精量灌溉决策与控制技术

蔡甲冰　张宝忠　刘　钰

精量灌溉决策与控制技术

蔡甲冰张宝忠刘钰

精量灌溉及其内涵

现代农业本质是利用先进技术装备支撑农业规模化，用精准化信息技术支撑农业信息化。我国的农业灌溉逐步从单一、分片小块农田转向连片、大农场。精量控制灌溉试验的目的是通过对作物生理生态和土壤水分状况以及田间小气候的观测和监测，对作物的生长状况进行详尽分析，综合反映作物需水程度，以指导灌溉的“适时”和“适量”。因此，农田精量灌溉及其控制系统能够根据所采集的田间各种信息进行综合灌溉决策，使作物在最适宜的时刻得到最适量的水分，从而在水资源日益紧缺的情况下获得最大的经济效益、生态效益和社会效益。与来源于精准农业的精准灌溉相比，精量灌溉更精细地考虑了作物生长环境中气象、作物、土壤供水的情况，同时在优质高产的农业生产目标下，针对作物生长发育特点考虑适度亏缺灌溉。2015年，精量灌溉决策与控制技术入选科技部、环境保护部、住房城乡建设部、水利部发布的《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》。精量灌溉的来源及其主要特点见图1。

图1　精量灌溉的来源与特点

在土壤—植物—大气连续体（SPAC）中，用于灌溉决策的定量指标一般有3类（见图2）：①根据农田土壤水分状况确定灌溉时间和水量，考虑的因素包括不同作物适宜水分上下限、不同土壤条件、土壤水量平衡方程及参数选择等；②根据作物对水分亏缺的生理反应信息确定是否需要灌溉，指标包括作物冠层温度相对环境温度的变化、茎果缩涨微变化、茎/叶水势、茎流变化等；③根据作物生长的小环境气象因素的变化确定灌溉的时间和作物的需水量，通过气象因素确定作物的蒸腾蒸发量进行灌溉决策。随着科技进步和计算机等科研辅助工具的普及，人们对SPAC中三要素的研究愈来愈深入。灌溉决策指标的研究，往往从定性认识到定量确定，从而在田间实际生产中进行应用。

精量灌溉决策与控制技术设计特征

精量灌溉决策与控制的关键技术围绕田间数据采集与分析→多指标综合灌溉→灌溉自动控制→灌后田间信息监控这一闭环流程来展开，其设计特征如下：

①布设田间农情监测传感器：实时采集农田气象信息、土壤墒情、作物水分信息；

②数据采集与存储：通过有线、无线、GPRS的传输方式将数据传输至数据库或者网络服务器；

③灌溉综合决策：对田间农情信息数据进行处理，并利用此信息进行灌溉分析决策，获得灌溉时间和适宜灌溉量；

④灌溉自动控制：通过自动灌溉控制系统启闭水泵和田间电磁阀实施灌溉；

⑤灌后继续监测：田间实时数据采集系统开始新一轮的田间农情监测。

农田精量灌溉系统监测和控制流程如图3所示。

典型案例

精量灌溉决策与控制系统已在北京、新疆和内蒙古等省（自治区、直辖市）推广应用。

项目概况：新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和硕县智能化精量灌溉决策与控制系统示范区，位于和硕县乌什塔拉回族乡（马兰基地旁）。示范区土地隶属和硕县水利局，于2008年在戈壁滩上开垦而成，2009年建成滴灌灌水系统。

技术指标：示范区灌溉水来源为新疆八一水库，水库蓄水经灌溉输水渠道输送至示范区田头蓄水池中，经水泵加压通过过滤系统后为滴灌系统供水。示范区呈东北向倾斜布置，长度2000m，最大宽度230m，南部最小宽度210m，总面积约700亩（46.67hm2）。示范区2009年为第1年种植，栽种作物为马来辣椒。2009年7月，灌溉控制系统在和硕县灌溉试验站安装完成，并同时进行了生产运用，经过近4个月的运行证明效果良好。田间工程改造后，灌溉设计保证率达到90%，灌溉水利用系数达到0.95，项目区粮食综合生产能力同比提高15%。

投资费用：项目总投资约15万元，其中设备费用投资约10万元，配套设施和安装费用投资约4万元。主体设备寿命5年。

图2　　农田精量灌溉决策指标与特点

图3　　农田精量灌溉控制与决策系统

发展前景

考虑国内当前新农村建设和土地流转新形势，依据水资源红线、劳动力短缺和生态环境的要求，需要开展现代灌区农情、水情的实时监测和精量灌溉决策技术与灌溉控制研究，实现信息采集实时化、灌溉管理智能化的节水型现代灌区，构建并发展智慧灌区。智慧型节水灌区是以先进的科学发展理念为引领，在网络通信、自动控制、物联网及云计算等高新技术的支撑下，融合农田多尺度信息智能采集、水肥精准配施及高效利用、智慧决策预报、水源优化调配、虚拟仿真服务平台建设等多方面的灌区智慧化关键技术措施，以可持续的发展方式、人水和谐的生产方式为保障，实现信息采集实时化、灌溉水肥精准化、灌溉管理智能化、灌溉决策智慧化的节水型灌区。主要研究内容包括：

①以灌区农田作物农情信息和环境要素的数据采集、传输为基础，开展从田间到区域尺度作物及生长环境信息监控系统的研发，实现农田实时、可视化和全天候动态监测的功能；

②以多指标综合的精量灌溉决策技术为核心，确定农田不同作物达到节水、增产、高效的缺水诊断指标及阈值，研究不同尺度作物耗水转化关系和尺度上推的方法，实现灌区农田耗水、用水、配水、管理的动态平衡；

③结合遥感图像反演地面蒸散发和同化土壤含水量，利用多点分布的免维护传感器采集的土壤墒情信息，构建现代灌区实时、可靠的灌溉预报和信息发布系统，最终形成现代灌区精量灌溉决策与控制，实现智能化管理。

以此基础研究为支撑，针对全国各个地区不同特点，可以构建如下灌溉管理平台：

智慧决策预报技术与虚拟仿真服务平台。以作物生长模拟和SPAC系统水分运移规律理论为基础，结合专家决策、模糊决策等决策技术和作物缺水诊断指标及阈值的数据库，进行基于物联网和云计算的虚拟仿真。

基于遥感ET的灌区用水管理及公共服务平台。以遥感ET的灌区用水管理关键技术为核心，将区域遥感数据与田间实验数据相结合，并分析关键参数在田间和灌区两个尺度的转换关系，建立基于遥感ET的灌区用水管理技术体系和基于GIS的现代高效节水灌溉技术应用模式综合评价体系，并在此基础上，构建灌区用水管理信息与技术服务体系的公共服务平台建设。

蔡甲冰，张宝忠，刘钰，中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，国家节水灌溉北京工程技术研究中心）