万伟　李建宜　吴建明

摘 要：我国现有的农田水利灌溉控制系统，已基本满足自动化控制的要求，由人工作业转变为了机械化作业，但与智能化控制的要求相比，还有很大差距。文章以水稻作物为研究对象，以水稻不同生长期的需水要求和灌溉要求为基础，提出节水灌溉决策模型的建立。实验结果表明：水稻节水灌溉模型的使用，节约了大量的水资源，并且提高了水稻的产量。

关键词：智能控制；节水灌溉；仿真模型

中图分类号：S275 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0153-02

Abstract： The existing control system of farmland irrigation and water conservancy in China has basically met the the requirement of automatic control， hence the change from manual operation to mechanized operation. However， compared with the requirement of intelligent control， it still has a long way to go. This paper takes the rice crops as the research subject， and on the basis of the requirements of water and irrigation at the different growth stages of rice， establishes a decision-making model of water-saving irrigation. The experimental results show the application of the water-saving model for rice can save a lot of precious water resources， and the yield of rice can be improved.

Keywords： intelligent control； water-saving irrigation； simulation model

1 概述

我国最新发布的中央1号文件中，明确提出要大规模推进农田水利建设。其中，与节水控制技术相关的主要有两点：一是把农田水利作为农业基础设施建设的重点，到2020年农田有效灌溉面积达到10亿亩以上，农田灌溉水有效利用系数提高到0.55以上。二是大力开展区域规模化高效节水灌溉行动，积极推广先进适用节水灌溉技术。随着国家生态文明建设的深入推进，我国农业节水灌溉不断提速。

据统计，我国在农田水利建设方面的进展：一是新增高效节水灌溉面积约1亿亩；二是高效节水灌溉面积超过3亿亩；三是灌溉水有效利用系数达到0.542。

相比于傳统的灌溉方式，有了很大的进步，不过，水资源利用率高的国家已达70%～80%，就此而言，我国依然有很大的上升空间。现有的自动化灌溉系统，能够实现远程自动控制，但大部分决策判断依旧依靠人工，比如，稻田的灌溉需要人工判断是否灌溉或者排水，然后作出决策，达不到智能化控制的要求。为了提高我国农业的水资源利用率和利用效率，进一步解放人类的双手，从机械化作业转变为智能化作业，提出水稻节水灌溉决策模型的研究。

2 水稻节水灌溉模型的建立

2.1 水稻品种的选择

以江苏省农业科学院粮食作物研究所和江苏省优质水稻工程技术研究中心共同配育的“宁籼优8号”水稻为对象。使用MATLAB软件，从“宁籼优8号”水稻[1]自身的生长特性出发，结合水稻栽培学科老师的意见，以及无锡市锡山区太湖水稻示范园区的实际情况，来建立水稻生长需水模型。

水稻全生育期选取140天，秧苗期不进行智能化灌溉，水稻生长模型的灌溉的日期从秧苗插秧（6月15日）后开始计算，将水稻的生长阶段分为四个大段，即返青期、分蘖期、拔节长穗期和抽穗结实期，根据各个生长期不同的需水特点建立水稻需水模型，并验证模型的可行性、适用性。四个生长期中的水稻对环境的要求都各不相同，但对水稻的生长影响最大的还是水分。本文着重考虑水稻各个生长期对水分的需求特性，结合生长环境参数，建立水稻的节水灌溉模型。

2.2 节水灌溉模型相关参数的设定

建立节水灌溉模型，最重要的是确定水稻在各个生长阶段的作物需水量，影响作物需水量的因素有气象条件（如温度，日照、湿度、风速等）、土壤含水量、作物品种及其生长阶段、土壤肥力，农业技术措施、灌溉排水措施等，而影响作物需水量的关键参数是作物的蒸腾蒸发量ETc。

本文以标准参考作物蒸发蒸腾量的彭曼公式[2][3]为基础，结合相关生长环境参数（土壤渗漏量、降水量等）和水稻生长指标，建立灌溉模型，水稻生育期中的灌溉制度用下式确定，时间间隔选取24小时：

h2=h1+P0+M-ETc-F0-C

式中，h2为某一时段末田面水层深度，mm；h1为该时段初田面水层深度，mm；P0为该时段内有效降雨量，mm；M为该时段内水稻灌溉定额，mm；ETc为该时段内水稻实际蒸腾蒸发量，即该时段的水稻作物需水量，mm/d；F0为该时段内稻田渗漏量，mm，结合锡山区水稻示范园实际情况取2mm/d；C为该时段内稻田排水量，mm。

其中，ETc的求解可由ET0乘以作物系数[4][5]求得。ET0的公式如下：

以上公式中的未知参数和水稻生长的阶段以及生长时段的环境温度和湿度有关[6]。根据无锡市锡山区的经纬度，结合锡山区的平均温度、海拔高度、空气湿度、风速等环境参数，根据《农田水利学习题集》查表得出公式中的相关数据的值，将相关数值代入得出基本的计算公式，然后使用MATLAB建立水稻节水灌溉模型。endprint

由于水稻的生长时间在六月至同年十月左右，选取的温度范围为20度至40度，与生长时段有关的参数，按六月至十月的月份划分，得到相关参数的分布规律，只要将检测到的温度值和计算时段的月份，即可自动查找出相关参数，最终的出实际的蒸腾蒸发量。水稻的生长对水层的要求很高，设置适宜水量、水层上限和水层下限，灌溉时，灌溉到适宜水层，按以上公式进行滚轮控制，当水层的值超过上限时，需要排水，排至适宜水层，当水层低于下限时，需要灌溉，同样灌溉至适宜水层。由此可见，设计的相配套的智能控制系统只需要实现实时的数据传输，便能够实现水稻的稻田水层的智能控制。

3 模型仿真结果分析

MATLAB建立水稻节水灌溉模型后，需要结合水稻实际种植情况，进行仿真分析。

根据温度的不同和生长阶段的不同，在以上公式中选取的相关系数便不同，根据建立的灌溉模型，建立配套的测控系统，在灌溉系统运行时，根据实时检测到的生长环境中的温度、湿度、降雨量和地下水位等数据，上位机接收到数据后便可以自动查找出相关系数的值，从而便能计算出蒸腾量，确定计算区间中的灌溉水量，实现智能控制。

经实验，使用节水灌溉模型进行灌溉的水稻生长区的用水量大大减少，并且水稻的产量更高，品质更好。从长远的角度讲，能够达到高效节水灌溉的目的，对缓解我国农业用水短缺现象具有非常重要的意义，值得推广，后期可以根据其他农作物种类的需水、需肥要求进行修改，设计出更符合农作物自身生长特性的测控系统，进一步实现节水灌溉、智能灌溉的要求。

参考文献：

[1]张亚东，赵庆勇，朱镇，等.高产优质杂交稻宁籼优8号特性及栽培技术要点[J].中国稻米，2016，22（2）：95-96.

[2]刘梦，罗玉峰，汪文超，等.基于天气预报的漳河灌区参考作物腾发量预报方法比较[J].农业工程学报，2017，33（19）：156-162.

[3]TRAJKORIC S. Temperature-based approaches for estimating reference evapotranspiration [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2005，131（4）.

[4]彭世彰，徐俊增.水稻控制灌溉理论与技术[M].南京：河海大学出版社，2011.

[5]王卫光，彭世彰，孙风朝，等.气候变化下长江中下游水稻灌溉需水量時空变化特征[J].水科学进展，2012，23（5）：656-664.

[6]王庆河，李宗尧，缴锡云.农田水利[M].中国水利水电出版社，2006.

[7]邱照宁，晏清洪，王建忠，等.水稻田精准节水灌溉全自动控制系统研究[J].科技创新与应用，2016（25）：23-25.endprint