CN110050666B - 一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法 - Google Patents

一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法，包括以下步骤：(1)根据水稻生长时期、灌溉方式，灌溉开始时间及灌区地点确定所需灌溉要求的参数；(2)确定灌溉前一天灌区稻田的水层深度；(3)确定一次灌溉延续时间d天(d小于等于3)；(4)搜集过去n年(n大于等于15)同时间段内灌区的降水资料，确定往年日降水的平均值及其95％置信区间；(5)获取灌溉时段内灌区的降水预报资料，确定灌溉时段内的预报日均降水量；(6)确定灌溉时间内可信日均降水量；(7)根据灌溉前一天水层深度，可信日均降水量计算灌溉时段内灌区稻田田间水层深度变化；(8)根据灌溉要求完成灌溉。本发明能够优化并减少灌溉用水，提高水资源利用效率。

Description

一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法，属于农业水土工程领域。
背景技术
我国水资源总量丰富，但人均水资源量很少，水资源地区和季节分布不均加剧了区域用水困难。在众多的用水产业中，农业水稻种植灌溉是耗费水资源最多的产业之一，但由于水稻种植关系国家粮食安全的基本需求，因此必须保障水稻种植的灌溉需求。以往的稻田灌溉计划中没有考虑天然降水对水稻灌溉的影响，所以可能造成大量的水资源浪费。如果能在制定灌溉计划中，充分利用天然降水，可以节省的灌溉用水，避免水资源的浪费。
发明内容
为了克服已有技术的缺点，科学合理的制定小型机电灌区稻田的灌溉计划，充分利用天然降水进行灌溉，减少水资源的浪费；本发明提供了一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法。本发明易于在各小型机电灌区的稻田灌溉实践中推广。
本发明的目的是这样实现的，一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据水稻生长时期、灌溉方式，灌溉开始时间及灌区地点确定所需灌溉要求的参数；
(2)确定灌溉前一天灌区稻田的水层深度；
(3)确定完成所需灌溉时长d天，d小于等于3；
(4)搜集过去n年同时间段内灌区的降水资料，确定往年日降水的平均值及其95％置信区间；其中，n大于等于15；
(5)获取灌溉时段内灌区的降水预报资料，确定灌溉时段内的预报日均降水量；
(6)确定灌溉时间内可信总降水量；
(7)根据灌溉前一天水层深度、可信总降水量计算灌溉时段内灌区稻田田间水层深度变化；
(8)根据灌溉要求完成灌溉。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
a.确定灌区所在区域、灌溉开始时间以及灌溉时水稻的生长期；
b.根据步骤a中的信息确定灌区所用的灌溉方式，灌溉的适宜水层上限hmax，土壤含水率下限θmin，土壤干容重
Figure GDA0002993108580000025
田间渗漏量DP以及水面蒸发量Z以及α值，田间持水率θ0，水稻的根系活动层深度S；
α值由下表给定：
Figure GDA0002993108580000021
c.根据水稻生长时期，利用α值法，即下式将水面蒸发量Z转化为作物需水量ET；
ET＝αZ
d.根据土壤含水量下限θmin，土壤干容重
Figure GDA0002993108580000022
利用下式计算地下湿润水层下限hsmax；
Figure GDA0002993108580000023
其中ρ为水的密度，ρ＝1g/cm3。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
a.确定灌溉起始日；
b.在灌溉起始日前一日在灌区实测地面水层深度H0；
c.若灌溉起始日前一日无地面水层，则测量土壤含水率θ，并用下式计算地下的水层深度H0：
Figure GDA0002993108580000024
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
a.确定灌区的面积；
b.根据灌区面积确定灌溉需要的天数d，d小于等于3；灌区面积小于或等于1500亩，水稻的生育期d等于1；灌区面积大于1500亩，小于等于3000亩，水稻的生育期d等于2；水稻泡田期长江以北区域为3天，长江以南区域为2天。
需要一次灌溉延续时间大于3天的灌区不适用于本发明。
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
a.根据灌溉开始时间和一次灌溉延续时间确定灌溉首日和灌溉最后一天的日期；
b.搜集往年灌区灌溉首日和灌溉最后一天之间，包括灌溉首日和灌溉最后一天，降水实测数据，搜集的年数记为n，n大于等于15；共得到nd个降水实测数据；分别记为s11，s12，…，s1d，…，snd；
c.以下式计算灌区往年在灌溉时期内的日平均降水量
Figure GDA0002993108580000031
Figure GDA0002993108580000032
d.从nd个降水实测数据中有放回的任意抽取10个数据，计算它们的平均值d1；
e.重复上述步骤d100次，共得到100个平均值d1,d2,…d100；
f.将得到的100个平均值从小到大排列，其中第3个即为往年日平均降水量95％置信区间的下限记为u，第98个即为往年日平均降水量95％置信区间的上限记为v。
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
a.从当地气象部门获得灌溉时段d天的降水量预报；
b.计算获得预报日降水量的平均值
Figure GDA0002993108580000033
所述步骤(6)具体包括以下步骤：
a.将预报日降水量平均值
Figure GDA0002993108580000039
与往年日平均降水量95％置信区间的下限u和上限v比较；
b.如果
Figure GDA0002993108580000034
则可信日均降水量
Figure GDA0002993108580000035
c.如果
Figure GDA0002993108580000036
或
Figure GDA0002993108580000037
则可信日均降水量
Figure GDA0002993108580000038
所述步骤(7)具体包括以下步骤：
通过灌区平均降水量预报数据、灌溉起始田间水层深度H0、田间渗漏量DP、作物需水量ET、利用下式推算灌溉d天内逐日田间水层深度Hi；注意无表面水层时，水层深度指地下水层表面到稻田表面的距离；
Hi＝Hi-1+r-ET-DP,i＝1,2,...,d；第i,i-1天都有表面水层；
或者
Hi＝-Hi-1+r-ET-DP,i＝1,2,...,d；第i天有表面水层，第i-1天无表面水层；
或者
Hi＝|Hi-1+r-ET-DP|,i＝1,2,...,d；第i天无表面水层，第i-1天有表面水层；
或者
Hi＝|-Hi-1+r-ET-DP|,i＝1,2,...,d；第i,i-1天都无表面水层。
所述步骤(8)具体包括以下步骤：
a.有表面水层时比较灌区第i天田间水层深度Hi与hmax的大小；若Hi大于hmax则灌区在第i天需要排水，排水量hp＝Hi-hmax；若Hi小于等于hmax但灌溉计划中该区域在这一天已开始灌溉，则第i天开始灌溉至该区域田间水层达到hmax，本次灌溉计划完成；否则该区域第i天不需要灌溉也不需要排水；
b.无表面水层时，比较第i天水层深度Hi与hsmax的大小；若Hi大于或等于hsmax则该灌区必须在第i天开始灌溉至适宜水层上限hmax；若Hi小于hsmax且灌溉计划中该区域在这一天还未开始灌溉，则该区域第i天不需要灌溉；若Hi小于hsmax但灌溉计划中该区域这一天已经开始灌溉，则第i天开始灌溉至该区域田间水层深度达到hmax；本次灌溉计划完成。
本发明方法先进科学，通过本发明，公开了一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法，包括以下步骤：(1)根据水稻生长时期、灌溉方式，灌溉开始时间及灌区地点确定所需灌溉要求的参数；(2)确定灌溉前一天灌区稻田的水层深度；(3)确定一次灌溉延续时间d天(d小于等于3)；(4)搜集过去n年(n大于等于15)同时间段内灌区的降水资料，确定往年日降水的平均值及其95％置信区间；(5)获取灌溉时段内灌区的降水预报资料，确定灌溉时段内的预报日均降水量；(6)确定灌溉时间内可信日均降水量；(7)根据灌溉前一天水层深度，可信日均降水量计算灌溉时段内灌区稻田田间水层深度变化；(8)根据灌溉要求完成灌溉。
有益效果：本发明应用高效的现代降水预报及统计技术技术，科学合理的利用天然降水所形成的水资源，减少水稻种植过程中的需水量，节约了稻田灌溉用水。本发明方法易于在各种小型机电灌区水稻灌溉过程中推广运用。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和我国东部某小型机电水稻灌区灌溉计划实践对本发明内容作进一步的说明：
(1)确定灌溉系数：
a.本次灌溉计划针对我国长江以南东部某平原小型机电水稻灌区制定，灌溉开始时间为7月7日，水稻生长时期分蘖期；
b.根据上述信息确定该灌区灌溉方式为浅湿灌溉，灌溉的适宜水层上限hmax＝20mm，适宜水层下限hmin＝0.0mm，土壤含水量下限θmin＝0.45，土壤干容重
Figure GDA0002993108580000041
田间渗漏量DP＝2.2mm/d以及水面蒸发量Z＝5.96mm/d以及α＝1.04值，田间持水量θ0＝0.5，水稻的根系活动层深度S＝200mm；
c.根据水稻生长时期，利用α值法，即下式将水面蒸发量Z转化为作物需水量ET；
ET＝αZ
在此ET＝6.2mm/d
d.根据土壤含水量下限θmin，土壤干容重
Figure GDA0002993108580000051
利用下式计算(地下)湿润水层下限hsmax；
Figure GDA0002993108580000052
在此hsmax＝11.6mm
(2)确定灌溉前水层深度：
a.本次灌溉起始日为7月7日；
b.本次灌溉前一日的水层深度为20mm，即灌溉起始水层深度为H0＝20mm。
(3)确定一次灌溉延续时间：
a.确定灌区的面积；本次灌区面积为2500亩。
b.根据灌区面积确定灌溉需要的天数d，d小于等于3；灌区面积小于或等于1500亩，水稻的生育期d等于1；灌区面积大于1500亩，小于等于3000亩，水稻的生育期d等于2；水稻泡田期长江以北区域为3天，长江以南区域为2天。
本次灌溉天数2天。
(4)确定往年灌溉时期降水量：
a.根据灌溉开始时间和一次灌溉延续时间确定灌溉首日和灌溉最后一天的日期；
本次灌溉首日为7月7日，最后一天为7月8日。
b.搜集往年灌区灌溉首日和灌溉最后一天之间(包括灌溉首日和灌溉最后一天)降水实测数据，搜集的年数记为n，n大于等于15；共得到nd个降水实测数据；分别记为s11，s12，…，s1d，…，snd；
本次搜集了该灌区过去15年内7月7日至7月8日的降水实测数据，共30个数据。
c.以下式计算灌区往年在灌溉时期内的日平均降水量
Figure GDA0002993108580000053
Figure GDA0002993108580000054
本灌区往年日平均降水量为2.1毫米。
d.从nd个降水实测数据中有放回的任意抽取10个数据，计算它们的平均值d1；
e.重复上述步骤d100次，共得到100个平均值d1,d2,…d100；
f.将得到的100个平均值从小到大排列，其中第3个即为往年日平均降水量95％置信区间的下限记为u，第98个即为往年日平均降水量95％置信区间的上限记为v；
本灌区往年日平均降水量95％置信区间的上限v＝2.2毫米，95％置信区间的下限u＝1.8毫米。
(5)确定预报日降水量：
a.从当地气象部门获得灌溉时段d天的降水量预报；
从当地气象部门获得本灌区7月7日至7月9日降水量的预报值分别为2.1毫米，1.9毫米和2.0毫米。
b.计算获得预报日降水量的平均值
Figure GDA0002993108580000061
计算获得预报日降水量平均值
Figure GDA0002993108580000062
毫米。
(6)确定可信日降水量：
a.将预报日降水量平均值
Figure GDA0002993108580000063
与往年日平均降水量95％置信区间的下限u和上限v比较；
b.如果
Figure GDA0002993108580000064
则可信日均降水量
Figure GDA0002993108580000065
c.如果
Figure GDA0002993108580000066
或
Figure GDA0002993108580000067
则可信日均降水量
Figure GDA0002993108580000068
通过比较，本次灌溉可信日均降水量r＝2.0毫米。
(7)计算每天田间水层深度：
通过灌区平均降水量预报数据，灌溉起始田间水层深度H0，田间渗漏量DP，作物需水量ET，利用下式推算灌溉d天内逐日田间水层深度Hi。注意无表面水层时，水层深度指地下水层表面到稻田表面的距离。
Hi＝Hi-1+r-ET-DP,i＝1,2,...,d；第i,i-1天都有表面水层；
或者
Hi＝-Hi-1+r-ET-DP,i＝1,2,...,d；第i天有表面水层，第i-1天无表面水层；
或者
Hi＝|Hi-1+r-ET-DP|,i＝1,2,...,d；第i天无表面水层，第i-1天有表面水层；
或者
Hi＝|-Hi-1+r-ET-DP|,i＝1,2,...,d；第i,i-1天都无表面水层；
根据以上公式，计算出本次灌溉计划的3天内水层深度变化如表1所示。
表1水层深度(毫米)
日期 7月7日 7月8日
水层深度(H<sub>i</sub>) 13.6 7.2
有无表面水层 有 有
(8)完成灌溉：
a.有表面水层时比较灌区第i天田间水层深度Hi与hmax的大小；若Hi大于hmax则灌区在第i天需要排水，排水量hp＝Hi-hmax；若Hi小于等于hmax但灌溉计划中该区域在这一天已开始灌溉，则第i天开始灌溉至该区域田间水层达到hmax，本次灌溉计划完成。否则该区域第i天不需要灌溉也不需要排水；
b.无表面水层时，比较第i天水层深度Hi与hsmax的大小；若Hi大于或等于hsmax则该灌区必须在第i天开始灌溉至适宜水层上限hmax；若Hi小于hsmax且灌溉计划中该区域在这一天还未开始灌溉，则该区域第i天不需要灌溉；若Hi小于hsmax但灌溉计划中该区域这一天已经开始灌溉，则第i天开始灌溉至该区域田间水层深度达到hmax。本次灌溉计划完成。
经过比较，本次灌溉计划中本灌区只需在7月7日开始灌溉直至7月8日灌溉至稻田田间水层深度达到20毫米，需要总灌溉水量为12.8毫米，本次灌溉计划完成。

Claims (1)

1.一种基于降水预报的小型机电水稻灌区灌溉优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据水稻生长时期、灌溉方式、灌溉开始时间及灌区地点确定所需灌溉要求的参数；
(2)确定灌溉前一天灌区稻田的水层深度；
(3)确定完成所需灌溉时长d天，d小于等于3；
(4)搜集过去n年同时间段内灌区的降水资料，确定往年日降水的平均值及其95％置信区间；其中，n大于等于15；
(5)获取灌溉时段内灌区的降水预报资料，确定灌溉时段内的预报日均降水量；
(6)确定灌溉时间内可信总降水量；
(7)根据灌溉前一天水层深度、可信总降水量计算灌溉时段内灌区稻田田间水层深度变化；
(8)根据灌溉要求完成灌溉；
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
a.确定灌区所在区域、灌溉开始时间以及灌溉时水稻的生长期；
b.根据步骤a中的信息确定灌区所用的灌溉方式，灌溉的适宜水层上限hmax，土壤含水率下限θmin，土壤干容重
Figure FDA0002993108570000011
田间渗漏量DP以及水面蒸发量Z以及α值，田间持水率θ0，水稻的根系活动层深度S；
α值由下表给定：
Figure FDA0002993108570000012
c.根据水稻生长时期，利用α值法，即下式将水面蒸发量Z转化为作物需水量ET；
ET＝αZ
d.根据土壤含水率下限θmin，土壤干容重
Figure FDA0002993108570000013
利用下式计算地下湿润水层下限hsmax；
Figure FDA0002993108570000014
其中ρ为水的密度，ρ＝1g/cm3；
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
a.确定灌溉起始日；
b.在灌溉起始日前一日在灌区实测地面水层深度H0；
c.若灌溉起始日前一日无地面水层，则测量土壤含水率θ，并用下式计算地下的水层深度H0：
Figure FDA0002993108570000021
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
a.确定灌区的面积；
b.根据灌区面积确定灌溉需要的天数d，d小于等于3；灌区面积小于或等于1500亩，水稻的生育期d等于1；灌区面积大于1500亩，小于等于3000亩，水稻的生育期d等于2；水稻泡田期长江以北区域为3天，长江以南区域为2天；
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
a.根据灌溉开始时间和一次灌溉延续时间确定灌溉首日和灌溉最后一天的日期；
b.搜集往年灌区灌溉首日和灌溉最后一天之间，包括灌溉首日和灌溉最后一天的降水实测数据，搜集的年数记为n，n大于等于15；共得到nd个降水实测数据；分别记为s11，s12，…，s1d，…，snd；
c.以下式计算灌区往年在灌溉时期内的日平均降水量
Figure FDA0002993108570000029
Figure FDA0002993108570000022
d.从nd个降水实测数据中有放回的任意抽取10个数据，计算它们的平均值d1；
e.重复上述步骤d，100次，共得到100个平均值d1,d2,…d100；
f.将得到的100个平均值从小到大排列，其中第3个即为往年日平均降水量95％置信区间的下限记为u，第98个即为往年日平均降水量95％置信区间的上限记为v；
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
a.从当地气象部门获得灌溉时段d天的降水量预报；
b.计算获得预报日降水量的平均值
Figure FDA0002993108570000023
所述步骤(6)具体包括以下步骤：
a.将预报日降水量平均值
Figure FDA00029931085700000210
与往年日平均降水量95％置信区间的下限u和上限v比较；
b.如果
Figure FDA0002993108570000024
则可信日均降水量
Figure FDA0002993108570000025
c.如果
Figure FDA0002993108570000026
或
Figure FDA0002993108570000027
则可信日均降水量
Figure FDA0002993108570000028
所述步骤(7)具体包括以下步骤：
通过灌区平均降水量预报数据、灌溉起始田间水层深度H0、田间渗漏量DP、作物需水量ET、利用下式推算灌溉d天内逐日田间水层深度Hi；无表面水层时，水层深度指地下水层表面到稻田表面的距离；
Hi＝Hi-1+r-ET-DP,i＝1,2,...,d；第i,i-1天都有表面水层；
或者
Hi＝-Hi-1+r-ET-DP,i＝1,2,...,d；第i天有表面水层，第i-1天无表面水层；
或者
Hi＝|Hi-1+r-ET-DP|,i＝1,2,...,d；第i天无表面水层，第i-1天有表面水层；
或者
Hi＝|-Hi-1+r-ET-DP|,i＝1,2,...,d；第i,i-1天都无表面水层；
所述步骤(8)具体包括以下步骤：
a.有表面水层时比较灌区第i天田间水层深度Hi与hmax的大小；若Hi大于hmax则灌区在第i天需要排水，排水量hp＝Hi-hmax；若Hi小于等于hmax但灌溉计划中该区域在这一天已开始灌溉，则第i天开始灌溉至该区域田间水层达到hmax，本次灌溉计划完成；否则该区域第i天不需要灌溉也不需要排水；
b.无表面水层时，比较第i天水层深度Hi与hsmax的大小；若Hi大于或等于hsmax则该灌区必须在第i天开始灌溉至适宜水层上限hmax；若Hi小于hsmax且灌溉计划中该区域在这一天还未开始灌溉，则该区域第i天不需要灌溉；若Hi小于hsmax但灌溉计划中该区域这一天已经开始灌溉，则第i天开始灌溉至该区域田间水层深度达到hmax；本次灌溉计划完成。
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