考虑降雨有效利用的水稻灌溉模式的优化

陈梦婷，杨琳，吴光星，吴争光，茆智，崔远来，罗玉峰

(1.中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430200；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

水稻是中国主要的粮食作物之一，2017年水稻播种面积为30 747 000 hm2，占全国粮食播种面积的26.1%[1]，92%以上的稻田分布在南方.水稻是喜水性作物，在作物生长过程中会消耗大量的水分，除了人为进行灌溉补充外，利用降雨是满足水稻生长发育需水的主要途径.中国虽然降雨丰沛，水资源相对丰富，但由于降雨量时空分配不均，容易出现季节性干旱、洪涝等灾害，加上城市化的进程加快，工业、生活用水急剧增长，农业用水资源减少，节水问题刻不容缓.在水稻生育期提高有效降雨利用率是减少灌溉用水量、充分挖掘农业节水潜力、减少氮磷排放的有效措施之一.

国内学者关于水稻生长期的降雨利用率研究分析表明，水稻生育期内，降雨年际间差异大，规律性差，不同区域之间也存在差异，降雨利用率、排水量与降雨量存在一定的关系，且不同灌溉模式下稻田降雨利用率也存在差异[2-3].中国传统水稻灌溉模式为淹水灌溉(简称淹灌)，即在水稻各个生育阶段田间保持一定深度范围内的水层，以水层深度作为灌溉指标对水稻进行灌溉管理[4].该灌溉模式应用广泛，在各地区水稻灌溉中发挥了巨大的参考作用.但传统灌溉模式各地统一水层深度灌溉并没有考虑到降雨时空分布间的差异性，不能充分利用有效降雨，水资源利用率不高.有学者对水稻灌溉模式进行优化，雷彩秀等[5]采用蒙特卡罗方法和漳河灌区实际降雨资料，建立了以旬灌溉水量为决策变量的水稻灌溉制度优化模型，刘路广等[6]在鄂北地区利用ORYZA模型构建了田间水稻生长模型，并对现行的灌溉模式进行了优化.另外，经过多年试验研究和实践，各地总结出各种水稻节水灌溉技术，主要包括间歇灌溉模式、薄浅湿晒灌溉模式、浅灌中蓄灌溉模式以及蓄雨型节水灌溉模式[7-8].其主要特征是田间有水层和无水层交替，在一定程度上考虑了利用降雨，具有节水、改善土壤肥力、增产等效果.但水稻节水灌溉技术通常对管理人员技术水平要求较高，推广和应用存在一定难度.故考虑降雨有效利用，对传统淹灌灌溉模式提出一种简单有效的优化方法必要且迫切.

文中以湖北漳河灌区为例，提出一种考虑降雨有效利用，优化水稻传统淹灌灌溉模式的方法，并结合降雨统计规律分析优化效果和节水原因，以期减少水稻灌溉用水量，充分挖掘节水潜力.

1 数据与方法

1.1 数据来源

选取湖北省荆门市漳河灌区作为分析对象，该区域受亚热带季风气候影响，多年平均降雨量为940 mm，多年平均气温为16.4 ℃.从中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn)收集了灌区内部钟祥气象站点(112°20′E，31°06′N)1955—2017年逐日气象数据，包括最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速、日照时数和降水量.

1.2 作物需水量计算

水稻逐日耗水量采用单作物系数法，计算公式为

ETci=Kci·ET0i，

(1)

式中：ET0i为第i天参考作物蒸发蒸腾量，mm，采用Penman-Monteith公式计算[9]；Kci为第i天的作物系数.根据漳河灌区的团林灌溉试验站资料整理得水稻各生育期的作物系数Kc，返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期Kc分别为0.93，1.23，1.51，1.60，1.44和0.80.

1.3 灌溉制度的推求

1)在水稻生育期内第i天，田间的水深可用水量平衡方程表示为

hi=hi-1+Pi+mi-ETci-fi-di，

(2)

式中：hi为第i天灌溉或排水前田间的水深，mm；hi-1为第i-1天末田间的水深，mm；Pi为第i天降雨量，mm；ETci为第i天耗水量；mi为第i天灌水量，mm；fi为稻田渗漏量，根据地区土壤数据，漳河灌区稻田渗漏量平均为2 mm/d；di为第i天排水量，mm.

如果某日计算得到的hi小于该生育期的适宜水层下限，则进行灌溉；若hi大于该生育期的适宜水层下限，且小于或等于该生育期降雨后最大蓄水深度，则不灌溉也不排水；若hi大于该生育期降雨后最大蓄水深度，则进行排水，即

(3)

(4)

式中：hmin为适宜水层下限，mm；hmax为适宜水层上限，mm；Hp为降雨后最大蓄水深度，mm.

2)逐日推算水量平衡各要素，整理可得整个生育期灌溉制度.

3)统计各生育阶段降雨利用率与灌水次数，降雨利用率计算公式为

(5)

式中：Pt为第t生育阶段的降雨量；dt为第t生育阶段的排水量.

1.4 灌溉模式优化模型

常规淹灌各生育阶段淹灌控制水层标准[4]如表1所示，当田间水层深度下降到hmin时，灌溉至水深hmax，若遇到降雨，可蓄雨至最大深度Hp.为充分利用有效降雨，对传统淹灌模式进行优化，改变各生育阶段控制水层深度，寻找最大利用降雨兼顾减少灌水次数的最优水层深度组合.在寻优过程中，若采用穷举法，将每种水层深度组合列举出来，计算量巨大，故根据水稻生长发育过程分阶段穷举优化，减少组合数和计算量，具体优化过程如下.

表1 常规淹灌各生育阶段控制水层深度

1)划分生育阶段.根据水稻生长过程，将水稻全生育期划分为7个不等长的生育阶段，分别为返青期、分蘖前期、分蘖末期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期.

2)确定各生育阶段水层深度变化范围.各阶段控制水层深度有3个变量，即适宜水层下限hmin、适宜水层上限hmax和降雨后最大蓄水深度Hp，以表1的数据为参考，增加或减少5，10 mm形成5个水平，每生育阶段3个变量共计5×5×5=125种水层深度组合.根据水稻生长实际情况，返青期、分蘖末期和黄熟期不进行优化，具体取值范围如表2所示.

表2 优化灌溉模式各生育阶段控制水层深度取值范围

3)逐阶段推求灌溉制度.从水稻第一个生育阶段返青期开始，根据1.3节的内容，推求该阶段所有组合的灌溉制度.

4)计算目标函数值，寻找最优组合.根据推求得出的阶段灌溉制度，计算各水层深度组合灌溉模式下的该阶段多年平均降雨利用率和多年平均灌水次数并进行归一化.为满足充分利用有效降雨兼顾减少灌水次数的多目标优化要求，采用加权系数法[10]，首先将归一化后的灌水次数求负值，使各目标优化方向一致，然后赋予各目标权重系数，建立新的目标函数，即

(6)

使目标函数值最大的水层深度组合就是所求的该生育阶段最优的水层深度组合.

5)重复步骤(3)-(4).最优水层组合下的阶段末田间水层深度作为下一阶段的初始田间水层深度，初始田面水深(泡田后田面水深)取30 mm.

该改进模型采用python编程实现，模型实现具体流程如图1所示.

图1 模型实现流程

2 结果与分析

为对传统淹灌模式进行优化，本研究改变传统淹灌模式各生育阶段控制水层深度，通过推求灌溉制度，计算各生育阶段水量平衡各要素，分析各控制水层深度对节水效果的影响，并根据优化的目标，即最大利用降雨兼顾减少灌水次数，寻找最优水层深度组合，得出优化后的灌溉模式，并分析节水效果.

2.1 优化灌溉模式与节水效果

经过优化后最佳的灌溉模式田面水层控制标准如表3所示，优化后的适宜水层下限均为最小水平，降雨蓄水深度均为最大水平.而优化后适宜水层上限规律则不统一，分蘖前期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期优化后适宜水层上限分别为50，50，40,25 mm.

表3 灌溉模式优化后各生育阶段控制水层深度

虽然优化后改变了适宜水层深度，但并不会对水稻产生生理上的负面影响.因为虽然优化后适宜水层下限降低，但田间除黄熟期落干外一直保持有水层状态，故不会对水稻造成水分胁迫现象[11-12]，理论上不会产生减产现象，关于增大蓄水深度的做法，已有学者在湖北地区采用深蓄灌溉方法对水稻进行灌溉，蓄水深度达120～200 mm，并未造成减产现象[13].在参考传统淹灌模式确定各生育阶段控制水层深度变化范围时较为粗略，可根据当地降雨情况和水稻生长发育情况做出调整.

优化具体效果如表4所示，其中d为排水量，n为灌水次数，P为降雨量，m为灌水量，r为降雨利用率，各数据均为多年计算结果平均值.通过表中数据可看出，优化后降雨利用率平均提高3.78%，其中分蘖前期增幅最大，为6.41%，拔节孕穗期增幅最小，为4.25%；优化后灌水次数平均减少4.60次，其中乳熟期减少次数最多，为2.44次，拔节孕穗期减少次数最小，为0.07次；同时优化后灌溉定额平均减少25.5 mm，平均节水率为5.14%，其中拔节孕穗期节水率最高，为7.23%，抽穗开花期节水率最低，为3.84%.

表4 控制水层深度优化前后水量平衡要素对比

相比节水灌溉模式，优化后的淹灌灌溉模式除黄熟期落干外，其余生育期田间仍保留水层，而大多数节水灌溉模式除返青期保持薄水层外，其他生育阶段经常露田或晒田，故适宜水层下限仍有下降空间，淹灌模式可进一步优化.

2.2 控制水层深度对节水效果的影响

图2为不同控制水层深度各生育阶段灌水量m、灌水次数n及降雨有效利用率z多年均值.由图2a可以看出，在水稻的各个生长阶段，随着适宜水层下限的降低，灌水量和灌水次数呈减小趋势，降雨有效利用率则呈上升趋势，而且灌水量和灌水次数的变化趋势较降雨有效利用率变化明显，适宜水层下限每下降5 mm，平均各生育期灌水量减少7.18 mm，灌水次数减少2.89次，降雨利用率增加2.99%.这是因为适宜水层下限降低，使得水稻灌溉的间隔时间变长，灌水定额变大，相应的灌水次数越少，同时较低的适宜水层下限使得遇雨能存贮更多的雨水，提高降雨利用率，故较小的适宜水层下限优化效果好.

由图2b可以看出，在水稻的各个生长阶段，随着不同适宜水层上限的增加，灌水量呈增加趋势，灌水次数和降雨有效利用率则呈下降趋势，而且灌水量和灌水次数较降雨有效利用率的变化趋势明显，适宜水层上限每增加5 mm，平均各生育期灌水量增加8.77 mm，灌水次数减少2.17次，降雨利用率减小3.81%.这是因为适宜水层上限的变化主要影响灌水量和灌水次数.适宜水层上限降低，灌溉后田间水层深度很快达到适宜水层下限，水稻灌溉的间隔时间短，灌水频繁，田间水层长期维持在一个较低的水平，在降雨后最大蓄水深度不变的情况下，有更大的空间蓄留雨水，从而提高降雨有效利用率；而适宜水层上限越大，灌水定额就越大，灌水次数少，但由于灌水后田间水层深度增加，遇到较大的降雨田间水层深度易超过蓄水深度，需要排水，从而降低降雨有效利用率.由于模型的目标是寻找最大利用降雨兼顾减少灌水次数，故适宜水层上限的寻优在生育期有不同的结果，其优化结果与水稻生长所处时期的降雨分布有关.

由图2c可以看出，在水稻的各个生长阶段，随着降雨后最大蓄水深度的增加，灌水量和灌水次数呈减少趋势，降雨有效利用率则呈上升趋势，而且降雨有效利用率的变化趋势较灌水量和灌水次数变化明显，降雨后蓄水上限每增加5 mm，平均各生育期灌水量减少3.73 mm，灌水次数减少0.18次，降雨利用率增加10.80%.这是因为降雨后最大蓄水深度增加，主要使田间在遇到等级较高的降雨时能蓄留更多的雨水，提高降雨有效利用率，由于有效利用了降雨，需要灌溉的情况频率降低，相应灌水次数减少，故较大的降雨后最大蓄水深度优化效果好.

图2 不同生育阶段灌水量、灌水次数及降雨有效利用率多年均值

3 结 论

文中提出一种考虑利用有效降雨，针对传统淹灌模式进行优化的方法，并对其节水原因和节水效果进行分析.主要结论如下：

1)与传统淹灌模式相比，优化后的灌溉模式适宜水层下限降低10 mm，降雨后最大蓄水深度增加10 mm，而适宜水层上限分蘖前期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期优化后适宜水层上限分别为50，50，40，25 mm.

2)优化结果显示，优化后平均降雨利用率提高3.78%，其中分蘖前期增幅最大，为6.41%，灌水次数减少4.60次，其中乳熟期减少最多，为2.44次，灌溉定额减少25.50 mm，节水率为5.14%，其中拔节孕穗期节水率最高，为7.23%.

3)适宜水层下限和适宜水层上限主要通过影响灌水次数和灌水量来影响灌溉模式的优化效果，降雨后最大蓄水深度主要通过影响降雨有效利用率来影响灌溉模式的优化效果.