型提供了參考,并對(duì)灌溉預(yù)報(bào)過(guò)程提出相關(guān)修正思路,便于各灌區(qū)根據(jù)自身設(shè)施配備、灌水需求等情況進(jìn)行自主選擇.現(xiàn)階段灌溉預(yù)報(bào)的應(yīng)用并不廣泛,今后可推廣探索遠(yuǎn)程操作新形式,例如利用手機(jī)等移動(dòng)端申報(bào)灌水需求、查看灌水計(jì)劃等.另外,如何將水和鹽、肥等其他生長(zhǎng)要素相結(jié)合建立更全面的配水模型,也值得展開(kāi)詳細(xì)研究.