JP4301691B2 - 田圃灌漑システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の圃場（水田，畑）から構成された圃場地域，更には複数の圃場地域から構成された大規模圃場地域において、作物の品質向上・高収量化を図るべく、灌漑用水を各圃場地域および各末端圃場に対して適正に配分するための給水バルブ制御，分水量制御，その他の水管理作業を行う圃場灌漑システムに係り、特に灌漑用水の不足しがちな圃場地域に対して好適な圃場灌漑システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（従来技術１）水田の水管理
水田の水管理作業は毎日の田めぐりを必要とし、気象・土壌等の条件や稲の生育段階に応じて異なる判断を求められるため、農家にとって煩わしく、かつ経験を要する作業となっている。一方で、給水パイプライン・給水バルブの敷設が進行していることとあいまって、末端水田への自動給水を行う水田灌漑システムの開発が実用段階まで進んでいる。例えば、特開平９−６５７７６号公報に記載の水田潅水システムでは、稲の生育段階に応じて毎日の水田目標水位を決定し、水田水位が目標水位の近傍内に収まるように給水バルブの制御を行っている。
また、特開平８−３７９５０号公報に記載の水田灌漑システムでは、稲の冷水温障害を回避するため、水田と用水路の水温を測定し、その温度差が所定の許容範囲内にある場合に限り、給水バルブの自動制御を行っている。また、特開平８−２７５６８４号公報に記載の水田用灌漑管理システムでは、自宅に設置した管理装置と水田地域に設置した送受信機との間で、水田の水位・水温測定データ、給水バルブの制御データを送受信し、自宅から水田の遠隔監視制御を行うことができるようにしている。
【０００３】
（従来技術２）水源から水田地域への灌漑
また、上述のような各末端水田への給水設備だけでなく、河川・湖沼等の水源の水を各水田地域へ灌漑するための幹線系の灌漑設備についても自動化が進んでいる。例えば、特開平１０−４２７２６号公報に記載の農業用水給水設備では、水源の水を各水田地域に対して供給するための親揚水機場と、親揚水機場から供給された灌漑用水を受け取り水田地域内の各末端水田に対して給水するための各水田地域ごとに設置された子揚水機場・直分分水弁とを、中央管理部より遠隔制御することにより、水源からの灌漑用水を所定量だけ各水田地域に対して配分できるようにしている。更に、上記技術では、過去の需要実績と比較して灌漑用水の余っている水田地域に対しては少なめに水配分を行い、灌漑用水の不足している水田地域に対しては多めに水配分を行うような融通性を持った水配分機能を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記（従来技術１）によれば、複数の水田から構成された水田地域において、各末端水田が必要とする所定の目標水位まで自動的に給水を行うことが可能となる。しかしながら、上記水田地域に対して十分な量の灌漑用水が供給されている場合は問題ないが、十分な量の潅漑用水がない場合、あるいは水不足の時期に給水する場合には、各末端水田への給水方式次第では、一部の水田に全く水が行き渡らなかったり、あるいは全ての末端水田に対して十分な水が行き渡らなくなる可能性がある。その結果、例えば水不足の影響を受けやすい水稲生育時期の水田に対して十分な水が行き渡らず、上記水田地域全体としての収量が大きく落ち込む可能性がある。
【０００５】
また、上記（従来技術２）によれば、複数の水田地域から構成された大規模水田地域において、河川・湖沼等の水源からの灌漑用水を、各水田地域の需要実績に応じて、公平に各水田地域に対して自動的に配分を行うことが可能となる。
しかしながら、上記大規模水田地域において水源から十分な量の灌漑用水が得られている場合は問題ないが、水源に十分な量の用水がない場合には、各水田地域の需要実績に応じた水配分は行われるものの、それが大規模水田地域全体としての稲の生育・収量の観点からみて好ましい水配分であるとは限らない。
例えば、水不足の影響を受けやすい水稲生育時期の水田の多い水田地域に対して十分な灌漑用水が供給されず、該水田地域の収量が大きく落ち込んだり、逆に、既に稲が回復困難な被害を受けており、十分な収穫が見込めないような水田の多い水田地域に対してもある程度の灌漑用水が供給され、水を投入した割には十分な収量が得られない可能性がある。
【０００６】
以上は水田について説明したが、畑についてもこれと全く同じことが問題点となっている。畑は水田に比べて土壌中の水分量が少ないことから、より厳密な水管理が要求されるため、畑作地域において灌漑用水が不足する場合には、問題はさらに深刻になってくる。従って、本発明では、畑と水田との両方を含めた用語である『圃場』を潅漑システムの対象として扱うことにする。すなわち、圃場とは、水田，畑，あるいは水田と畑の混合地を意味する。また、圃場地域とは、同一の給水系統を有する複数の圃場群からなる地域を意味する。大規模圃場地域とは、水源を共有し、同一の幹線灌漑系統を有する複数地域からなる全域を意味する。
【０００７】
本発明の目的は、これら従来の課題を解決し、複数の圃場から構成された圃場地域において、上記圃場地域で利用可能な灌漑用水が不足する場合に、各圃場に対して適正に水配分し、上記圃場地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることができる圃場灌漑システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、複数の圃場地域から構成された大規模圃場地域において、上記大規模圃場地域で利用可能な灌漑用水が不足する場合に、各圃場地域に対して適正に水配分し、上記大規模圃場地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることができる圃場灌漑システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の田圃灌漑システムは、(1)複数の田圃からなる田圃地域の各田圃ごとに設置された給水装置を制御して、各田圃への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、上記田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃に対して水分配するときには、良好な作物の品質・収量等が見込まれる田圃に対して優先的に水配分を行うか、または水不足の影響を受けやすく生育時期の田圃に対して優先的に水配分を行うようにして、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
また、本発明の田圃灌漑システムは、(2)複数の田圃からなる田圃地域の各田圃ごとに設置された給水装置を制御して、各田圃への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、
上記田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃に対して水配分するときには、各田圃の作物の品種、現在の生育時期、気温、水温、水位、および上記状態の継続日数と各田圃に発生する予測被害率との関係と、各田圃に既に存在する現在の初期被害率と上記予測被害率とから各田圃の最終的な予測被害率を算出する算出式とに基づき、各田圃の面積比に応じた上記最終的な予測被害率の加重平均をとったときの田圃地域全体の最終的な平均予測被害率を最小にするときの各田圃への所定期間中の水配分量を求解して、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて、上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の田圃灌漑システムは、(3)複数の田圃からなる田圃地域が複数ある場合の各田圃地域に分水するための分水装置を制御して、各田圃地域への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、上記全田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃地域に対して水配分するときには、良好な作物の品質・収量等が見込まれる田圃地域に対して優先的に配分を行うか、または水不足の影響を受けやすい生育時期の田圃地域に対して優先的に配分を行うようにして、各田圃地域への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて上記各分水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の田圃灌漑システムは、(4)複数の田圃からなる田圃地域が複数ある場合の各田圃地域に分水するための分水装置を制御して、各田圃地域への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、上記全田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃地域に対して水配分するときには、各田圃の作物の品種、現在の生育時期、気温、水温、水位、および上記状態の継続日数と各田圃に発生する予測被害率との関係と、各田圃に既に存在する現在の初期被害率と上記予測被害率とから各田圃の最終的な予測被害率を算出する算出式とに基づき、各田圃の面積比に応じた上記最終的な予測被害率の加重平均をとったときの田圃地域全体の最終的な平均予測被害率を最小にするときの各田圃への所定期間中の水配分量を求解し、上記求解された各田圃への所定期間中の水配分量を各田圃地域ごとに合計して、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて、上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面により詳細に説明する。
なお、前述のように、本発明では水田・畑等の圃場地域の灌漑管理を対象としているが、水田の灌漑管理も畑の灌漑管理も本質的には同じであるので、本実施例においては、水田のみを灌漑管理の対象として説明する。畑の潅漑管理も全く同じように制御することで、全く同じ効果が得られる。畑と水田とを一括して潅漑管理する場合には、畑と水田とで、水配分の初期値や計算に使用する値を異ならせるだけで、基本的には同じ制御である。
【００１２】
図１は、本発明が適用される大規模水田地域の全体図である。
ここでは、水源からの灌漑用水を複数の水田地域に対し適正に配分して自動供給を行い、かつ各水田地域に対して上記供給された灌漑用水を、各地域内の複数の末端水田に対して適正に配分し自動給水を行う水田灌漑システムを示している。
図１の水田灌漑システムは、河川または湖沼等の水源池１０１，ポンプにより水源地１０１から水を汲み上げて、幹線系パイプラインに圧送する機能を備えた親揚水機場１０２，水源池１０１から１以上の貯水池に接続する幹線系パイプライン１０３，自分の貯水池と他の貯水池とに分水する分水装置１０４，各水田地域ごとに設けられた貯水池１０５，ポンプにより貯水池１０５から水を汲み上げて、給水パイプラインに圧送する子揚水機場１０６，貯水池１０５から各水田まで水を搬送する給水パイプライン１０７，コンピュータからの制御信号により制御されて、バルブの開け閉めを行う給水バルブ１０８，水田の中に設置されて、水田の水位を計測する水位計１０９，アンテナと無線送受信機を備えた潅漑水管理用のコンピュータ１１０，アンテナを介して無線でデータの送受信を行うデータ伝送路１１１から構成される。
【００１３】
管理対象となる水田地域では、同じ給水系統をもつ末端水田１１２が複数集まって水田地域１１３を形成し、そのような水田地域１１３が複数集まって大規模水田地域１１４を形成している。
図１に示すように、各水田地域１１３の上流には、貯水池１０５と、貯水池１０５の水を給水パイプライン１０７に圧送するための子揚水機場１０６が設置されている。給水パイプライン１０７は子揚水機場１０６と該地域内各水田１１２とを接続するように敷設され、各水田１１２の入口には、給水パイプライン１０７を介して送られてきた灌漑用水を、各水田１１２に対して給水するための給水バルブ１０８が設置されている。また、各水田１１２内には、水位計１０９が設置されている。子揚水機場１０６では貯水池貯水量，ポンプ揚水量，ポンプ操作量を所定測定周期ごとに測定し、各給水バルブ１０８では給水量，バルブ操作量を上記所定周期ごとに測定し、水位計１０９では水田水位を上記所定周期ごとに測定し、データ伝送路１１１を介して上記測定データをコンピュータ１１０に送信している。ここで、データ伝送路１１１は無線で伝送されるように記載されているが、配線されている場合には有線で伝送することも可能である。
【００１４】
図１に示すように、大規模水田地域１１４の上流には、水源池１０１と、水源池の水を幹線系パイプライン１０３に圧送するための親揚水機場１０２が設置されている。幹線系パイプライン１０３は親揚水機場１０２と各貯水池１０５とを接続するよう敷設され、その途中には、幹線系パイプライン１０３を介して送られてきた灌漑用水を、各貯水池１０５に対して所定量だけ配分し供給するための分水装置１０４が設置されている。親揚水機場１０２では、ポンプ揚水量，ポンプ操作量を上記所定周期ごとに測定し、また各分水装置１０４では、各貯水池１０５への水配分量を上記所定周期ごとに測定し、データ伝送路１１１を介して上記測定データをコンピュータ１１０に送信している。
【００１５】
図２は、本発明の一実施例を示す圃場潅漑水管理装置であるコンピュータの機能ブロック図である。
コンピュータ１１０は、図２に示すように、ＣＰＵ２１１，ＲＡＭ２１２，ハードディスク装置２１３，フロッピーディスク装置２１４，ＭＯディスク装置２１５，ＤＶＤ装置２１６，ＣＤ−ＲＯＭ装置２１７，ＲＡＭカード装置２１８，入力装置２１９，表示装置２２０によって構成される。
ＣＰＵ２１１は、水田灌漑システム全体の動作を制御して、親揚水機場１０２，各分水装置１０４，各子揚水機場１０６，各給水バルブ１０８等の制御機器の操作量を決定し、各水田地域１１３内の貯水池１０５への水供給、および各末端水田１１２への給水を管理する中央処理装置である。ＲＡＭ２１２は、各種処理プログラムや各種データをロードする記憶装置である。
【００１６】
ハードディスク装置２１３は、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３を磁気ディスクに格納する記憶装置である。ここでは、ハードディスク装置２１３のみを詳細に示しているが、フロッピーディスク装置２１４も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたフロッピーディスクの読み書きを行う装置である。同じくＭＯディスク装置２１５も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＭＯディスク（光磁気ディスク）の読み書きを行う装置である。また、ＤＶＤ装置２１６も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＤＶＤ（デジタルビデオディスク）の読み書きを行う装置である。また、ＣＤ−ＲＯＭ装置２１７も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク）の読み書きを行う装置である。また、ＲＡＭカード装置２１８も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＲＡＭカードの読み書きを行う装置である。
【００１７】
入力装置２１９は、最適水配分量計画処理プログラム２０１の実行に必要となる各水田１１２の特性データや、水源池１０１からの取水可能量等を入力するための装置である。表示装置２２０は、処理プログラム２０１によって算出された各貯水池１０５への日計画水配分量や各末端水田１１２への日計画水配分量の表示、および各水田１１２における水位，給水量等の各種測定データの表示を行う装置である。
ここで、上記処理プログラム２０１，２０２、およびデータベース２０３は上記記憶媒体のいずれに記録していてもかまわないため、以下では、記録媒体の読み書きを行う装置がハードディスク装置２１３のみの場合を例にとって説明する。
コンピュータ１１０では、大規模水田地域１１４全体としての収量の最大化を図るべく、水源池１０１からの灌漑用水の各貯水池１０５への最適な自動水配分と、各水田１１２への最適な自動給水を行う。これは、ハードディスク装置２１３に記憶された処理プログラム２０１，２０２、およびデータベース２０３をＲＡＭ２１２にロード・記憶し、ＣＰＵ２１１によって各処理プログラム２０１，２０２に対応する以下の処理（１）および（２）を順次実行していくことによって実現される。処理（１）は、各貯水池１０５および各水田１１２への最適水配分量を計画する処理であり、処理（２）は、上記最適水配分を実現するように各施設機器である親揚水機場１０２，分水装置１０４，子揚水機場１０６，給水バルブ１０８の自動制御を行う処理である。以下、上記処理（１），（２）の実行方法について説明する。
【００１８】
図３は本発明の一実施例を示す最適水配分量計画処理の概略フローチャートであり、図４は図２のデータベースに格納された稲の被害率とその前提条件を示すテーブルの図であり、図５は本発明による最適水配分計画処理に基づく複数水田への最適水配分結果の一例を示す図である。
初めに、最適水配分量計画処理プログラムによって実現される各貯水池１０５および各水田１１２への最適水配分量を計画する処理（１）について、図３〜図５を用いて説明する。
ここで、十分な量の灌漑用水が利用できない場合において、仮にいくつかの水田では稲の生育悪化や減収が発生することになったとしても、水田地域全体としては、稲の生育向上および増収を図ることができるような複数水田への灌漑用水配分の指針▲１▼▲２▼を以下に示しておく。
▲１▼水不足の影響を受けやすい水稲生育時期の水田に対して優先的に水配分する。
▲２▼未被害の水田に対して優先的に水配分する。
【００１９】
上記▲１▼について説明すると、稲はその生育の各段階において、移植期・穂ばらみ期・出穂開花期のように水不足の被害を受けやすい時期と、分げつ期・登熟期のように水不足の被害を受けにくい時期とがある。従って、水不足の被害を受けやすい時期の水田に対して優先的に水配分することは、水田地域全体としての被害軽減（即ち生育向上および増収）に有効である。
また、上記▲２▼について説明すると、一度被害を受けた水田はその回復が困難であることから、未被害の水田に対して優先的に水配分することは、水田地域全体としての被害軽減に有効である。
処理プログラム２０１では、上記指針▲１▼▲２▼に基づいて、当日所定時刻において、当日から所定日数先までの，水源池１０１からの親揚水機場１０２の日揚水量，各貯水池１０５への日水配分量（＝各貯水池１０５からの子揚水機場１０６の日揚水量），各水田１１２への日水配分量を計画する。本実施例では、処理プログラム２０１は５日間ごとの当日所定時刻において実行するものとし、従って、当日から４日先までの計５日分の毎日の日揚水量・日配分量を計画するものとする。
【００２０】
図３により、処理プログラム２０１が実行する最適水配分量計画処理の概要を説明する。初めに、最適水配分量計画処理プログラム２０１について述べる。このプログラム２０１では、表示装置２２０を介してユーザに対し最適水配分量算定に必要となるデータの入力要請を行う（ステップ３０１）。ユーザは、次の各データ入力装置２１９から入力する（ステップ３０２）。すなわち、
・当日から４日先までの水源池１０１からの総取水可能量（大規模水田地域１１４の灌漑用水として利用可能な量）、
・各水田１１２の面積・現在の各水田１１２の水位、
・当日の各水田１１２の稲の品種，生育段階，被害率（０〜１００％）、
・当日から４日先までの各水田１１２の日減水深，日平均水温の予測値、
・当日から４日先までの各水田地域１１３の日平均気温，日雨量の予測値、
等のデータである。但し、日平均気温，日雨量の予測値は、気象庁等の配信する気象予報データを直接コンピュータ１１０に取り込んでもよい。日平均水田水温の予測値は、所定の水田水温予測モデルを用いてもよいが、一般に日平均気温より数度高めになるように設定しても、特に問題はない。
【００２１】
処理プログラム２０１の次のステップでは、その合計が水源池１０１からの総取水可能量を超えないように、当日から４日先までの各水田１１２への日水配分量（以下、解と呼ぶ）の初期値を設定する（ステップ３０３）。初期解としては、例えば、毎日、各水田１１２に対して均等配分するように設定すればよい。
処理プログラム２０１の次のステップでは、水稲被害率データベース２０３に基づいて、ステップ３０３において設定された解、または後述するステップ３０６において決定された解に対応する各水田の水稲被害率を計算し、更に大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率を計算する（ステップ３０４）。
データベース２０３に記憶された水稲被害率データとしては、水田水配分の良否によって引き起こされる水稲被害の計算ノウハウが、図４に示すＩＦ−ＴＨＥＮ形式で格納されている。
【００２２】
ここで、稲の生育・収量に対する被害は、水田水位の過不足のみならず、稲に対する温度の過不足によっても引き起こされる。水田水配分は、稲に対する気温／水温の影響範囲を変えてしまうことから、水田水配分による水稲被害を計算するためには、水田水位条件だけでなく温度条件も考慮する必要がある。また、同じ水位条件・温度条件であっても、稲の品種・生育時期の違いや上記条件の継続日数の違いによって、稲の被害は違ってくる。
例えば、水管理により稲に対する温度条件を向上させ、冷害被害の低減を図る方法として、深水灌漑と呼ばれる水管理方法がある。冷害が発生するほどの低気温時において、夜間の気温が極めて冷え込むのに対して、水温は夜間でもそれほど冷え込まず、１日の平均としては気温より水温の方が高くなる傾向にある。そこで深水灌漑により水田水位を高め、稲の大部分をより温かい水で被覆することにより、稲を低温の被害から守るのである。
上記のことを鑑みて、データベース２０３の水稲被害率データの前件部には、図４に示すように、▲１▼稲の品種，▲２▼稲の生育時期，▲３▼気温，▲４▼水温，▲５▼水位，▲６▼上記状態の継続日数を格納し、後件部には、上記前件部条件に対応する稲の予想被害率（％）を格納しておく。上記前件部条件および後件部被害率の具体的な値は、農業研究機関による実験結果や農家の経験に基づいて決定しておく。
【００２３】
上記ステップ３０４の具体的処理は、以下のように行う。各水田１１２において、ステップ３０２で入力した初期水田水位に対して、本日から４日先まで、ステップ３０３または後述するステップ３０６で決定した日水配分量、およびステップ３０２で入力した日雨量が流入し、ステップ３０２で入力した日減水深が流出するとして、毎日の各水田１１２の日平均水位を予測する。各水田１１２における上記日平均水田水位、ステップ３０２で入力した当日の稲の品種・生育時期、当日から４日先までの日平均気温，日平均水温に基づいて、水稲被害率データベース２０３の前件部条件から類似する事例を検索し、対応する後件部を各水田１１２の未被害部分に対する被害率として決定する。各水田１１２ではステップ３０２で入力した初期被害率がもともと存在していたことに鑑みて、各水田１１２において最終的に予想される水稲被害率を下式（１）により計算する。
被害率＝初期被害率＋（１００−初期被害率）×未被害部分に対する被害率
・・・・・・・・・・・・・（１）
最後に各水田１１２の水田面積比に応じた加重平均をとって、大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率を算出する。
【００２４】
処理プログラム２０１の次のステップ３０５では、最新の解に対応する大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率と、前回の解に対応する上記平均水稲被害率とを比較し、解の収束判定を行う。即ち、その差が所定の微小値未満であれば収束したと判断してステップ３０７に進み、差が所定値以上であれば収束していないと判断してステップ３０６に進む。但し、最初の収束判定では、ステップ３０３において設定された初期解しかないため、無条件にステップ３０６に進む。
ステップ３０６では、大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率が小さくなる方向に進むように、ステップ３０３において設定された初期解またはステップ３０６において決定された解の修正を行う。これは、例えば滑降Simplex法等の適当な非線型最適化手法を用いればよい。なお、滑降Ｓimplex法とは、解（配分計画）空間上において、解の次元数（この場合、配分すべき水田数）＋１個の解（配分計画）を設定し、それぞれの解に対する評価値（この場合、平均水稲被害率）を算出し、最も被害率の高い最悪解を、残りの解の重心に対して反対側に折り返し（反射）、または残りの解の重心に対して反対側に２倍の距離に折り返す（膨張）などして、最悪解の改良を行い、これを繰り返すことにより最終的に最適解に辿り着く方法である（「ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＲＥＣＩＰＥＳ ｉｎ Ｃ」技術評論社発行）。
【００２５】
以下、解が収束するまでステップ３０４〜３０６を繰り返す。
最終的に得られた解、即ち当日から４日先までの各水田１１２への日水配分量を、各日ごとに、各水田地域ごとに積算して、当日から４日先までの，水源池１０１からの親揚水機場１０２の日揚水量，各貯水池１０５への日水配分量（＝各貯水池１０５からの子揚水機場１０６の日揚水量），各水田１１２への日水配分量を算出し、計画量としてユーザに対して表示を行う（ステップ３０７）。
このようにして、先ずステップ３０３で適当に各水田への日水配分量の初期値を設定した後、ステップ３０４で被害率を算出し、ステップ３０５で収束しなかった場合には、ステップ３０６で水配分量を変えて、被害率が小さくなるように変化させ、この処理を繰り返して被害率を最小にし、収束させるのである。
【００２６】
次に、上述の方法による最適水配分結果の一例を、図５に示す。
ここでは、１ｈａ水田×３０枚の複数水田群に対して、当日から４日先までの日平均気温１５℃，日平均水温１８℃，日雨量０ｍｍとして冷害の到来を仮定し、当日から４日先までに利用可能な総用水量２１，０００トン（１水田当り平均７０ｍｍ）として、水田地域全体としての水稲被害量が最小となるように水配分を行った。最適水配分の傾向を把握しやすくするため、３０枚の水田に１〜３０までの番号を付け（横軸の水田番号参照）、１〜１０番の水田は穂ばらみ前期（冷害最危険期：深水灌漑の必要性高い），１１〜３０番の水田は穂ばらみ中期（冷害危険期：深水灌漑の必要性普通）とし、更にそのうちの２１〜３０番の水田のみ既に２０％の水稲生育被害を受けているものとした。
【００２７】
図５において、棒グラフの高さ寸法が各水田への最適配分結果（水深換算）を示している。前述した本発明の水配分指針▲１▼が示すように、冷害最危険期にある１〜１０番の水田に対して優先的に水配分が行われ、また水配分指針▲２▼が示すように、既に生育被害を受けている２１〜３０番の水田に対してはほとんど水配分が行われておらず、結果として水配分指針▲１▼▲２▼が適正に実行できていることが判る。
また、図５において、□が最適配分時の各水田の被害率を、〇が均等配分時（各水田とも７０ｍｍ）の各水田の被害率を示している。これから明らかなように、冷害最危険期にある１〜１０番の水田では優先的に水配分が行われたため、冷害をある程度回避でき、均等配分時に比べて３０％程度稲の生育被害の軽減を図ることができた。その結果、均等配分時の水田平均被害率３８．４％に対し、最適配分時の平均被害率３４．６％となり、水田地域全体として３．８％の被害軽減（収量向上）が図られている。
【００２８】
上述のようにして、ＣＰＵ２２１において、処理プログラム２０１により、各水田地域１１３および各水田１１２への最適水配分量が計画される。
次に、施設機器制御処理プログラム２０２によって実現される，親揚水機場１０２，分水装置１０４，子揚水機場１０６，および給水バルブ１０８の自動制御を行う処理（２）について、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の一実施例を示す施設機器制御処理プログラムの動作フローチャートであって、ステップ３０１，３０４，３０７，３１０の各処理を圃場潅漑コンピュータ（水管理装置）１１０のＣＰＵ２１１が行い、ステップ３０２，３０３の各動作を親揚水機場１０２のポンプが行い、ステップ３０５，３０６の各動作を分水装置１０４が行い、ステップ３０８，３０９の各動作を子揚水機場１０６のポンプが行い、ステップ３１１，３１２の各動作を各水田の給水バルブ１０８が行う。
処理プログラム２０２では、処理プログラム２０１において決定された各日計画揚水量，各日計画水配分量を実現するように、毎日所定時刻以降、上記データ測定周期と同じタイミングで、各施設機器１０２，１０４，１０６，１０８の操作量を決定し、各施設機器に対して制御信号の送信を行う。
【００２９】
処理プログラム２０２では、先ず初めに、当日の水源池１０１からの親揚水機場１０２の日計画揚水量と、親揚水機場１０２において測定される親揚水機場１０２の当日現在までの総揚水量の実績量とを比較し（ステップ３０１）、計画量＞実績量であれば、親揚水機場１０２のポンプ運転を行い（ステップ３０２）、計画量≦実績量であれば、親揚水機場１０２のポンプ運転を停止する（ステップ３０３）。これにより、上記日計画揚水量分だけの灌漑用水が水源池１０１より取水され、大規模水田地域１１４に対して供給されることになる。
【００３０】
処理プログラム２０２の次のステップでは、当日の各貯水池１０５への日計画水配分量と、各分水装置１０４にて測定される各貯水池１０５への当日現在までの総水配分量の実績量とを比較し（ステップ３０４）、計画量＞実績量であれば、各貯水池１０５ごとの未だ供給されていない残りの日計画水配分量（＝日計画水配分量−実績量）を算出し、各貯水池１０５に対して、それぞれの上記水配分残量に比例した水供給を行うように、各分水装置１０４の制御を行う（ステップ３０５）。計画量≦実績量であれば、該貯水池１０５への水供給を停止するように、対応する分水装置１０４の制御を行う（ステップ３０６）。これにより、上記日計画水配分量分だけの灌漑用水が各貯水池１０５に対して供給されることになる。
【００３１】
処理プログラム２０２の次のステップでは、当日の各貯水池１０５からの子揚水機場１０６の日計画揚水量（＝当日の各貯水池１０５への日計画水配分量）と、各子揚水機場１０６において測定される子揚水機場１０６の当日現在までの総揚水量の実績量とを比較し（ステップ３０７）、計画量＞実績量であれば、対応する子揚水機場１０６のポンプ運転を行い（ステップ３０８）、計画量≦実績量であれば、対応する子揚水機場１０６のポンプ運転を停止する（ステップ３０９）。これにより、上記日計画揚水量分だけの灌漑用水が各貯水池１０５より揚水され、各末端水田１１２に対して給水されることになる。
【００３２】
処理プログラム２０２の次のステップでは、当日の各水田１１２への日計画水配分量と、各給水バルブ１０８にて測定される各水田１１２への当日現在までの総給水量の実績量とを比較し（ステップ３１０）、計画量＞実績量であれば、対応する給水バルブ１０８の開放を行い（ステップ３１１）、計画量≦実績量であれば、対応する給水バルブ１０８の閉鎖を行う（ステップ３１２）。これにより、上記日計画水配分量分だけの灌漑用水が各末端水田１１２に対して給水されることになる。
【００３３】
上述のようにして、ＣＰＵ２２１において、処理プログラム２０２により、処理プログラム２０１において計画した最適水配分が実現されるように、各施設機器１０２，１０４，１０６，１０８の自動制御が行われる。
上述のように、本発明の実施形態によれば、十分な量の灌漑用水が利用できないような水田地域においても、各水田・水田地域に対する適正な水配分量を事前に計画し、上記水配分を実現するように各施設機器の制御を行うことにより、水田地域全体としての稲の品質向上・高収量化を図るような水田灌漑が可能となる。なお、本発明においては、複数の圃場からなる１圃場地域を対象にした場合でも、１圃場地域全体としての品質向上と高収量化が可能であり（請求項１〜３対応）、さらに、複数の圃場地域を対象にした場合でも、全体の圃場地域としての品質向上と高収量化が可能である（請求項４，５対応）。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、十分な量の灌漑用水が利用できない場合において、水不足の影響を受けやすい生育時期の水田に対して優先的に水配分を行っているので、個別の圃場ごとにみれば作物の生育悪化や減収が発生する圃場が生じる可能性はあるが、優先配分された圃場では水不足の影響を大幅に受けにくくなり、大規模水田地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることが可能となる。また、未被害の圃場に対して優先的に水配分を行っているので、既に作物が被害を受けており十分な収穫が見込めないような圃場に対して過剰な水配分が行われなくなり、その分の灌漑用水を他の圃場に対して有効利用できるため、大規模圃場地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される水田灌漑システムの全体構成図である。
【図２】本発明の一実施例を示すコンピュータ内部の機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施例を示す最適水配分量計画処理プログラムの動作フローチャートである。
【図４】稲の被害率とその前提条件を格納したデータベースの説明図である。
【図５】本発明の最適水配分計画処理に基づく複数水田への最適水配分結果の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施例を示す施設機器制御処理プログラムの動作フローチャートである。
【符号の説明】
１０１…水源池、１０２…親揚水機場、１０３…幹線系パイプライン、
１０４…分水装置、１０５…貯水池、１０６…子揚水機場、
１０７…給水パイプライン、１０８…給水バルブ、１０９…水位計、
１１０…コンピュータ、１１１…データ伝送路、１１２…水田、
１１３…水田地域、１１４…大規模水田地域、２２０…表示装置、
２１１…ＣＰＵ、２１２…ＲＡＭ、２１９…入力装置、
２１３…ハードディスク、２１４…ＦＤ、２１５…ＭＯ、２１６…ＤＶＤ、
２１７…ＣＤ−ＲＯＭ、２１８…ＲＡＭカード、
２０１…最適水配分量計画処理プログラム、
２０２…施設機器制御処理プログラム、２０３…水稲被害率データベース。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の圃場（水田，畑）から構成された圃場地域，更には複数の圃場地域から構成された大規模圃場地域において、作物の品質向上・高収量化を図るべく、灌漑用水を各圃場地域および各末端圃場に対して適正に配分するための給水バルブ制御，分水量制御，その他の水管理作業を行う圃場灌漑システムに係り、特に灌漑用水の不足しがちな圃場地域に対して好適な圃場灌漑システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（従来技術１）水田の水管理
水田の水管理作業は毎日の田めぐりを必要とし、気象・土壌等の条件や稲の生育段階に応じて異なる判断を求められるため、農家にとって煩わしく、かつ経験を要する作業となっている。一方で、給水パイプライン・給水バルブの敷設が進行していることとあいまって、末端水田への自動給水を行う水田灌漑システムの開発が実用段階まで進んでいる。例えば、特開平９−６５７７６号公報に記載の水田潅水システムでは、稲の生育段階に応じて毎日の水田目標水位を決定し、水田水位が目標水位の近傍内に収まるように給水バルブの制御を行っている。
また、特開平８−３７９５０号公報に記載の水田灌漑システムでは、稲の冷水温障害を回避するため、水田と用水路の水温を測定し、その温度差が所定の許容範囲内にある場合に限り、給水バルブの自動制御を行っている。また、特開平８−２７５６８４号公報に記載の水田用灌漑管理システムでは、自宅に設置した管理装置と水田地域に設置した送受信機との間で、水田の水位・水温測定データ、給水バルブの制御データを送受信し、自宅から水田の遠隔監視制御を行うことができるようにしている。
【０００３】
（従来技術２）水源から水田地域への灌漑
また、上述のような各末端水田への給水設備だけでなく、河川・湖沼等の水源の水を各水田地域へ灌漑するための幹線系の灌漑設備についても自動化が進んでいる。例えば、特開平１０−４２７２６号公報に記載の農業用水給水設備では、水源の水を各水田地域に対して供給するための親揚水機場と、親揚水機場から供給された灌漑用水を受け取り水田地域内の各末端水田に対して給水するための各水田地域ごとに設置された子揚水機場・直分分水弁とを、中央管理部より遠隔制御することにより、水源からの灌漑用水を所定量だけ各水田地域に対して配分できるようにしている。更に、上記技術では、過去の需要実績と比較して灌漑用水の余っている水田地域に対しては少なめに水配分を行い、灌漑用水の不足している水田地域に対しては多めに水配分を行うような融通性を持った水配分機能を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記（従来技術１）によれば、複数の水田から構成された水田地域において、各末端水田が必要とする所定の目標水位まで自動的に給水を行うことが可能となる。しかしながら、上記水田地域に対して十分な量の灌漑用水が供給されている場合は問題ないが、十分な量の潅漑用水がない場合、あるいは水不足の時期に給水する場合には、各末端水田への給水方式次第では、一部の水田に全く水が行き渡らなかったり、あるいは全ての末端水田に対して十分な水が行き渡らなくなる可能性がある。その結果、例えば水不足の影響を受けやすい水稲生育時期の水田に対して十分な水が行き渡らず、上記水田地域全体としての収量が大きく落ち込む可能性がある。
【０００５】
また、上記（従来技術２）によれば、複数の水田地域から構成された大規模水田地域において、河川・湖沼等の水源からの灌漑用水を、各水田地域の需要実績に応じて、公平に各水田地域に対して自動的に配分を行うことが可能となる。
しかしながら、上記大規模水田地域において水源から十分な量の灌漑用水が得られている場合は問題ないが、水源に十分な量の用水がない場合には、各水田地域の需要実績に応じた水配分は行われるものの、それが大規模水田地域全体としての稲の生育・収量の観点からみて好ましい水配分であるとは限らない。
例えば、水不足の影響を受けやすい水稲生育時期の水田の多い水田地域に対して十分な灌漑用水が供給されず、該水田地域の収量が大きく落ち込んだり、逆に、既に稲が回復困難な被害を受けており、十分な収穫が見込めないような水田の多い水田地域に対してもある程度の灌漑用水が供給され、水を投入した割には十分な収量が得られない可能性がある。
【０００６】
以上は水田について説明したが、畑についてもこれと全く同じことが問題点となっている。畑は水田に比べて土壌中の水分量が少ないことから、より厳密な水管理が要求されるため、畑作地域において灌漑用水が不足する場合には、問題はさらに深刻になってくる。従って、本発明では、畑と水田との両方を含めた用語である『圃場』を潅漑システムの対象として扱うことにする。すなわち、圃場とは、水田，畑，あるいは水田と畑の混合地を意味する。また、圃場地域とは、同一の給水系統を有する複数の圃場群からなる地域を意味する。大規模圃場地域とは、水源を共有し、同一の幹線灌漑系統を有する複数地域からなる全域を意味する。
【０００７】
本発明の目的は、これら従来の課題を解決し、複数の圃場から構成された圃場地域において、上記圃場地域で利用可能な灌漑用水が不足する場合に、各圃場に対して適正に水配分し、上記圃場地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることができる圃場灌漑システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、複数の圃場地域から構成された大規模圃場地域において、上記大規模圃場地域で利用可能な灌漑用水が不足する場合に、各圃場地域に対して適正に水配分し、上記大規模圃場地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることができる圃場灌漑システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の田圃灌漑システムは、(1)複数の田圃からなる田圃地域の各田圃ごとに設置された給水装置を制御して、各田圃への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、上記田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃に対して水分配するときには、良好な作物の品質・収量等が見込まれる田圃に対して優先的に水配分を行うか、または水不足の影響を受けやすく生育時期の田圃に対して優先的に水配分を行うようにして、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
また、本発明の田圃灌漑システムは、(2)複数の田圃からなる田圃地域の各田圃ごとに設置された給水装置を制御して、各田圃への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、
上記田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃に対して水配分するときには、各田圃の作物の品種、現在の生育時期、気温、水温、水位、および上記状態の継続日数と各田圃に発生する予測被害率との関係と、各田圃に既に存在する現在の初期被害率と上記予測被害率とから各田圃の最終的な予測被害率を算出する算出式とに基づき、各田圃の面積比に応じた上記最終的な予測被害率の加重平均をとったときの田圃地域全体の最終的な平均予測被害率を最小にするときの各田圃への所定期間中の水配分量を求解して、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて、上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の田圃灌漑システムは、(3)複数の田圃からなる田圃地域が複数ある場合の各田圃地域に分水するための分水装置を制御して、各田圃地域への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、上記全田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃地域に対して水配分するときには、良好な作物の品質・収量等が見込まれる田圃地域に対して優先的に配分を行うか、または水不足の影響を受けやすい生育時期の田圃地域に対して優先的に配分を行うようにして、各田圃地域への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて上記各分水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の田圃灌漑システムは、(4)複数の田圃からなる田圃地域が複数ある場合の各田圃地域に分水するための分水装置を制御して、各田圃地域への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、上記全田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃地域に対して水配分するときには、各田圃の作物の品種、現在の生育時期、気温、水温、水位、および上記状態の継続日数と各田圃に発生する予測被害率との関係と、各田圃に既に存在する現在の初期被害率と上記予測被害率とから各田圃の最終的な予測被害率を算出する算出式とに基づき、各田圃の面積比に応じた上記最終的な予測被害率の加重平均をとったときの田圃地域全体の最終的な平均予測被害率を最小にするときの各田圃への所定期間中の水配分量を求解し、上記求解された各田圃への所定期間中の水配分量を各田圃地域ごとに合計して、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、上記水配分量に基づいて、上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面により詳細に説明する。
なお、前述のように、本発明では水田・畑等の圃場地域の灌漑管理を対象としているが、水田の灌漑管理も畑の灌漑管理も本質的には同じであるので、本実施例においては、水田のみを灌漑管理の対象として説明する。畑の潅漑管理も全く同じように制御することで、全く同じ効果が得られる。畑と水田とを一括して潅漑管理する場合には、畑と水田とで、水配分の初期値や計算に使用する値を異ならせるだけで、基本的には同じ制御である。
【００１２】
図１は、本発明が適用される大規模水田地域の全体図である。
ここでは、水源からの灌漑用水を複数の水田地域に対し適正に配分して自動供給を行い、かつ各水田地域に対して上記供給された灌漑用水を、各地域内の複数の末端水田に対して適正に配分し自動給水を行う水田灌漑システムを示している。
図１の水田灌漑システムは、河川または湖沼等の水源池１０１，ポンプにより水源地１０１から水を汲み上げて、幹線系パイプラインに圧送する機能を備えた親揚水機場１０２，水源池１０１から１以上の貯水池に接続する幹線系パイプライン１０３，自分の貯水池と他の貯水池とに分水する分水装置１０４，各水田地域ごとに設けられた貯水池１０５，ポンプにより貯水池１０５から水を汲み上げて、給水パイプラインに圧送する子揚水機場１０６，貯水池１０５から各水田まで水を搬送する給水パイプライン１０７，コンピュータからの制御信号により制御されて、バルブの開け閉めを行う給水バルブ１０８，水田の中に設置されて、水田の水位を計測する水位計１０９，アンテナと無線送受信機を備えた潅漑水管理用のコンピュータ１１０，アンテナを介して無線でデータの送受信を行うデータ伝送路１１１から構成される。
【００１３】
管理対象となる水田地域では、同じ給水系統をもつ末端水田１１２が複数集まって水田地域１１３を形成し、そのような水田地域１１３が複数集まって大規模水田地域１１４を形成している。
図１に示すように、各水田地域１１３の上流には、貯水池１０５と、貯水池１０５の水を給水パイプライン１０７に圧送するための子揚水機場１０６が設置されている。給水パイプライン１０７は子揚水機場１０６と該地域内各水田１１２とを接続するように敷設され、各水田１１２の入口には、給水パイプライン１０７を介して送られてきた灌漑用水を、各水田１１２に対して給水するための給水バルブ１０８が設置されている。また、各水田１１２内には、水位計１０９が設置されている。子揚水機場１０６では貯水池貯水量，ポンプ揚水量，ポンプ操作量を所定測定周期ごとに測定し、各給水バルブ１０８では給水量，バルブ操作量を上記所定周期ごとに測定し、水位計１０９では水田水位を上記所定周期ごとに測定し、データ伝送路１１１を介して上記測定データをコンピュータ１１０に送信している。ここで、データ伝送路１１１は無線で伝送されるように記載されているが、配線されている場合には有線で伝送することも可能である。
【００１４】
図１に示すように、大規模水田地域１１４の上流には、水源池１０１と、水源池の水を幹線系パイプライン１０３に圧送するための親揚水機場１０２が設置されている。幹線系パイプライン１０３は親揚水機場１０２と各貯水池１０５とを接続するよう敷設され、その途中には、幹線系パイプライン１０３を介して送られてきた灌漑用水を、各貯水池１０５に対して所定量だけ配分し供給するための分水装置１０４が設置されている。親揚水機場１０２では、ポンプ揚水量，ポンプ操作量を上記所定周期ごとに測定し、また各分水装置１０４では、各貯水池１０５への水配分量を上記所定周期ごとに測定し、データ伝送路１１１を介して上記測定データをコンピュータ１１０に送信している。
【００１５】
図２は、本発明の一実施例を示す圃場潅漑水管理装置であるコンピュータの機能ブロック図である。
コンピュータ１１０は、図２に示すように、ＣＰＵ２１１，ＲＡＭ２１２，ハードディスク装置２１３，フロッピーディスク装置２１４，ＭＯディスク装置２１５，ＤＶＤ装置２１６，ＣＤ−ＲＯＭ装置２１７，ＲＡＭカード装置２１８，入力装置２１９，表示装置２２０によって構成される。
ＣＰＵ２１１は、水田灌漑システム全体の動作を制御して、親揚水機場１０２，各分水装置１０４，各子揚水機場１０６，各給水バルブ１０８等の制御機器の操作量を決定し、各水田地域１１３内の貯水池１０５への水供給、および各末端水田１１２への給水を管理する中央処理装置である。ＲＡＭ２１２は、各種処理プログラムや各種データをロードする記憶装置である。
【００１６】
ハードディスク装置２１３は、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３を磁気ディスクに格納する記憶装置である。ここでは、ハードディスク装置２１３のみを詳細に示しているが、フロッピーディスク装置２１４も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたフロッピーディスクの読み書きを行う装置である。同じくＭＯディスク装置２１５も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＭＯディスク（光磁気ディスク）の読み書きを行う装置である。また、ＤＶＤ装置２１６も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＤＶＤ（デジタルビデオディスク）の読み書きを行う装置である。また、ＣＤ−ＲＯＭ装置２１７も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク）の読み書きを行う装置である。また、ＲＡＭカード装置２１８も、各種処理プログラム２０１，２０２，およびデータベース２０３が記録されたＲＡＭカードの読み書きを行う装置である。
【００１７】
入力装置２１９は、最適水配分量計画処理プログラム２０１の実行に必要となる各水田１１２の特性データや、水源池１０１からの取水可能量等を入力するための装置である。表示装置２２０は、処理プログラム２０１によって算出された各貯水池１０５への日計画水配分量や各末端水田１１２への日計画水配分量の表示、および各水田１１２における水位，給水量等の各種測定データの表示を行う装置である。
ここで、上記処理プログラム２０１，２０２、およびデータベース２０３は上記記憶媒体のいずれに記録していてもかまわないため、以下では、記録媒体の読み書きを行う装置がハードディスク装置２１３のみの場合を例にとって説明する。
コンピュータ１１０では、大規模水田地域１１４全体としての収量の最大化を図るべく、水源池１０１からの灌漑用水の各貯水池１０５への最適な自動水配分と、各水田１１２への最適な自動給水を行う。これは、ハードディスク装置２１３に記憶された処理プログラム２０１，２０２、およびデータベース２０３をＲＡＭ２１２にロード・記憶し、ＣＰＵ２１１によって各処理プログラム２０１，２０２に対応する以下の処理（１）および（２）を順次実行していくことによって実現される。処理（１）は、各貯水池１０５および各水田１１２への最適水配分量を計画する処理であり、処理（２）は、上記最適水配分を実現するように各施設機器である親揚水機場１０２，分水装置１０４，子揚水機場１０６，給水バルブ１０８の自動制御を行う処理である。以下、上記処理（１），（２）の実行方法について説明する。
【００１８】
図３は本発明の一実施例を示す最適水配分量計画処理の概略フローチャートであり、図４は図２のデータベースに格納された稲の被害率とその前提条件を示すテーブルの図であり、図５は本発明による最適水配分計画処理に基づく複数水田への最適水配分結果の一例を示す図である。
初めに、最適水配分量計画処理プログラムによって実現される各貯水池１０５および各水田１１２への最適水配分量を計画する処理（１）について、図３〜図５を用いて説明する。
ここで、十分な量の灌漑用水が利用できない場合において、仮にいくつかの水田では稲の生育悪化や減収が発生することになったとしても、水田地域全体としては、稲の生育向上および増収を図ることができるような複数水田への灌漑用水配分の指針▲１▼▲２▼を以下に示しておく。
▲１▼水不足の影響を受けやすい水稲生育時期の水田に対して優先的に水配分する。
▲２▼未被害の水田に対して優先的に水配分する。
【００１９】
上記▲１▼について説明すると、稲はその生育の各段階において、移植期・穂ばらみ期・出穂開花期のように水不足の被害を受けやすい時期と、分げつ期・登熟期のように水不足の被害を受けにくい時期とがある。従って、水不足の被害を受けやすい時期の水田に対して優先的に水配分することは、水田地域全体としての被害軽減（即ち生育向上および増収）に有効である。
また、上記▲２▼について説明すると、一度被害を受けた水田はその回復が困難であることから、未被害の水田に対して優先的に水配分することは、水田地域全体としての被害軽減に有効である。
処理プログラム２０１では、上記指針▲１▼▲２▼に基づいて、当日所定時刻において、当日から所定日数先までの，水源池１０１からの親揚水機場１０２の日揚水量，各貯水池１０５への日水配分量（＝各貯水池１０５からの子揚水機場１０６の日揚水量），各水田１１２への日水配分量を計画する。本実施例では、処理プログラム２０１は５日間ごとの当日所定時刻において実行するものとし、従って、当日から４日先までの計５日分の毎日の日揚水量・日配分量を計画するものとする。
【００２０】
図３により、処理プログラム２０１が実行する最適水配分量計画処理の概要を説明する。初めに、最適水配分量計画処理プログラム２０１について述べる。このプログラム２０１では、表示装置２２０を介してユーザに対し最適水配分量算定に必要となるデータの入力要請を行う（ステップ３０１）。ユーザは、次の各データ入力装置２１９から入力する（ステップ３０２）。すなわち、
・当日から４日先までの水源池１０１からの総取水可能量（大規模水田地域１１４の灌漑用水として利用可能な量）、
・各水田１１２の面積・現在の各水田１１２の水位、
・当日の各水田１１２の稲の品種，生育段階，被害率（０〜１００％）、
・当日から４日先までの各水田１１２の日減水深，日平均水温の予測値、
・当日から４日先までの各水田地域１１３の日平均気温，日雨量の予測値、
等のデータである。但し、日平均気温，日雨量の予測値は、気象庁等の配信する気象予報データを直接コンピュータ１１０に取り込んでもよい。日平均水田水温の予測値は、所定の水田水温予測モデルを用いてもよいが、一般に日平均気温より数度高めになるように設定しても、特に問題はない。
【００２１】
処理プログラム２０１の次のステップでは、その合計が水源池１０１からの総取水可能量を超えないように、当日から４日先までの各水田１１２への日水配分量（以下、解と呼ぶ）の初期値を設定する（ステップ３０３）。初期解としては、例えば、毎日、各水田１１２に対して均等配分するように設定すればよい。
処理プログラム２０１の次のステップでは、水稲被害率データベース２０３に基づいて、ステップ３０３において設定された解、または後述するステップ３０６において決定された解に対応する各水田の水稲被害率を計算し、更に大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率を計算する（ステップ３０４）。
データベース２０３に記憶された水稲被害率データとしては、水田水配分の良否によって引き起こされる水稲被害の計算ノウハウが、図４に示すＩＦ−ＴＨＥＮ形式で格納されている。
【００２２】
ここで、稲の生育・収量に対する被害は、水田水位の過不足のみならず、稲に対する温度の過不足によっても引き起こされる。水田水配分は、稲に対する気温／水温の影響範囲を変えてしまうことから、水田水配分による水稲被害を計算するためには、水田水位条件だけでなく温度条件も考慮する必要がある。また、同じ水位条件・温度条件であっても、稲の品種・生育時期の違いや上記条件の継続日数の違いによって、稲の被害は違ってくる。
例えば、水管理により稲に対する温度条件を向上させ、冷害被害の低減を図る方法として、深水灌漑と呼ばれる水管理方法がある。冷害が発生するほどの低気温時において、夜間の気温が極めて冷え込むのに対して、水温は夜間でもそれほど冷え込まず、１日の平均としては気温より水温の方が高くなる傾向にある。そこで深水灌漑により水田水位を高め、稲の大部分をより温かい水で被覆することにより、稲を低温の被害から守るのである。
上記のことを鑑みて、データベース２０３の水稲被害率データの前件部には、図４に示すように、▲１▼稲の品種，▲２▼稲の生育時期，▲３▼気温，▲４▼水温，▲５▼水位，▲６▼上記状態の継続日数を格納し、後件部には、上記前件部条件に対応する稲の予想被害率（％）を格納しておく。上記前件部条件および後件部被害率の具体的な値は、農業研究機関による実験結果や農家の経験に基づいて決定しておく。
【００２３】
上記ステップ３０４の具体的処理は、以下のように行う。各水田１１２において、ステップ３０２で入力した初期水田水位に対して、本日から４日先まで、ステップ３０３または後述するステップ３０６で決定した日水配分量、およびステップ３０２で入力した日雨量が流入し、ステップ３０２で入力した日減水深が流出するとして、毎日の各水田１１２の日平均水位を予測する。各水田１１２における上記日平均水田水位、ステップ３０２で入力した当日の稲の品種・生育時期、当日から４日先までの日平均気温，日平均水温に基づいて、水稲被害率データベース２０３の前件部条件から類似する事例を検索し、対応する後件部を各水田１１２の未被害部分に対する被害率として決定する。各水田１１２ではステップ３０２で入力した初期被害率がもともと存在していたことに鑑みて、各水田１１２において最終的に予想される水稲被害率を下式（１）により計算する。
被害率＝初期被害率＋（１００−初期被害率）×未被害部分に対する被害率
・・・・・・・・・・・・・（１）
最後に各水田１１２の水田面積比に応じた加重平均をとって、大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率を算出する。
【００２４】
処理プログラム２０１の次のステップ３０５では、最新の解に対応する大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率と、前回の解に対応する上記平均水稲被害率とを比較し、解の収束判定を行う。即ち、その差が所定の微小値未満であれば収束したと判断してステップ３０７に進み、差が所定値以上であれば収束していないと判断してステップ３０６に進む。但し、最初の収束判定では、ステップ３０３において設定された初期解しかないため、無条件にステップ３０６に進む。
ステップ３０６では、大規模水田地域１１４全体としての平均水稲被害率が小さくなる方向に進むように、ステップ３０３において設定された初期解またはステップ３０６において決定された解の修正を行う。これは、例えば滑降Simplex法等の適当な非線型最適化手法を用いればよい。なお、滑降Ｓimplex法とは、解（配分計画）空間上において、解の次元数（この場合、配分すべき水田数）＋１個の解（配分計画）を設定し、それぞれの解に対する評価値（この場合、平均水稲被害率）を算出し、最も被害率の高い最悪解を、残りの解の重心に対して反対側に折り返し（反射）、または残りの解の重心に対して反対側に２倍の距離に折り返す（膨張）などして、最悪解の改良を行い、これを繰り返すことにより最終的に最適解に辿り着く方法である（「ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＲＥＣＩＰＥＳ ｉｎ Ｃ」技術評論社発行）。
【００２５】
以下、解が収束するまでステップ３０４〜３０６を繰り返す。
最終的に得られた解、即ち当日から４日先までの各水田１１２への日水配分量を、各日ごとに、各水田地域ごとに積算して、当日から４日先までの，水源池１０１からの親揚水機場１０２の日揚水量，各貯水池１０５への日水配分量（＝各貯水池１０５からの子揚水機場１０６の日揚水量），各水田１１２への日水配分量を算出し、計画量としてユーザに対して表示を行う（ステップ３０７）。
このようにして、先ずステップ３０３で適当に各水田への日水配分量の初期値を設定した後、ステップ３０４で被害率を算出し、ステップ３０５で収束しなかった場合には、ステップ３０６で水配分量を変えて、被害率が小さくなるように変化させ、この処理を繰り返して被害率を最小にし、収束させるのである。
【００２６】
次に、上述の方法による最適水配分結果の一例を、図５に示す。
ここでは、１ｈａ水田×３０枚の複数水田群に対して、当日から４日先までの日平均気温１５℃，日平均水温１８℃，日雨量０ｍｍとして冷害の到来を仮定し、当日から４日先までに利用可能な総用水量２１，０００トン（１水田当り平均７０ｍｍ）として、水田地域全体としての水稲被害量が最小となるように水配分を行った。最適水配分の傾向を把握しやすくするため、３０枚の水田に１〜３０までの番号を付け（横軸の水田番号参照）、１〜１０番の水田は穂ばらみ前期（冷害最危険期：深水灌漑の必要性高い），１１〜３０番の水田は穂ばらみ中期（冷害危険期：深水灌漑の必要性普通）とし、更にそのうちの２１〜３０番の水田のみ既に２０％の水稲生育被害を受けているものとした。
【００２７】
図５において、棒グラフの高さ寸法が各水田への最適配分結果（水深換算）を示している。前述した本発明の水配分指針▲１▼が示すように、冷害最危険期にある１〜１０番の水田に対して優先的に水配分が行われ、また水配分指針▲２▼が示すように、既に生育被害を受けている２１〜３０番の水田に対してはほとんど水配分が行われておらず、結果として水配分指針▲１▼▲２▼が適正に実行できていることが判る。
また、図５において、□が最適配分時の各水田の被害率を、〇が均等配分時（各水田とも７０ｍｍ）の各水田の被害率を示している。これから明らかなように、冷害最危険期にある１〜１０番の水田では優先的に水配分が行われたため、冷害をある程度回避でき、均等配分時に比べて３０％程度稲の生育被害の軽減を図ることができた。その結果、均等配分時の水田平均被害率３８．４％に対し、最適配分時の平均被害率３４．６％となり、水田地域全体として３．８％の被害軽減（収量向上）が図られている。
【００２８】
上述のようにして、ＣＰＵ２２１において、処理プログラム２０１により、各水田地域１１３および各水田１１２への最適水配分量が計画される。
次に、施設機器制御処理プログラム２０２によって実現される，親揚水機場１０２，分水装置１０４，子揚水機場１０６，および給水バルブ１０８の自動制御を行う処理（２）について、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の一実施例を示す施設機器制御処理プログラムの動作フローチャートであって、ステップ３０１，３０４，３０７，３１０の各処理を圃場潅漑コンピュータ（水管理装置）１１０のＣＰＵ２１１が行い、ステップ３０２，３０３の各動作を親揚水機場１０２のポンプが行い、ステップ３０５，３０６の各動作を分水装置１０４が行い、ステップ３０８，３０９の各動作を子揚水機場１０６のポンプが行い、ステップ３１１，３１２の各動作を各水田の給水バルブ１０８が行う。
処理プログラム２０２では、処理プログラム２０１において決定された各日計画揚水量，各日計画水配分量を実現するように、毎日所定時刻以降、上記データ測定周期と同じタイミングで、各施設機器１０２，１０４，１０６，１０８の操作量を決定し、各施設機器に対して制御信号の送信を行う。
【００２９】
処理プログラム２０２では、先ず初めに、当日の水源池１０１からの親揚水機場１０２の日計画揚水量と、親揚水機場１０２において測定される親揚水機場１０２の当日現在までの総揚水量の実績量とを比較し（ステップ３０１）、計画量＞実績量であれば、親揚水機場１０２のポンプ運転を行い（ステップ３０２）、計画量≦実績量であれば、親揚水機場１０２のポンプ運転を停止する（ステップ３０３）。これにより、上記日計画揚水量分だけの灌漑用水が水源池１０１より取水され、大規模水田地域１１４に対して供給されることになる。
【００３０】
処理プログラム２０２の次のステップでは、当日の各貯水池１０５への日計画水配分量と、各分水装置１０４にて測定される各貯水池１０５への当日現在までの総水配分量の実績量とを比較し（ステップ３０４）、計画量＞実績量であれば、各貯水池１０５ごとの未だ供給されていない残りの日計画水配分量（＝日計画水配分量−実績量）を算出し、各貯水池１０５に対して、それぞれの上記水配分残量に比例した水供給を行うように、各分水装置１０４の制御を行う（ステップ３０５）。計画量≦実績量であれば、該貯水池１０５への水供給を停止するように、対応する分水装置１０４の制御を行う（ステップ３０６）。これにより、上記日計画水配分量分だけの灌漑用水が各貯水池１０５に対して供給されることになる。
【００３１】
処理プログラム２０２の次のステップでは、当日の各貯水池１０５からの子揚水機場１０６の日計画揚水量（＝当日の各貯水池１０５への日計画水配分量）と、各子揚水機場１０６において測定される子揚水機場１０６の当日現在までの総揚水量の実績量とを比較し（ステップ３０７）、計画量＞実績量であれば、対応する子揚水機場１０６のポンプ運転を行い（ステップ３０８）、計画量≦実績量であれば、対応する子揚水機場１０６のポンプ運転を停止する（ステップ３０９）。これにより、上記日計画揚水量分だけの灌漑用水が各貯水池１０５より揚水され、各末端水田１１２に対して給水されることになる。
【００３２】
処理プログラム２０２の次のステップでは、当日の各水田１１２への日計画水配分量と、各給水バルブ１０８にて測定される各水田１１２への当日現在までの総給水量の実績量とを比較し（ステップ３１０）、計画量＞実績量であれば、対応する給水バルブ１０８の開放を行い（ステップ３１１）、計画量≦実績量であれば、対応する給水バルブ１０８の閉鎖を行う（ステップ３１２）。これにより、上記日計画水配分量分だけの灌漑用水が各末端水田１１２に対して給水されることになる。
【００３３】
上述のようにして、ＣＰＵ２２１において、処理プログラム２０２により、処理プログラム２０１において計画した最適水配分が実現されるように、各施設機器１０２，１０４，１０６，１０８の自動制御が行われる。
上述のように、本発明の実施形態によれば、十分な量の灌漑用水が利用できないような水田地域においても、各水田・水田地域に対する適正な水配分量を事前に計画し、上記水配分を実現するように各施設機器の制御を行うことにより、水田地域全体としての稲の品質向上・高収量化を図るような水田灌漑が可能となる。なお、本発明においては、複数の圃場からなる１圃場地域を対象にした場合でも、１圃場地域全体としての品質向上と高収量化が可能であり（請求項１〜３対応）、さらに、複数の圃場地域を対象にした場合でも、全体の圃場地域としての品質向上と高収量化が可能である（請求項４，５対応）。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、十分な量の灌漑用水が利用できない場合において、水不足の影響を受けやすい生育時期の水田に対して優先的に水配分を行っているので、個別の圃場ごとにみれば作物の生育悪化や減収が発生する圃場が生じる可能性はあるが、優先配分された圃場では水不足の影響を大幅に受けにくくなり、大規模水田地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることが可能となる。また、未被害の圃場に対して優先的に水配分を行っているので、既に作物が被害を受けており十分な収穫が見込めないような圃場に対して過剰な水配分が行われなくなり、その分の灌漑用水を他の圃場に対して有効利用できるため、大規模圃場地域全体としての作物の品質向上・高収量化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される水田灌漑システムの全体構成図である。
【図２】本発明の一実施例を示すコンピュータ内部の機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施例を示す最適水配分量計画処理プログラムの動作フローチャートである。
【図４】稲の被害率とその前提条件を格納したデータベースの説明図である。
【図５】本発明の最適水配分計画処理に基づく複数水田への最適水配分結果の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施例を示す施設機器制御処理プログラムの動作フローチャートである。
【符号の説明】
１０１…水源池、１０２…親揚水機場、１０３…幹線系パイプライン、
１０４…分水装置、１０５…貯水池、１０６…子揚水機場、
１０７…給水パイプライン、１０８…給水バルブ、１０９…水位計、
１１０…コンピュータ、１１１…データ伝送路、１１２…水田、
１１３…水田地域、１１４…大規模水田地域、２２０…表示装置、
２１１…ＣＰＵ、２１２…ＲＡＭ、２１９…入力装置、
２１３…ハードディスク、２１４…ＦＤ、２１５…ＭＯ、２１６…ＤＶＤ、
２１７…ＣＤ−ＲＯＭ、２１８…ＲＡＭカード、
２０１…最適水配分量計画処理プログラム、
２０２…施設機器制御処理プログラム、２０３…水稲被害率データベース。
Claims (4)
- 複数の田圃からなる田圃地域の各田圃ごとに設置された給水装置を制御して、各田圃への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、
上記田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃に対して水分配するときには、良好な作物の品質・収量等が見込まれる田圃に対して優先的に水配分を行うか、または水不足の影響を受けやすく生育時期の田圃に対して優先的に水配分を行うようにして、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、
上記水配分量に基づいて上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする田圃灌漑システム。 - 複数の田圃からなる田圃地域の各田圃ごとに設置された給水装置を制御して、各田圃への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、
上記田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃に対して水配分するときには、各田圃の作物の品種、現在の生育時期、気温、水温、水位、および上記状態の継続日数と各田圃に発生する予測被害率との関係と、各田圃に既に存在する現在の初期被害率と上記予測被害率とから各田圃の最終的な予測被害率を算出する算出式とに基づき、各田圃の面積比に応じた上記最終的な予測被害率の加重平均をとったときの田圃地域全体の最終的な平均予測被害率を最小にするときの各田圃への所定期間中の水配分量を求解して、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、
上記水配分量に基づいて、上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする田圃灌漑システム。 - 複数の田圃からなる田圃地域が複数ある場合の各田圃地域に分水するための分水装置を制御して、各田圃地域への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、
上記全田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃地域に対して水配分するときには、良好な作物の品質・収量等が見込まれる田圃地域に対して優先的に配分を行うか、または水不足の影響を受けやすい生育時期の田圃地域に対して優先的に配分を行うようにして、各田圃地域への水配分量を決定する水配分量決定手段と、
上記水配分量に基づいて上記各分水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする田圃灌漑システム。 - 複数の田圃からなる田圃地域が複数ある場合の各田圃地域に分水するための分水装置を制御して、各田圃地域への灌漑を行う田圃灌漑システムにおいて、
上記全田圃地域に対して所定期間中に利用可能な総灌漑用水を所定値で分割し、各田圃地域に対して水配分するときには、各田圃の作物の品種、現在の生育時期、気温、水温、水位、および上記状態の継続日数と各田圃に発生する予測被害率との関係と、各田圃に既に存在する現在の初期被害率と上記予測被害率とから各田圃の最終的な予測被害率を算出する算出式とに基づき、各田圃の面積比に応じた上記最終的な予測被害率の加重平均をとったときの田圃地域全体の最終的な平均予測被害率を最小にするときの各田圃への所定期間中の水配分量を求解し、上記求解された各田圃への所定期間中の水配分量を各田圃地域ごとに合計して、各田圃への水配分量を決定する水配分量決定手段と、
上記水配分量に基づいて、上記各給水装置を動作させる制御手段とを有する田圃灌漑水管理装置を設置したことを特徴とする田圃灌漑システム。
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