集约化条件下农田地面灌溉智能化管理研究进展

文章整理了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，系统评述了从单一田块拓展到集约化种植区域上的灌溉系统需要突破的四种关键技术（数值模拟方法、优化设计方法、信息采集与传输技术和智能化灌溉管理技术）的研究进展。结果表明，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，未来的发展趋势将是建立适合灌区水文特点的分布式水文模型及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，开展农田尺度灌溉系统优化设计研究，研发智能灌溉系统及设备，推动灌溉管理走向自动化、智能化。     

现代灌溉水肥精量调控原理与应用

过去15年间,中国水利水电科学研究院水利研究所瞄准现代灌溉农业集约化和精量化发展目标,重点围绕不同生态区域、不同尺度农田的水肥施用与多过程综合调控中存在的问题,系统开展了现代灌溉水肥精量调控研究,取得了系列化的成果:考虑土壤空间变异和层状质地对水肥分布的影响,改进了微灌系统的设计方法;在干旱区和半湿润区等不同气候区,选取小麦、玉米、棉花和蔬菜等典型作物,全面考虑水力学参数、土壤水肥动态和淋失、环境参数以及作物产量和品质等因素对微灌均匀系数的响应机制进行研究,提出了微灌均匀系数分区标准;在国内率先开展了变量灌溉理论和控制技术的研究,发展了适用于缺水地区的非充分变量灌溉理论;从系统安全、环境安全和水肥高效利用出发,揭示了再生水滴灌对系统性能和环境的影响机制,定量评价了再生水中养分的有效性;研发了低压高均匀灌水器、多功能系列喷头和智能灌溉施肥机等装置,实现了灌水施肥性能的提升;形成了区域化的喷、微灌水肥高效利用模式。上述成果为进一步提高农田水肥利用率、推动喷、微灌理论和技术进步提供了支撑。     

干湿田面糙率差异对灌溉模拟效果影响

田面糙率是影响畦灌水流运动过程的关键参数,其值的合理确定对灌溉模拟效果影响显著.本文基于田间实测数据,借助地面灌溉模拟模型,分析不同土质、入畦流量和坡度条件下考虑与不考虑干湿田面糙率差异对灌溉模拟效果的影响.结果表明,考虑干湿差异的模拟效果略优于不考率干湿差异的模拟效果,且通过敏感性分析得出,湿面糙率起决定性作用,干面糙率影响较小.该结果可为地面灌溉反馈控制系统中田面糙率系数的合理确定提供科学依据.     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟：Ⅰ模型

本文基于零惯性量方程和一维对流-弥散方程建立起畦灌溉施肥地表水流溶质运移模型，并利用HYDRUS-2D软件模拟二维非饱和土壤水流溶质运移过程，以一维地表水流溶质运移模拟得到的通量条件作为二维非饱和土壤水流溶质运移模拟的上边界，利用编制的程序将两个模型进行集成，构建起畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型。基于多时段分步迭代计算方法，实现沿畦长地表入渗溶质通量动态变化条件下的二维非饱和土壤水流溶质运移模拟。     

基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型Ⅱ——模型应用

利用作者开发的基于SGA和SRFR模型构建的畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数优化反演模型，在不同田间灌溉实例条件下进行参数优化估值，分析评价依据地表水流推进(消退)数据估算得到的土壤入渗参数和田面糙率系数进行畦灌地表水流运动过程模拟的效果。结果表明，利用基于地表水流推进数据估算的参数可很好地模拟非稳定状态下的水流推进过程，但其模拟地表水流消退过程的效果却普遍较差，而采用基于地表水流消退数据估算的参数虽可较好地模拟稳定状态下的水流消退过程，但用其模拟水流推进过程的精度却有所下降，只有采用基于地表水流推进与消退组合数据估算的参数，才能获得较佳的综合模拟效果。与人工试算法和离散变量法估算的参数相比，基于SGA优化估值参数模拟的畦灌地表水流运动过程效果更好，SGA是改善参数估值精度的有效手段。     

基于需水和输配水模拟与节水多准则分析的DSS模型应用研究

应用具有决策支持系统(DSS)功能的SEDAM模型模拟黄河上游惠农引黄灌区的灌溉需求与渠系输配水状况，利用节水多准则分析方法评价农田与输配水系统的改善方案。以田间实测的各类典型数据资料为基础，采用随机方法生成与田间和各级渠道相关的数据，产生用于多准则分析的属性数据和性能指标。根据不同水平的与农田及输配水系统相关的决策变量，设计了8种用于改善农田与输配水系统的模拟方案，通过模拟的需水量与现状供水量之间的对比以及模拟的各类效用值随时间变化的趋势，对模拟结果进行分析。结果表明，采用改善的农田与输配水系统运行方案可有效地减少惠农灌区的灌溉弃水和渠系输水渗漏量，较好地控制田间深层渗漏与地表径流损失，达到节水增产、改善农田生态环境的目的。     

常规土地平整与激光平地技术组合应用初步分析

在常规土地平整方法与激光平地技术组合应用实践基础上，对两种平地方法的平整效果、作业效率及成本费用进行分析。结果认为，为达到费省效宏的组合平地应用形式，在土地原始平整状况较差的渠灌区，应首先采用常规平地方法进行粗平，当田面平整精度与平地期望值的差值接近3cm时，再利用激光精平方法完成土地平整工作。对田面平整度较高的井灌区，也可直接采用激光平地技术完成土地精平。     

考虑气象因子不确定性的参考作物蒸散量预报方法

参考作物蒸散量(ET_0)的准确预测预报对于制定作物灌溉制度与实时灌溉调度具有重要意义,然而气象因子的不确定性极大的影响着ET_0的预测精度。因此本研究采用马尔科夫蒙特卡罗模拟与自适应采样算法相结合的方法(AM-MCMC)对气象因子的不确定性进行修正,以气象站实测ET_0作为标准值,利用径向基神经网络(RBF)模型建立气象因子与ET_0的映射关系,建立基于气象因子不确定性的ET_0不确定性预测模型(CU-RBF),并以华北平原农田下垫面为例进行验证。结果表明,与传统的RBF确定性预报结果相比,CU-RBF预测结果的各精度评价效果均有所提高,纳什系数提高了10%,均方根误差和平均绝对误差分别降低了16.94%、17.05%,且单独修正平均风速的CU-RBFWs预测模型效果比分别单独修正最高温度、平均相对湿度的预测模型效果好。考虑气象因子不确定性开展ET_0的预报研究,减小了预测值与实际值的误差,可为农田下垫面的未来水分管理提供科学依据。     

玉米浅埋滴灌工程综合效益及对地下水位影响分析：以科尔沁区为例

内蒙古自治区通辽市科尔沁区近年来完成100万亩农田由传统地面灌(管灌)转为浅埋滴灌的高效节水工程建设和改造。本文根据该工程实施2年来的实地调研和2010—2019年地下水观测资料,以常规管灌为对照,采用层次分析法,从节水、经济和生态等方面对浅埋滴灌技术和高效节水工程进行综合效益评价,并对地下水埋深的变化情况及影响进行了分析。研究结果表明,2018年和2019年浅埋滴灌技术比管灌技术分别节水41.83%和37.66%,灌溉水生产率提高1倍以上,净收益增加51.96%和49.88%。地下水水位监测数据对比可知,地下水埋深下降速率由工程实施前0.36 m/a下降至0.24 m/a,浅埋滴灌工程实施能明显减缓地下水埋深下降速率。浅埋滴灌技术的综合效益均高于管灌,可在本地区或者相似区域推广应用。     

基于较高收割机生产率的东北地区适宜水田规格阈值分析

农业规模化机械化是东北地区农业产业发展的必然趋势,规模化水田布局除了考虑灌溉效率问题,还需要协同农机作业性能等目标来满足当前农业生产的需求。本文将田间试验与数值模拟相结合,田间试验测量了庆安国家灌溉试验重点站内22块水田的收割机生产率,数值模拟选取了收割机机型、田块面积、田块长宽比共计210组方案,利用收割机生产率模型开展数值模拟,分析了水田不同形状、面积和长宽比对收割机生产率的影响,探究了基于较高收割机生产率前提下东北地区适宜水田规格阈值。研究结果表明,具有较大面积、较大长宽比的矩形水田规格有较高的收割机生产率,适宜东北地区水田长度和宽度的阈值分别为[160 m,200 m]和[40 m,200 m],该结果可为水田优化布局提供技术参考。