集约化条件下农田地面灌溉智能化管理研究进展

吴彩丽，白美健，李益农

(1.中国水利水电科学研究院 水利研究所， 北京 100048；2.国家节水灌溉工程技术研究中心， 北京 100048)

集约化条件下，地面灌溉的控制与管理范围从田间扩展到区域，其主要变化反映在系统规模变大，地形和工程状况复杂，灌溉信息无线采集与传输距离加长，控制目标多元化。因此，如何基于区域要素空间变异性对地面灌溉系统进行协同多目标优化和智能化管理，以期到达节水、节地、省工、增效和减污的目标，是当前集约化农业地面灌溉管理中必须要解决的问题。目前我国在智能化地面灌溉管理技术与设备研发方面的工作处于初步探索阶段，与国外存在显著差距。

因此，本论文拟通过对国际上集约化条件下农田地面灌溉系统智能化管理发展动态的调研，更好地把准集约化农田灌溉管理的发展方向，以期为促进我国集约化农田灌溉方式的发展提供理论支撑。

1 地面灌溉管理及技术方面的研究动态

笔者整理了2010年—2016年间影响力较大的相关刊物上有关地面灌溉管理及技术方面论文的总体分布情况，归纳与分析发展动态。这里分别列出中、外文两种灌溉领域影响较大的期刊：《水利学报》和《农业工程学报》(中文)，《Agricultural Water Management》和《Irrigation Science》(外文)。

图1为四种刊物从2010到2016年间(《Irrigation Science》没有查到2010年的数据，故图中数据从2011年开始)论文总篇数、相关论文篇数及相关论文占总篇数的比例图。据图1可知，《水利学报》的论文总篇数为207篇/年，其中地面灌溉管理及技术相关论文为8.9篇/年，所占比例为4.4%，所占比例有增加趋势；《农业工程学报》农业水土工程版块的论文总篇数为188篇/年，其中地面灌溉管理及技术相关论文为17.7篇/年，占总篇数的比例为9.6%，所占比例有减少趋势；《Agricultural Water Management》的论文总篇数为264篇/年，其中地面灌溉管理及技术相关论文为27.8篇/年，占总篇数的比例为10%，所占比例呈上升趋势，尤其是2016年，由于加了农业水管理的特刊，使得相关论文达到了60篇；《Irrigation Science》的论文总篇数为49.6篇/年，其中地面灌溉管理及技术相关论文为8.5篇/年，占总篇数的比例为17.6%，近两年总体平稳。总体而言，地面灌溉管理及技术相关论文所占的比例总体呈上升趋势，尤其是近两年，这表明对于地面灌溉管理及技术方面的研究越来越受到重视。

2 集约化农田地面灌溉智能化管理关键技术研究进展

从一家一户经营体制下的单一田块拓展到集约化种植区域上的灌溉系统，有四项关键灌溉技术需要突破：理论研究方面的数值模拟方法和优化设计方法，应用研究方面的信息采集与传输技术和智能化灌溉管理技术。

图1四种重要刊物上地面灌溉管理及技术相关论文分布情况

2.1 理论研究

2.1.1 数值模拟方法

由于区域农田灌溉系统灌溉水循环过程涉及田间配水系统和畦田地表-土壤，需要考虑区域尺度上土壤特性空间变异性，降雨、蒸散、径流时空差异性，以及人类活动随机性的影响，使得区域灌溉水循环比田块尺度灌溉水循环更为复杂，且又不同于自然流域的水文特征，所以田块尺度的数值模拟方法及水文学的数值模拟方法都不能简单地应用在区域灌溉水循环过程的模拟上。国内外学者围绕区域尺度的水分运移模拟模型进行了大量研究[1-10]，研究成果主要分为灌区尺度水文循环模拟模型和农田尺度地面灌溉模拟模型两种类型。就灌区尺度而言，目前国内外还没有真正构建基于灌区水文循环的分布式水文模型，而多采用把反映灌溉系统特性的模块嵌入自然流域水文模型中的方法进行灌区水文循环的模拟。就农田尺度而言，随着空间尺度的增大，土壤特性和田面微地形等的空间分布呈现出明显的随机性，再加上区域回归水的重复利用等问题，使得农田尺度地面灌溉模拟比田块尺度更为复杂。近年来不少学者通过试验监测和数值模拟手段尝试探讨农田灌溉尺度变化问题[11-21]，但这些研究多是基于水量平衡原理建立概念性的框架模型，显然对水分运移过程的模拟精度相对动力学模型会差一些。

2.1.2 优化设计方法

2.2 应用研究

2.2.1 信息采集与传输技术

2.2.1.1 无线传感器网络

由于农业生产一般都在野外，适合采用无线传输方式。集约化条件下，从田间扩展到区域的灌溉控制与管理，控制系统规模变大，地形和工程状况复杂，灌溉信息无线采集与传输距离加长，因此，如何精确、稳定、实时地采集与传输灌溉信息是区域尺度灌溉系统实现精准控制的前提。无线传感器网络(WSN)是一种分布式传感器网络，通过无线方式通信，节点设置简单灵活，设备位置可以随时更改，网络容量大且成本低廉，非常适合于智能灌溉系统[31-35]。

2.2.1.2 无线通信技术

田间无线数据传输受到作物的生长状况、气候变化、节点布设共同影响，严重影响通讯质量，是无线传感器网络在集约化农田应用的瓶颈之一。一家一户经营模式下的地面灌溉控制多采用经验控制，控制设施简单，规模化农田灌溉下田块规格、入畦流量等都相对较大，传统的灌溉控制方式难以操作，因此，需要结合规模化农田灌溉特点研发智能化灌溉控制技术与设备。

国内目前在灌溉系统中应用较多的无线通信技术是ZigBee和GPRS[36-39]。相对来说，GPRS数据率高，传输距离远，便于远程传输，并且能直接与Internet相连，但是功耗、成本与收费相对较高；ZigBee功耗低、成本低，但是数据率相对较低，单跳传输距离相对较近。因此，将两者结合起来共同用于灌溉系统数据传输是未来发展的趋势[36-51]。

2.2.2 智能化管理技术

智能化灌溉是通过各种无线传感器对农田灌溉信息进行实时采集，并数字化后传输给中央控制台，再利用智能系统科学决策管理方案，及时精确控制灌水设备启闭，以保证对农田进行适时适量的灌溉。

2.2.2.1 智能灌溉系统及设备

智能化灌溉系统及设备生产走在世界最前沿的公司是美国的雨鸟、亨特等，都开发了先进的智能控制系统。此外，还有以色列的lgalAgro系列产品，澳大利亚的Hardle Irrigation公司开发的灌溉控制产品，也是目前农机控制比较先进的智能控制系统。

国内智能灌溉系统及设备的研制从“九五”期间才真正开始起步，技术落后，现在多数还处于实验室研发阶段，自主研发且能够推广使用的智能灌溉控制系统还不多见。目前，国内灌溉设备多以引进国外技术为主，有关灌溉设备的生产企业大大小小近500家，其中有相当一部分代理的是美国和以色列的产品。总体上，与节水发达国家相比，我国智能灌溉系统及设备的研发还存在很大的发展潜力[52]。

2.2.2.2 智能灌溉控制指标

目前，智能灌溉系统通常采用三种控制指标：作物蒸腾量、土壤湿度和作物生理指标。其中，以彭曼公式估算作物蒸腾量是最传统的灌溉策略，但是采用彭曼公式计算作物蒸腾量的过程中，需要大量的气象数据，计算较为复杂。对于大尺度范围内蒸发蒸腾量估算，国内外有关学者采用遥感方法，可以更加有效地反映蒸发蒸散量分布情况，但是遥感技术的适用性和估算精度上受到地表植被覆盖度、天气情况、昼夜时段以及假设条件的影响较大[53-55]；以土壤湿度为控制指标决定是否进行灌溉，以通过对土壤湿度的控制达到智能节水灌溉的目的[56-59]是近年来国内外学者研究的重要内容，一般作物生长较好的土壤含水量为田间持水量的60%～80%，但是这个值会因随着土质、团粒结构等诸多因素的不同而变化，因此，以土壤湿度值作为灌溉依据时，需因地制宜，且在灌溉前适时地采集土壤湿度信息；基于作物生理生态信息的监测方法，角度更加微观、数据更加精确，更加体现了作物本身的主体作用，通过自身的指标反映水分亏缺状况，可以更直接地用于指导灌溉。但是，需要的监测仪器精密，价格昂贵，目前常用于实验室研究[60-62]。

3 结论及展望

通过上述相关研究进展评述，发现国内外对于集约化条件下农田地面灌溉智能化管理方面的研究已成为重点。综合现状存在的实际问题，笔者提出我国未来集约化条件下农田地面灌溉智能化管理方面的主要研究方向及内容，供相关人士参考。

(1) 理论研究方面

① 由于灌区的水分循环较自然流域复杂得多且受人为的影响比较大，故直接然流域水文模型用于灌区时存在较大的困难。因此，应综合考虑灌区因灌溉及人类活动对水分循环产生的影响，加强灌溉、排水、水文、气象等方面的交叉研究，合理划分计算单元，并结合GIS和RS技术建立适合灌区水文特点的分布式水文模型。

② 随着农田尺度的扩大，土壤入渗参数空间变异增强，农田尺度的水流运动问题牵扯诸多环节，颇为复杂，目前研究中还没有经实际验证与率定的能够精确模拟农田尺度水分运移过程的动力学模型，因此，需借助已有的地面灌溉地表水流运动模型和高精度饱和-非饱和土壤水动力学模型，通过农田尺度土壤水力特性和田面微地形参数联合随机模拟方法，建立考虑土壤水力特性和微地形空间变异性的农田尺度灌溉模拟模型。

③ 由于我国至今没有方便基层规划设计者使用的地面灌溉系统评价和设计工具，现有的系统设计工作主要依赖于管理者的知识经验而缺乏客观依据。因此，要开展不同类型灌区的农田尺度灌溉系统优化设计研究，考虑区域时空变异性、多目标决策等因素，优化田间灌溉系统的布局，构建现代化的农田灌溉系统，并形成相关规范，为基层规划设计者进行田间灌溉系统的优化设计提供实用的工具。

(2) 应用研究方面

智能化管理是集约化条件下农田灌溉的一个重要发展方向。我国对智能灌溉系统的研究起步晚，目前虽然有多加相关单位在进行研究，但有些是直接引进照搬国外的技术，有些是处于试生产的实验室阶段，技术还很不成熟，远没有形成规模。因此，从我国现阶段的实际国情出发，研制出适合本土自然气候、土地资源等特殊情况，且符合我国农民实际购买能力的智能灌溉系统及设备，满足我国现阶段灌溉管理的需求是当务之急。与3S等技术的结合应用，推动灌溉管理走向现代化、自动化、智能化，将是未来农业灌溉发展的必然趋势。