水稻灌溉制度的计算机模拟

要准确地进行灌水量预报, 或者说制定合理的灌溉制度, 其核心问题是作物需水量的预测 和计算。 影响作物需水量的因素很多, 如太阳辐射、日照时数、空气温度、湿度和风速等气象因 素, 土壤水分状况, 作物的生物学特性, 农业技术措施和灌溉排水措施等。这使得作物需水量的 预测难度很大。必须运用科学的理论, 采用先进的技术手段, 并与群众的创造性经验相结合, 才 能准确预测作物需水量, 制定出节水高产的灌溉制度。
07212～ 07222 10207～ 10218
0～ 10
07223～ 08201 10219～ 10224
晒田
表 2 蒸发法和积温法系数 T ab. 2 Coefficien ts of evapo ra tion and accum u la ted tem p era tu re m ethod s
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第 4 期
田富强等: 水稻灌溉制度的计算机模拟
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长的需要从而达到增产的目 的, 同时也可以节水。
4 结束语
建立灌溉自动化系统是
现代农业的要求, 也是高效利
时段内降雨量的确定较困难, 需与计算作物需水量时所要的其他气象因素一起确定, 气象 因素也应是预报期内的预测值, 但长期气象预报十分困难。显然一季水稻整个生育期内的灌水
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1 水稻需水量计算
实时灌溉预报的核心是作物需水量的预测。 作物需水量的影响因素很多, 目前, 尚无令人 满意的理论公式。 所以, 一般采用几种预测方法, 以便相互验证, 并与历史数据相比较, 以确定 最接近实际的数据。根据对当地气象等条件的分析, 系统采用了 3 种方法, 积温法、水面蒸发量 法和彭曼公式法来计算作物需水量。
h2= h1+ P + m - E - C- S
(5)
式中 h1 —— 时段初田面水层深度; h2 —— 时段末田面水层深度; P —— 时段内的降雨量;
m —— 时段内的灌水量; E —— 时段内的作物耗水量; C —— 时段内的排水量; S —— 时段内的
田间渗漏量。 以上各量单位均为 mm。
如果时段初的农田水分处于适宜水层上限 (hmax) , 经过一段时间的消耗, 田面水层降到适
目前, 在水稻的灌溉制度、灌溉方法方面各地都创造出了不少经验, 广西在这方面走在了 前列。广西以农业为主, 其中水稻的产量占粮食总产的 88% 以上, 而其耗水也占水利工程供水 量的 97% 以上。过去广西的水稻灌溉方法基本上是串灌漫灌, 浪费极大, 每 hm 2 毛用水量甚至 超过 15 000 m 3。 近年来, 广西区开始推广“薄浅湿晒”优良灌溉制度, 即“薄水插秧、浅水返青、 保持田间湿润、分蘖后期晒田”的做法, 实践证明, 采用这种灌溉方法具有明显的节水增产效 果, 推广后取得了巨大的经济效益和社会效益。
01129, 0 01281, 0 1141, 0 11376, 0
抽穗 开花期
011, 0 01241, 0 11335, 0 11519, 0
乳熟期
011, 0 01187, 0 11367, 0 11364, 0
黄熟期
0, 0 0, 0 11033, 1 11126, 1
表 3 作物系数
T ab13 C rop coefficien t
表 1 水稻生育阶段
T ab. 1 L ife p ha se of rice
月2日
移植期
返青期
分蘖 初盛期
分蘖 后期
幼穗分 化前期
幼穗分 化后期
抽穗 开花期
乳熟期
黄熟期
早稻
晚稻 控制水深
mm
05206～ 05207 08206～ 08207
15～ 20
05208～ 05215 08208～ 08214
稻田渗漏量指在淹水条件下通过犁底层下渗的渗漏量。其主要影响因素有土壤质地、土壤 的结构、地下水位、边界出流条件和田面水层深浅等, 其值既可以用理论的方法计算求得, 也可 以取用历史数据。
3 应用及分析
在水稻灌溉制度的计算机模拟中需用到一些基本数据, 表 1 是水稻的生育阶段, 其中早稻
和晚稻的控制水深是相同的; 表 2 是蒸发法和积温法所用的系数, 表格中有两个数字, 分别表
归分析建立经验公式
E T ci= a iE 0i+ bi
Fra Baidu bibliotek
(2)
式中 E 0i ——与 E T ci同阶段的水面蒸发量, mm d; a i、bi ——经验系数。
3) 彭曼公式法: 彭曼公式是得到广泛应用的综合法公式, 其理论基础是能量平衡原理、水
汽扩散理论和空气导热定律等, 其计算作物需水量分为两步进行:
示蒸发法两个参数 a i、bi 和积温法的两个参数 a i、ci; 表 3 是作物系数, 其中 1、2、3 月及 11、12
月不种水稻, 作物系数为 0, 稻田渗漏量的计算采用历史值, 在各生育期均为 11 mm d。应用彭
曼公式法对早稻进行了计算, 根据计算结果绘制田面水深变化曲线如图 1 所示。
用水资源的要求, 本文介绍了
水稻灌溉制度的计算机模拟。
在需水量计算中为了提高精
度和可靠性, 采用了 3 种不同
方法, 即彭曼公式 法、积 温 法
和水面蒸发量法。 在灌溉制度
推求中采用了经过长期实践 的“薄、浅、湿、晒”的经验。 应 用情况表明, 所建立的水稻灌
图 1 田面水深变化曲线 F ig11 Cu rve of field w a ter heigh t
方法
积温法 (早稻) 积温法 (晚稻) 蒸发法 (早稻) 蒸发法 (晚稻)
分蘖 初盛期
01135, 0 01215, 0 1128, 0 11141, 0
分蘖 后期
0, 0 0, 0 1133, 0 11167, 0
幼穗分 化前期
01147, 0 01254, 0 1141, 0 11376, 0
幼穗分 化后期
第一步: 求参考作物潜在腾发量 E T 0; 采用 FAO 最新推荐的彭曼- 蒙特斯公式
E T 0= E T rad+ E T aero
(3)
其中 E T rad ——参照腾发量中辐射项, mm d; E T aero ——空气动力学项, mm d。
第二步: 求作物最大腾发量 E T m : 具体作物的腾发量与参考作物有差别, 这一差别用作物
30～ 40
05216～ 05231 08215～ 08228
0～ 0
06201～ 06218 08229～ 09207
晒田
06219～ 06223 09208～ 09217
0～ 10
06224～ 06230 09218～ 09227
10～ 20
07201～ 07211 09228～ 10206
5～ 15
物灌溉制度。
从上面的叙述可以看到, 推求灌溉制度时, 要确定控制水深的界限 (hm ax, hm in, hmm ax ) , 时段 内的降雨量, 渗漏量和田间耗水量, 其中作物耗水量的确定主要是作物需水量的计算, 前面已 作介绍, 下面介绍其他各量的确定方法。
控制水深的上下限 (hmax, hm in) 是根据“薄、浅、湿、晒”优良灌溉制度确定的。 多年的灌溉试 验和群众的灌水经验确定了水稻各生育期的适宜水深及控制水深, 这些可以作为系统控制水 深参数的初始值。 值得注意的是, 晒田期的控制水深, 不能简单视为 0, 由于此时田面无水层, 其蒸发和渗漏等水分运动规律都与有水层时有较大差别, 可通过土壤的含水率控制。
第 15 卷 第 4 期 100 1999 年 12 月
农业工程学报 T ran saction s of the CSA E
V o l. 15 N o. 4 D ec. 1999
水稻灌溉制度的计算机模拟3
田富强① 胡和平 杨诗秀
(清华大学)
摘 要: 自动化灌溉或称智能灌溉是当前农业灌水技术发展的方向, 该文研究了自动化灌溉中的 关键, 即灌水量预报中的有关问题, 提出了解决的方案。所建立的广西青狮潭灌区水稻灌溉制度的 计算机模拟系统, 能比较准确地进行灌水量的预报, 并能根据高产节水的“薄、浅、湿、晒”的灌水经 验, 制定出符合当地实际的灌溉制度。 关键词: 自动化灌溉; 灌溉预报; 需水量计算; 灌溉制度
系数 K c 来反映
E T m = K cE T 0
(4)
式中 E T m ——作物最大腾发量, mm d; K c ——作物系数; E T 0 ——参考作物腾发量, mm d。
2 灌溉制度推求
灌溉预报最终是要求出作物的灌溉日期和灌水量, 即推求作物的灌溉制度。本文采用水量 平衡原理分析制定作物的灌溉制度, 可以明显地看出土层中的水分变化过程。稻田的水量平衡 方程可用下式表示
1) 积温法: 根据气温的预报, 作出需水量的预测
收稿日期: 1999206230 修订日期: 1999211225 3 国家自然科学基金资助项目 (59839320)
①田富强, 硕士生, 北京市清华园 清华大学水利水电工程系水资源教研室, 100084
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月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
作物系数
0
0
0 01831 01949 01849 11079 01591 01594 01907 0
0
利用所建立的计算机模拟系统对作物需水量及田间水量平衡进行计算, 采用彭曼公式法 计算早稻全生育期净灌水量为: 2 870 m 3 hm 2, 气温法计算早稻的全生育期净灌水量为 2 550 m 3 hm 2, 水面蒸发法计算早稻的全生育期净灌水量为 3 030 m 3 hm 2。 各种方法计算的结果相 差不大。据桂林市水务局提供的资料, 采用“薄、浅、湿、晒”优良灌溉制度进行灌溉试验, 桂林水 务局所用的净水量是 3 609 m 3 hm 2, 采用计算机模拟的灌溉制度不仅可以更好地满足作物生
[ 参 考 文 献 ] [ 1 ] 陈玉民, 康绍忠等. 中国主要作物需水量与灌溉. 北京: 水利电力出版社, 1995. p 376 [ 2 ] M ·E ·詹森. 耗水量与灌溉需水量. 北京: 农业出版社, 1983. p 214 [ 3 ] 美国垦务局. 渠系自动化手册. 第 1 卷. 北京: 中国水利水电出版社, 1996. p 121 [ 4 ] 李远华, 崔远来. 漳河灌区实时灌溉预报研究. 水科学进展, 1997 (8) : 71～ 77 [ 5 ] 周振民. 灌区实时灌溉供水模型研究. 水科学进展, 1997 (8) : 78～ 82 [ 6 ] J en sen D T , H a rg reaves G H , et a l. Com p u ta tion of ET 0 under non2idea l cond ition s. J of Irri and
第 4 期
田富强等: 水稻灌溉制度的计算机模拟
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E T ci= aiT i+ ci
(1)
式中 E T ci ——某阶段的作物平均需水量, mm d; T i —— 与 E T ci同阶段内的日平均气温, ℃;
a i, ci ——根据当地实测资料确定的经验系数。
2) 水面蒸发量法 (A值法) : 考虑水面蒸发是影响需水量的重要因素, 根据实测结果, 用回
但是, 这些技术是在积累实验资料和总结群众经验的基础上得出的成果, 它的主要技术指 标只是控制稻田田面水层和土壤湿度, 缺乏科学理论的指导, 远远不能满足生产的需要。 本文 所建立的青狮潭灌区水稻灌溉制度的计算机模拟系统采用计算机技术, 运用多种需水量预测 模型, 以“薄浅湿晒”灌溉制度为基础, 与自动监测设备所得到的田间信息、气象信息、渠道水情 信息等相结合, 制定灌溉制度。
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农业工程学报
1999 年
预报所需的气象预测值是不可能得到的, 只能用历史值来代替。在各种气象因素中降雨量是影 响灌水量的最主要因素, 所以可以生育期降雨量为参变量, 用频率分析的方法求得几个不同频 率的降雨量值, 据此找到几个典型年作为计算的依据。
由于计算机有强大的数据处理能力, 也可将降雨频率作为连续值提供给用户选择, 使用户 根据当前的降雨情况和气象条件灵活选择所用的降雨频率, 作出最符合实际的灌水量预报。
宜水层的下限 (hm in) , 这时如果没有降雨, 则要进行灌溉, 灌水定额为
m = hm ax - hm in
(6)
若该时段内有降雨量 P , 则在降雨后田面水层升高, 如降雨很大, 超过最大允许水深
hmm ax, 则需要排水。排水量 C 等于超过最大允许水深 hmmax的部分。据此逐阶段计算, 可求得作
溉制度的计算机模拟系统可以模拟水稻的需水, 建立增产节水的灌溉制度。
在灌水量预报中, 预测期内气象因子的获取是最为重要的, 也是最为困难的。 在现今的科
学技术水平下, 中长期天气预报的精度及可靠度都是较差的, 所以灌水量预测所需要的气象因
子取用了历史值, 今后需要进一步从理论上研究需水量的预报模型。