CN107491844A - 农田灌溉层次需水量的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种农田灌溉层次需水量的分析方法，该方法包括如下步骤：根据农作物生育期内的理论需水量和有效降水量分析农田灌溉刚性需水量；根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量；根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。根据本发明实施例的农田灌溉层次需水量的分析方法，解决了农田灌溉需水量计算不准确偏差大的问题，将农田灌溉需水分层次进行分析计算，能够准确地分析计算农田灌溉各层次需水量，提高农田灌溉用水效率，节约水资源，为农田灌溉用水的管控指明方向，为灌溉用水的管理指导及规划调配提供可靠依据。

Description

农田灌溉层次需水量的分析方法

技术领域

本发明涉及水资源需求预测领域，特别涉及一种农田灌溉层次需水量的分析方法。

背景技术

农业用水是我国当前用水的重要部分，其中农田灌溉用水占绝大部分比例。当前，我国农田的灌溉方式较发达国家还比较粗放，大水漫灌、沟灌的现象还十分普遍，此外，对于部分渠灌的地区，农田灌溉水有效利用系数也相对较小，距离发达国家0.7-0.8的农田灌溉水有效利用系数还有较大的差距，水资源浪费严重，水资源有效利用效率低。

研究认为，需水是分层次的，可将灌溉需水分为刚性需求、弹性需求和奢侈需求三个层次，刚性需求是指满足农作物生长关键期最低耗水的需求，使得农作物不因缺水而死亡，此层次需求应该优先满足；弹性需求是指满足农作物各个生育阶段的生理需水，使其因水而增产，此层次需求应尽量满足，但应通过用水效率的提高来动态调控；奢侈需求是指因用水效率低下、灌溉方式粗放而产生的灌溉浪费，此层次的需求应通过各种管控措施，不断压缩，逐步削减，削减不了的需水再适当满足。

当前，我国仍采用定额法进行灌溉需水量的计算与预测，这种方法仅把灌溉需水量作为一个整体看待来计算，没有对农作物的需水进行有效合理的分析，这种计算方法计算得到的结果不准确、偏差大，不利于灌溉需水量的调控，难以较好地节约灌溉水资源和提高灌溉水的有效利用效率，不能为灌溉水的调配规划和管理指导提供可靠的依据，因此，农田灌溉水需水量的分析计算方法成为了需要研究的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种农田灌溉层次需水量的分析方法。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供一种农田灌溉层次需水量的分析方法，所述方法包括如下步骤：

步骤A，根据农作物生育期内的理论需水量和有效降水量分析农田灌溉刚性需水量；

步骤B，根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量；

步骤C，根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。

进一步地，根据农作物生育期内的参考作物需水量、农作物生育期的作物系数、土壤平均含水量、凋萎系数以及临界土壤含水率来确定所述理论需水量。

进一步地，根据冠层表面净辐射、土壤热通量、日平均气温、预定高度处风速、饱和水汽压以及实际水汽压来确定所述农作物生育期内的参考作物需水量。

进一步地，根据单位时间内有效降水量、单位时间内理论需水量、单位时间内降水量以及农作物生育期时间来确定农作物生育期内的有效降水量。

进一步地，根据农田刚性灌溉需水定额和灌溉面积来确定所述农田灌溉刚性需水量，所述农田灌溉刚性需水量W_刚按照下述式(a)进行计算：

W_刚＝I_N×S×10^-3 (a)

其中，W_刚为农田灌溉刚性需水量(m³)，I_N为农田刚性灌溉需水定额(mm)，S为灌溉面积(m²)。

进一步地，根据农作物生育期内的理论需水量和农作物生育期内的有效降水量来确定所述农田刚性灌溉需水定额。

进一步地，所述农田刚性灌溉需水定额包括泡田期和生育期两阶段，根据农田生育期划分时段总数、各个划分时段内的刚性灌溉需水定额及泡田期需水量确定所述农田刚性灌溉需水定额。

进一步地，在农田生育期的各个划分时段内，根据该时段末田面水层深、该时段初田面水层深、该时段内排水量、所述理论需水量和所述有效降水量确定该时段内的刚性灌溉需水定额；

根据土壤容重、饱和土层深度、土壤饱和含水量、泡田前土壤含水量、泡田水深、泡田期土壤渗漏速度、泡田期的日数、泡田期内水田田面平均蒸发强度和泡田期有效降水量确定所述泡田期需水量。

进一步地，采用当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数计算农田灌溉毛需水量，用得到的所述农田灌溉毛需水量减去所述农田灌溉刚性需水量所得差值作为所述农田灌溉弹性需水量,所述农田灌溉弹性需水量W_弹按照下述式(b)进行计算：

其中，W_弹为农田灌溉弹性需水量(m³),η_推为当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数。

进一步地，采用低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数计算农田灌溉总毛需水量，用得到的所述农田灌溉总毛需水量减去所述农田灌溉刚性需水量再减去所述农田灌溉弹性需水量所得的差值作为所述农田灌溉奢侈需水量,所述农田灌溉奢侈需水量W_奢按照下述式(c)进行计算：

其中，W_奢为农田灌溉奢侈需水量(m³)，η_实为低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

在本发明技术方案中，根据农作物生育期内的理论需水量和有效降水量分析农田灌溉刚性需水量；根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量；根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。该技术方案解决了农田灌溉需水量计算不准确偏差大的问题，能够准确地分析计算农田灌溉需水量，提高农田灌溉用水效率，节约水资源，为灌溉用水的管理指导及规划调配提供可靠依据。

附图说明

图1为本发明实施例农田灌溉层次需水量的分析方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例的农田灌溉层次需水量的分析方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供一种农田灌溉层次需水量的分析方法，包括以下步骤：

步骤101，根据农作物生育期内的理论需水量和有效降水量分析农田灌溉刚性需水量。

该步骤中，可以通过联合国农粮组织推荐的P-M公式计算农作物生育期内的理论需水量，根据农作物生育期内的参考作物需水量、农作物生育期的作物系数、土壤平均含水量、凋萎系数以及临界土壤含水率来确定理论需水量。

农作物生育期内的理论需水量按照下述式(1)进行计算：

ET_C＝K_ω×K_C×ET₀ (1)

其中，ET_C为农作物生育期内的理论需水量(mm)，ET₀为农作物生育期内的参考作物需水量(mm)，K_C为农作物生育期的作物系数，K_ω为土壤水分修正系数，对于水稻可取K_ω＝t，对于旱作物，土壤水分修正系数的计算公式为式中ω为土壤平均含水量(％)，为凋萎系数(％)，ω_j为临界土壤含水率(％)。

上述式(1)中农作物生育期内的参考作物需水量可以根据冠层表面净辐射、土壤热通量、日平均气温、预定高度处风速、饱和水汽压以及实际水汽压来确定,农作物生育期内的参考作物需水量ET₀按照下述式(2)进行计算：

其中，R_n为冠层表面净辐射(MJ·m^-1·d^-1)，G为土壤热通量(MJ·m^-2·d^-1)，T_mean为日平均气温(℃)，u₂为两米高处风速(m/s)，e_s为饱和水汽压(kPa)，e_a为实际水汽压(kPa)，Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa·℃^-1)，γ为干湿表常数(kPa·℃^-1)。

由上述分析可知，结合上述式(1)和(2)可以计算出农作物生育期内的理论需水量。

由于降水可被土壤蓄滞，单日较大的降水可能在随后的数天都能够被作物有效利用，因此，有效降水具有时段统计特征，可将农作物生育期分成多个时间段，某一个时间段内的有效降水量与该时间段内农作物理论需水量、降水量有关，当该时间段内降水量大于或等于该时间段内农作物的理论需水量时，该时间段内有效降水量等于该时间段内农作物的理论需水量，当该时间段内降水量小于或等于该时间段内农作物的理论需水量时，该时间段内有效降水量等于该时间段内降水量，根据每个时间段内的具体情况进行计算该时间段内的有效降水量，分别将每个时间段内有效降水量计算出来相加即可求得农作物生育期内的有效降水量。

农田刚性灌溉需水定额可以根据农作物生育期内的理论需水量、农作物生育期内的有效降水量、农作物生育期内的地下水补给量和农作物生育期始末的土壤储水量变化量来计算，一般情况下，农作物生育期内的地下水补给量和农作物生育期始末的土壤储水量变化量可以忽略不计，因此，在农作物生育期内，农田刚性灌溉需水定额等于单位灌溉面积的理论需水量与单位灌溉面积的有效需水量之差。

农田灌溉刚性需水量等于农田刚性灌溉需水定额与灌溉面积的乘积。

步骤102，根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量。

该步骤中，先分析当前农业用水效率水平及未来的发展趋势，根据区域发展的实际情况，合理地选取推荐的农田灌溉水有效利用系数，采用当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数计算得到作物的毛需水量，用步骤101中得到的农田灌溉刚性需水量除以推荐的先进农田灌溉水有效利用系数即可得到作物毛需水量，再用得到的作物毛需水量减去步骤101中得到的农田灌溉刚性需水量作为该作物农田灌溉弹性需水量。

步骤103，根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。

该步骤中，对于计算目标地块，若其农田灌溉水实际利用系数大于步骤102中推荐的先进农田灌溉水有效利用系数，则其灌溉水只有刚性需水和弹性需水，奢侈需水量为零；若其农田灌溉水实际利用系数小于步骤102中推荐的先进农田灌溉水有效利用系数，则根据农田灌溉水实际利用系数计算灌溉毛需水量，用步骤101中得到的农田灌溉刚性需水量除以农田灌溉水实际利用系数即可得到灌溉毛需水量，用得到的灌溉毛需水量减去农田灌溉刚性需水量再减去农田灌溉弹性需水量作为农田灌溉奢侈需水量。

根据本发明实施例的农田灌溉层次需水量的分析方法，将农作物生育期内的灌溉用水分为刚性需水、弹性需水和奢侈需水，将灌溉需水分为多层次需水可以更加准确清晰地分析计算不同层次的灌溉需水量，该方法不仅可以应用在农田灌溉需水的分析计算和预测领域，也可将灌溉需水的层次分析的方法思想应用在生活用水或工业用水领域的需水量分析计算和预测领域，为工业、农业或生活用水的规划和调配提供可靠的依据。

在本发明技术方案中，根据农作物生育期内的理论需水量和有效降水量分析农田灌溉刚性需水量；根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量；根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。通过上述实施例中的分析计算过程和步骤，解决了农田灌溉需水量计算不准确偏差大的问题，能够准确地分析计算农田灌溉需水量，提高农田灌溉用水效率，节约水资源，为灌溉用水的管理指导及规划调配提供可靠依据。

如图2所示，本发明另一实施例提供的农田灌溉层次需水量的分析方法，包括以下步骤：

步骤201，分析计算农作物生育期内的理论需水量。

该步骤中，农作物生育期内的理论需水量与作物的种类和作物所处的生育期有重要关系，不同的作物种类生育期内的理论需水量不同，农作物生育期内的理论需水量可以根据农作物生育期内的参考作物需水量、农作物生育期的作物系数、土壤平均含水量、凋萎系数以及临界土壤含水率通过采用联合国农粮组织推荐的P-M公式来计算。

农作物生育期内的理论需水量的具体计算过程可以按照上述式(1)和(2)进行计算。

步骤202，分析计算农作物生育期内的有效降水量。

该步骤中，可以根据所计算地块单位时间内有效降水量、单位时间内理论需水量、单位时间内降水量以及农作物生育期时间来确定农作物生育期内的有效降水量。

由于降水可被土壤蓄滞，单日较大的降水可能在随后的数天都能够被作物有效利用，因此，有效降水具有时段统计特征。研究认为，旬统计尺度的有效降水比较符合实际，以旬为单位的有效降水量按照如下方法进行确定：

其中，为旬尺度有效降水量(mm/10d)，为作物的旬尺度理论需水量(mm/10d)，P^旬为旬尺度降水量(mm/10d)。

将农作物生育期的时间分成多个以旬为单位的时间段，农作物生育期内的有效降水量将每个以旬为单位的有效降水量进行累加即可求得。

步骤203，分析计算农作物生育期内的农田灌溉刚性需水量。

该步骤中，可以先通过分析计算求得农田刚性灌溉需水定额，再根据灌溉面积即可求得农田灌溉刚性需水量。

农田灌溉刚性需水量W_刚可以按下述式(3)进行确定：

W_刚＝I_N×S×10^-3 (3)

其中，W_刚为农田灌溉刚性需水量(m³)，I_N为农田刚性灌溉需水定额(mm)，S为灌溉面积(m²)。

农田刚性灌溉需水定额I_N可以按下述式(4)进行计算：

I_N＝ET_C-P_ε+ΔW+G (4)

其中，P_ε为农作物生育期内的有效降水量，G为农作物生育期内的地下水补给量(mm)，ΔW为农作物生育期始末的土壤储水量变化量(mm)，一般情况下G和ΔW可以忽略不计。

为了更加准确地分析计算农田刚性灌溉需水定额，将农田刚性灌溉需水定额可分为泡田期和生育期两阶段处理，因此，农田刚性灌溉需水定额I_N可按照下述式(5)进行计算：

其中，n为水田生育期划分时段总数，M_i为农田生育期第i时段内的刚性灌溉需水定额(mm)，M₀为农田泡田期需水量(mm)。

农田生育期某时段内的刚性灌溉需水定额可以根据农田生育期的该时段末田面水层深、农田生育期的该时段初田面水层深、农田生育期的该时段内排水量、农田生育期的该时段内理论需水量和农田生育期的该时段内有效降水量来确定，因此，上述式(5)中农田生育期第i时段内的刚性灌溉需水定额M_i可按照下述式(6)计算：

M_i＝h₂-h₁+ET_Ci-P_εi+C_i (6)

其中，h₂为农田生育期的第i时段末田面水层深(mm)，h₁为农田生育期的第i时段初田面水层深(mm)，ET_Ci为农田生育期的第i时段内的理论需水量(mm)，P_εi为农田生育期的第i时段内的有效降水量(mm)，C_i为农田生育期的第i时段内排水量(mm)。

泡田期需水量可以根据土壤容重、饱和土层深度、土壤饱和含水量、泡田前土壤含水量、泡田水深、泡田期土壤渗漏速度、泡田期的日数、泡田期内水田田面平均蒸发强度和泡田期有效降水量来确定，因此，上述式(5)中农田泡田期需水量M₀可按照下述式(7)进行计算：

M₀＝W₀+h₀+kt₀+et₀-P_ε0 (7)

其中，W₀为使一定土层达到饱和所需水量(mm)，h₀为泡田水深(mm)，k为泡田期土壤渗漏速度(mm/d)，t₀为泡田期的日数，e为t₀时期内水田田面平均蒸发强度(mm/d)，P_ε0为t₀时期内有效降水量(mm)。

上述式(7)中W₀可按照下述式(8)进行计算：

W₀＝1000Hγ(β_饱-β₀) (8)

其中，γ为土壤容重，H为饱和土层深度，β_饱为土壤饱和含水量，β₀为泡田前土壤含水量。

结合上述式(3)至式(8)分析计算可以求得农田灌溉刚性需水量，农田灌溉刚性需求量是满足农作物生长发育所需的最低耗水量，如不能满足刚性需水量可导致农作物不能正常生长发育，甚至死亡，因此，在农业生产灌溉中要尽量保证刚性需水量需求。

步骤204，根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量。

该步骤中，先分析当前农业用水效率水平及未来的发展趋势，根据区域发展的实际情况，合理地选取推荐的农田灌溉水有效利用系数，采用当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数计算得到作物的毛需水量，用得到的作物毛需水量减去农田灌溉刚性需水量作为农田灌溉弹性需水量。

农田灌溉弹性需水量W_弹可按照下述式(9)进行计算：

其中，W_弹为农田灌溉弹性需水量(m³),η_推为当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数。

农田灌溉弹性需水量是满足农作物各个生育阶段的生理需水量，使农作物因水而增产，此层次需求应尽量满足，但应通过用水效率的提高来动态调控。

步骤205，根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。

该步骤中，对于计算目标地块，若其农田灌溉水实际利用系数大于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数，则其灌溉水只有刚性需水和弹性需水，奢侈需水量为零；若其农田灌溉水实际利用系数小于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数，则根据农田灌溉水实际利用系数计算农田灌溉奢侈需水量。

农田灌溉奢侈需水量W_奢按照下述式(10)进行计算：

其中，W_奢为农田灌溉奢侈需水量(m³)，η_实为低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数。

奢侈需水量是因用水效率低下、灌溉方式粗放而产生的灌溉浪费水量，此层次的需求应通过各种管控措施进行控制，不断压缩，逐步削减，无法削减的奢侈需水再适当满足。

根据本发明实施例的农田灌溉层次需水量的分析方法，可以准确地分析计算农田灌溉层次需水的刚性需水量、弹性需水量和奢侈需水量，可应用到农田灌溉需水的计算、核查和预测领域，该方案中的分层次需水计算的方法和思想也可应用到生活用水和工业用水中。该方法对灌溉需水的指导和管控提供了依据和方向，在灌溉用水调节和管控中，应充分保障农田灌溉刚性需水，动态调控弹性需水，逐步压缩奢侈需水，实现农田灌溉需水和供应的合理化，对于缓解区域用水的供需矛盾，实现有限水资源可持续发展具有重大意义。

根据本发明实施例的农田灌溉层次需水量的分析方法，通过上述实施例中的过程能够解决农田灌溉需水量计算不准确偏差大的问题，将农田灌溉需水分层次进行分析计算，能够准确地分析计算农田灌溉各层次需水量，提高农田灌溉用水效率，节约水资源，为农田灌溉用水的管控指明方向，为灌溉用水的管理指导及规划调配提供可靠依据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A，根据农作物生育期内的理论需水量和有效降水量分析农田灌溉刚性需水量；

步骤B，根据当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数分析农田灌溉弹性需水量；

步骤C，根据低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数分析农田灌溉奢侈需水量。

2.根据权利要求1所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，根据农作物生育期内的参考作物需水量、农作物生育期的作物系数、土壤平均含水量、凋萎系数以及临界土壤含水率来确定所述理论需水量。

3.根据权利要求2所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，根据冠层表面净辐射、土壤热通量、日平均气温、预定高度处风速、饱和水汽压以及实际水汽压来确定所述农作物生育期内的参考作物需水量。

4.根据权利要求1所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，根据单位时间内有效降水量、单位时间内理论需水量、单位时间内降水量以及农作物生育期时间来确定农作物生育期内的有效降水量。

5.根据权利要求1所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，根据农田刚性灌溉需水定额和灌溉面积来确定所述农田灌溉刚性需水量，所述农田灌溉刚性需水量W_刚按照下述式(a)进行计算：

W_刚＝I_N×S×10^-3 (a)

其中，W_刚为农田灌溉刚性需水量(m³)，I_N为农田刚性灌溉需水定额(mm)，S为灌溉面积(m²)。

6.根据权利要求5所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，根据农作物生育期内的理论需水量和农作物生育期内的有效降水量来确定所述农田刚性灌溉需水定额。

7.根据权利要求6所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，所述农田刚性灌溉需水定额包括泡田期和生育期两阶段，根据农田生育期划分时段总数、各个划分时段内的刚性灌溉需水定额及泡田期需水量确定所述农田刚性灌溉需水定额。

8.根据权利要求7所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，在农田生育期的各个划分时段内，根据该时段末田面水层深、该时段初田面水层深、该时段内排水量、所述理论需水量和所述有效降水量确定该时段内的刚性灌溉需水定额；

根据土壤容重、饱和土层深度、土壤饱和含水量、泡田前土壤含水量、泡田水深、泡田期土壤渗漏速度、泡田期的日数、泡田期内水田田面平均蒸发强度和泡田期有效降水量确定所述泡田期需水量。

9.根据权利要求5所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，采用当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数计算农田灌溉毛需水量，用得到的所述农田灌溉毛需水量减去所述农田灌溉刚性需水量所得差值作为所述农田灌溉弹性需水量,所述农田灌溉弹性需水量W_弹按照下述式(b)进行计算：

其中，W_弹为农田灌溉弹性需水量(m³),η_推为当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数。

10.根据权利要求9所述的农田灌溉层次需水量的分析方法，其特征在于，采用低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数计算农田灌溉总毛需水量，用得到的所述农田灌溉总毛需水量减去所述农田灌溉刚性需水量再减去所述农田灌溉弹性需水量所得的差值作为所述农田灌溉奢侈需水量,所述农田灌溉奢侈需水量W_奢按照下述式(c)进行计算：

其中，W_奢为农田灌溉奢侈需水量(m³)，η_实为低于当地推荐的先进农田灌溉水有效利用系数的灌溉水实际利用系数。