安地灌区实时灌溉预报模型构建及系统研发

罗童元，郑世宗，张亚东，郑 雷，范翠翠，李 锐

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；2.金华市梅溪流域管理中心，浙江 金华 321052；3.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 问题的提出

灌区节水的潜力50%靠管理挖掘，灌溉管理水平的提高对实现农业灌溉节水具有重要意义[1]。而灌溉管理水平的提高，需要注重采用先进的节水灌溉决策技术，发展节水型灌溉农业[2]。金华市安地灌区由于城市生活和环境用水激增，导致农业灌溉用水受到限制，灌区水资源矛盾突出。采用灌溉预测预报技术手段，提高灌区灌溉管理水平是安地灌区解决水资源紧缺问题的有效途径。高国治[3]等考虑灌区土壤水分和影响土壤水分变化因子的空间变异性及预报的实时性，根据对灌区各田块土壤含水率的预测，提出灌区实时灌溉预报模型，模型预报精度和应用性得到较好的统一，但未开发决策支持系统。李远华[4]等运用计算机技术，以实时资料为基础，编写相关程序对漳河灌区进行实时灌溉预报，但程序实时资料需要手动输入，智能化水平不高。李增焕[5]等通过创建通用型智慧灌溉系统实时灌溉预报模型，应用于赣抚平原灌区晚稻生育期水管理，但仅局限于水稻实时灌溉预报。本文旨在结合金华市安地灌区现状，构建基于多源感知信息（田间水层、土壤墒情、气象预报信息、地下水、渗漏量等）的实时灌溉预报模型，开发灌区实时灌溉预报模型系统，辅助灌区用水管理者科学决策，提高灌区用水管理水平。

2 模型构建

2.1 灌区实时灌溉预报模型构建

实时灌溉预报模型集成作物需水量预报模型、降雨量预报模型和灌水量预报模型。

2.1.1 作物需水量预报模型

模型采用Hargreaves-Samani方法和公共天气预报信息对灌区作物进行ET0预报。Hargreaves-Samani公式以温度和太阳辐射为基础建立的ET0计算模型，是常用的采用气温数据输入参数的ET0计算公式，在气象资料匮乏地区具有普遍适用性[9]。由于其气象因子输入较少（最高、最低气温）且公共天气预报信息中涵盖最高、最低气温，故可用于ET0预报。

式中：ET0,HS为Hargreaves-Samani法计算的参考作物蒸发蒸腾量，mm•d-1；Ra为大气顶辐射，MJ•m-2•d-1；Tmax、Tmin分别为日最高、日最低气温，℃；λ为蒸发潜热，取2.45 MJ•kg-1；C、E、T为模型相关参数，取值分别为0.002 3、0.5、17.8。

ETCi为预报的第i天作物实际蒸发蒸腾量，采用公式（2）进行预报：

式中：ETCi为预报的第i天作物实际蒸发蒸腾量，mm；ET0i预为预报的第i天参考作物蒸发蒸腾量，mm；KCi为作物系数，无量纲；Ks为土壤水分修正系数，无量纲。

2.1.2 降雨量预报模型

我国气象部门发布的天气预报信息包含天气类型、最高气温、最低气温、风力等级、短期降雨量预报信息等。气象预报信息可直接从浙江省气象部门调用相关接口。

2.1.3 灌水量预报模型

开展田间水平衡模拟计算，再考虑作物灌溉制度，确定田间灌水日期及净灌溉水量，田间水分动态模拟模型如下：

式中：W0为时段初土壤计划湿润层内的含水率；Wt为时段末土壤计划湿润层内的含水率；WT为时段t内由于计划湿润层深度增加而增加的水量；p0为预报时段内降雨量；K为时段t内地下水补给量；M为预报时段t内的灌水量；ET为预报时段t内作物蒸发蒸腾量，以上变量的单位均为mm。

灌溉定额计算模型为：

式中：m为苗木的灌水定额，mm；Wmax、Wmin分别为作物某生育阶段允许的最大、最小储水量，mm。

2.1.4 多源感知信息

以上模型的应用需要大量的实时感知信息作为支撑，主要信息为：

（1）气象预报信息：获取未来一个时段（周或旬）灌区的天气预报信息，包括天气类型、最高气温、最低气温、湿度、降雨量等，可通过当地气象部门实时获取。

（2）土壤水分信息：包括水田作物的田间水层信息、旱作物的土壤墒情信息。这些监测信息是开展实时灌溉预报的基础，对于提高预报精度有重要作用。

（3）其他信息：灌区作物种植结构信息、灌区作物灌溉制度、灌区渠系分布信息、渗漏量、地下水补给、田间灌溉水利用系数资料等信息。

3 系统开发

综合考虑模型系统的功能和实用性，采用PHP语言和CodeIgniter开发框架搭建灌区实时灌溉预报模型系统。模型系统嵌入安地智慧灌区云平台系统中，为安地智慧灌区云平台子模块。模型系统采用框架开发，具有轻量、开发快速、安全性高、灵活等优点。模型结构由采集层、数据层、模型层、应用层等组成。模型系统运行原理见图1。

图1 模型系统运行原理图

（1）采集层：模型构建所需要的基础数据由分布在灌区各个监测点的设备进行实时采集。通过安装土壤墒情监测站对灌区土壤墒情数据进行采集；通过专业的气象信息网站获取灌区气象预报信息；通过现场试验获取作物灌溉制度、需水量规律、地下水、渗漏量等信息。

（2）数据层：由数据交换与云服务构成，是模型系统的基础支撑，模型系统所需数据都存储在数据库中。模型系统进行数据展示和数据分析都离不开数据层。

（3）模型层：通过采集层和数据层获取基础信息，进行分析、数据处理、计算，将模型运行结果展示给用户。

（4）应用层：为系统展示界面，将气象预报信息、田间水分实时监测信息、作物需水量预报信息、灌溉预报决策信息展示给用户或灌区用水管理者，辅助灌溉决策。

4 系统应用

4.1 灌区概况

金华市安地灌区位于浙江省中部，地处金华市婺城区和金东区，是金华市主要产粮区和浙江省重点粮食生产功能区。灌区设计灌溉面积8 571 hm2，主要水源为安地水库，其他小型水库和国湖提水泵站为补充水源。灌区主要种植作物为苗木、水稻等，由于种植景观苗木的效益普遍比种植水稻经济效益高，近些年来，苗木种植占灌区作物种植绝大部分比例。

4.2 灌区分区及监测点布设

考虑灌区作物种植结构、主要渠系分布、灌溉习惯对安地灌区分为9个灌片：总干渠灌片、西干渠灌片、中干渠灌片、苏孟支渠灌片、东干渠灌片、金长垅支渠灌片、汪家垄支渠灌片、多湖支渠灌片及澧浦支渠灌片。各片区土壤质地基本相同，种植模式和灌水技术接近，自然条件接近。

综合安地灌区分区、作物种植结构及监测点布设数量的经济性，对灌区土壤墒情/田间水位监测点进行合理布设。监测点的布设必须具有代表性，可代表整个分区或邻近分区的作物种植结构、水文条件、地形地貌、田间渗漏、灌排条件等情况。灌区分区及监测点布设见图2。

图2 灌区分区及监测点布设图

4.3 实时灌溉系统

基于多源感知的灌区实时灌溉预报模型主要涵盖4个模块：气象信息预报模块、田间水位/土壤墒情监测模块、灌区作物需水量预报模块及实时灌溉预报决策模块。

（1）气象信息预报模块。主要为展示灌区未来1～10 d的气象预报信息，主要包含天气情况、最高气温、最低气温、风力、降雨量等。气象预报信息可通过浙江省气象局调入接口获取或从中国天气网（http://www.weather.com.cn/）抓取。

（2）田间水位/土壤墒情监测模块。主要为展示灌区田间水位/土壤墒情监测点的田间水位/土壤墒情信息。将监测数据通过相应的通讯技术实时上传服务器端，按照统一的数据格式储存于数据库中，并提供统一的数据调用接口，提供田间水位实时数据查询、分析及校正服务。

（3）灌区作物需水量预报模块。根据作物需水量预报模型和灌区各分区作物种植结构，计算灌区各分区未来1～10 d作物需水量预报值并通过页面展示，让灌区用水管理者了解灌区各分区未来一旬作物需水量预报信息，辅助灌区用水管理者更好的进行灌区水资源分配与调度。

（4）实时灌溉预报决策模块。分为常规灌溉预报决策和节水灌溉预报决策。①常规灌溉预报决策依据群众灌溉经验（气温及天气情况）和作物灌溉制度进行灌溉预报决策。灌溉决策过程为每旬旬初获取未来一旬天气预报信息，然后依据天气预报信息确定灌溉频率：气温超过35 ℃放水1次/2 d，30～35 ℃放水1次/3 d，温度在30 ℃以下放水1次/（4～5）d，若期间下雨（15 mm以下认为是无效降雨）认为放水1次。灌水量根据灌溉制度决策规则表（见表1）计算获取。②节水灌溉预报决策基于灌区作物灌溉制度、灌区实时多源感知信息等，采用水量平衡法推算灌区灌水量和灌水时间。每旬旬初获取未来一旬内天气预报数据、降雨量预报数据、作物ETc预报数据，根据水量平衡原理对灌区各站点进行田间水层、土壤墒情预报。若站点未来一旬内未达到土壤水分下限，则不灌溉；若出现缺水状况，则推算灌水中间日和灌水定额。

表1 灌区苗木灌溉制度决策规则表

模型系统基于WebGIS开发，为金华市安地水库灌区智慧灌区综合管理平台子系统，主要功能为展示实时灌溉预报模型创建的4个模块。模型系统页面见图3。

图3 模型系统页面图

4.4 运行结果

模型系统应用于安地灌区苗木灌溉期用水管理，采用常规灌溉预报决策模式对灌区进行灌溉用水管理，节水成效明显。灌区2019年7—9月农业灌溉用水量比计划灌溉用水量减少约352.8万m3，节水率18.4%，灌区放水次数减少4次（见图4）。通过采用现代化手段对灌区灌溉用水进行精细化管理，提高降雨利用率，可提高灌区用水管理水平。

图4 灌区计划灌水量与实际灌水量对比图

5 结语

金华市安地水库靠近城市，随着经济发展和城镇化水平推进，原来以灌溉供水为主的水库增加城市生活供水、环境配水功能，灌区农业灌溉用水大大缩减，灌区水资源矛盾突出[16]。为缓解安地灌区水资源紧缺现状，结合灌区实际，创建灌区实时灌溉预报模型、开发模型系统，有效减少灌区农业灌溉用水量，提高灌区用水管理水平。