内蒙古中部牧区青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度优化

灌溉制度设计与作物种植模式紧密联系,随着现代农业的发展,作物种植模式日益多元化,各种间作、混作和立体种植模式的出现,给优化灌溉制度的制定提出了新的挑战.本文在田间灌溉试验的基础上,引入模拟灌溉制度的ISAREG模型研究立体种植模式下的灌溉制度,对青贮玉米与苜蓿立体种植实际灌溉制度的评价表明,其灌水定额和灌水时间均存在不适宜的问题,需要进行优化设计;在验证模型和参数率定的基础上模拟多种灌水方案,得出了青贮玉米与苜蓿立体种植模式下的优化灌溉制度.     

渠井结合灌区农户灌溉用水模型的构建与应用

在水文模型中耦合准确模拟农户灌溉用水行为的模块可以构建更符合实际的灌区水循环模型,可以定量计算农户灌溉用水对渠井结合灌区水循环的影响。以典型渠井结合灌区——陕西省宝鸡峡灌区为研究区,采用问卷调查与访谈的方式收集了大量的农业生产和农户灌溉用水数据,在深入分析灌溉用水影响因素互馈关系和渠井结合灌区水循环特征的基础上,采用Python语言构建了渠井结合灌区农户灌溉用水模型（HCLU模型）,该模型由水文、作物、农户生计和灌溉行为4个模块组成,可以概化灌溉用水的各个环节并实现农户灌溉行为与水文物理过程之间的紧密耦合,定量计算灌溉水源、灌溉定额、灌水时间和灌溉方式等对灌区水循环的影响,模拟作物产量与灌溉量的关系,为灌区水资源可持续管理和农业种植结构的调整提供强有力的技术支撑。     

关中灌区小麦、玉米高产节水灌溉的几个指标确定

对陕西省洛惠渠灌区、宝鸡峡灌区试验站多年积累的大量试验资料进行了系统整理和分析,确定了作物灌溉湿润层深度,适宜的土壤水分指标,基本的灌溉方式以及灌水定额等这些作为作物灌溉基本依据的具体指标.研究结果对于陕西省关中地区主要种植作物--小麦、玉米在作物稳产高产的前提下实现节水灌溉具有重要的现实和指导意义.     

基于AquaCrop模型的有机稻灌溉制度优化

随着人们对提高农业生产效率方法的不断探索,水稻生产模式正发生很大变化,并由化肥农药高投入的传统农业向生态环保的有机农业转变,但有机稻需耗水特性及其适宜的灌溉制度研究较少。为揭示有机稻耗水规律及不同降水年型下的灌水与产量关系,2015-2016年在湖北省漳河灌区开展了有机稻灌溉试验研究,统计分析了有机稻与普通稻的需耗水差异,获得了有机稻耗水及其产量特性,提出了基于Aqua Crop模型与熵值法耦合的有机稻灌溉制度多目标多情景优化方法。结果表明:1)有机稻与普通稻需水量无显著差异,但前者的排水量显著高于后者,且前者排水中的氮磷浓度均显著降低。有机稻产量为普通稻产量的84%,但单方灌水产值高28.5%(P0.05),具有显著的经济效益。2)优化后中国南方灌区有机稻适宜的优化灌溉制度为:枯水年,108%(以RAW计,下同)的土壤含水率控制下限、30 mm的灌水定额、灌水8~9次,平水年113.85%的土壤含水率控制下限、32.31 mm的灌水定额、灌水6~7次;丰水年,116.92%的土壤含水率控制下限、32.31 mm的灌水定额、灌水3~4次。该文为选择节水、高产的有机稻灌溉方案提供参考。     

多作物种植结构和灌溉水量优化模型及算法研究

在综合考虑作物灌溉水量、种植面积、水分生产函数、产量反应系数、水分敏感指数等因素基础上, 以实现灌区作物总产量最大为目标函数, 建立了多作物种植结构和灌溉水量优化分解协调模型, 设计了改进实码遗传算法与分解协调迭代算法相结合的模型求解算法, 并利用中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站多年试验数据, 运用上述模型和算法对玉米、小麦联合种植的种植结构、灌溉水量以及玉米、小麦灌溉制度进行了优化计算。结果表明: 产量反应系数大的作物分配的灌溉水量和种植面积大, 且随灌溉水量增加其增产速度越快; 当作物某些生育阶段灌水前的潜在腾发量与可供利用水量的差值相差不大时, 水分敏感指数大的作物生育阶段获得灌溉水量较多, 反之, 即使水分敏感指数大的作物生育阶段也有可能分配不到更多的灌溉水量。这一结果与作物产量反应系数的几何意识、边际效益递减规律等理论以及节水增收初衷相符合, 充分说明模型在实现灌区有限水资源在多作物间和各作物生育阶段优化分配的同时, 实现了灌区多作物种植结构优化, 具有较强推广价值。改进实码遗传算法克服了传统实码遗传算法计算精度低、易早熟、求解结果不能严格满足等式约束等缺陷, 能够搜索到严格满足约束条件的模型最优解, 表明该改进实码遗传算法在解决这类包含等式和不等式约束的最优化问题上具有一定应用价值。分解协调迭代算法能使模型在允许迭代误差范围内收敛, 能够获得使模型整体效果较为理想的最优解, 表明分解协调迭代算法在求解复杂大系统优化问题上具有很好的应用前景。     

考虑地面灌水技术制约的灌溉制度优化

制定作物灌溉制度不仅要考虑补充根层土壤水分以满足作物需求，还应考虑灌水方法对灌水量的限制。为研究我国华北地区地面灌溉条件下冬小麦－夏玉米连作的节水灌溉制度，在河北省雄县进行了连续3年不同灌水处理试验，用水量平衡模型ISAREG对各处理进行数值模拟，从而验证了选定的模型和参数。采用该模型模拟了不同水文年冬小麦－夏玉米连作的多种灌溉制度，对各方案的灌水次数、灌水量、降雨和灌溉水量损失以及作物产量等因素进行了对比，并对现行灌溉制度进行了评价。结果显示：雄县现行灌溉定额大大超过了灌溉需水量，主要原因是地面灌水技术的制约，如田面不平、进地流量过小或畦块过大等，造成难以控制小水量灌溉。为研究既能满足作物基本需水要求，又使灌溉水量损失最小的最佳灌水定额，用模拟地面灌溉水流运动的SRFR模型模拟不同生长阶段的灌溉，得到了每次灌溉时不同流量条件下的最小灌水量，以及灌水效率与灌水量的关系，据此提出了与灌水技术改进措施相结合的不同水文年的灌溉制度优化方案。     

人民胜利渠灌区净灌溉需水量时空变异及影响因子分析

为了揭示人民胜利渠灌区农业净灌溉需水量的变化规律,明确作物种植面积、降水以及潜在蒸散量对农业净灌溉需水量的影响程度,利用面向对象的变化检测方法提取人民胜利渠灌区作物种植面积信息,基于土壤水分动态随机模型构建农业净灌溉需水量计算模型,并对主要环境因素进行敏感性分析。结果表明:2005-2015年人民胜利渠灌区农业净灌溉需水量介于5.76×10~8~6.97×10~8 m~3之间,呈波动变化,西南、东北地区农业净灌溉需水量较高;潜在蒸散量是该灌区净灌溉需水量变化的决定性因素,敏感性变化幅度为22.5%,降水参数影响其次,日降水频率贡献率更大,敏感性变化幅度为-16.4%,作物种植面积对其影响较小,敏感性变化幅度在5%以下。研究结果对人民胜利渠灌区农作物种植结构调整和农业用水量合理配置具有参考意义。     

基于模拟技术及遗传算法的作物灌溉制度优化方法

通过土壤水量平衡模型对作物生育期内的土壤含水率及田间腾发过程进行动态模拟,并利用作物水分生产函数的Jensen模型估算作物产量,建立了以灌溉日期为决策变量、最大相对产量为决策目标的灌溉制度优化模型,并采用保留最佳个体的遗传算法求解作物最优灌溉制度。结合山西潇河灌区2003年冬小麦返青后的实际气象状况,用上述模型对冬小麦灌溉制度进行了优化与分析。对动态规划、单纯形搜索法及遗传算法的求解结果进行了比较,表明保留最佳个体的遗传算法能搜索到全局最优解,且结果稳定。不同情况下的灌溉制度优化结果表明抽穗初期是冬小麦的生长关键期,其次是拨节期。随着灌溉水量的增加,最优灌溉制度下的田间腾发量及冬小麦产量也相应增加,但增加幅度逐渐减小。     

基于复杂种植结构多情景分析的灌区多目标多水源优化配置

为改善多水源灌区农业用水供需矛盾,通过合理调整种植结构,优化灌区水资源配置,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象,将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数,兼顾灌区生态安全约束,构建了基于种植结构优化的多目标多水源优化配置模型,针对作物熟制、作物种类、种植制度以及灌溉方式设置了8种不同的种植结构优化情景,通过自主改进的基于精英策略并协遗传算法（NSGAⅡ-S）对模型求解,获得不同情景下的水资源优化配置方案。结果表明：应用模型进行水资源配置后,各情景配水总量均有所减少,其中水库配水量高于其他水源的配水量,水库水、引黄水和引江水均达到用水总量控制目标,民有分区的各计算单元间的配水量变化明显,总配水量高于滏阳河分区;适当压减主要依靠抽取地下水灌溉的冬小麦的播种面积,变灌溉农业为旱作雨养农业,可以极大地减少地下水用量,增加灌区经济效益;最佳的种植结构优化方案为CS₄（削减冬小麦的种植面积,种植苜蓿,灌溉方式采取管灌或喷灌）,该方案冬小麦播种面积压减17.10%,地下水开采量减少了16.42%,灌区的经济效益增加了26.41%,在保证配水总量最小的同时,具有更高的经济效益。该研究所构建的多目标多水源优化配置模型和作物配水结果可为类似地区的水资源配置提供参考。     

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。     

畦田灌水质量评价及水分利用效率分析

畦田灌水质量是影响作物产量和水分利用效率的重要因素。针对现有评价灌水质量存在工作量较大的问题,根据田间实测资料,利用SIRMOD模型、SRFR模型和田间实测方法分别计算灌水效率和灌水均匀度,结果表明根据较少的观测资料利用SIRMOD模型或SRFR模型也可对畦田灌水质量进行评价。根据模拟结果初步得出了在一定条件下单宽流量、平整精度和田面坡度对灌水质量的影响规律,并对不同规格畦田小麦全生育期的平均灌水质量对产量和水分利用效率的影响进行了分析,得出畦长45 m,畦宽分别为5.0和7.5 m的畦田在获得较高产量的条件下,水分利用效率由现状的1.10 kg/m3分别提高到1.38 kg/m3和1.35 kg/m3,从田间试验角度论证了对灌区较大规格畦田进行缩块改造的必要性。     

基于变量灌溉数学模型的决策支持系统研究

依据农田内土壤含水率的差异性,有针对性地进行变量灌溉,既可节约用水又可提高经济效益。该变量灌溉决策支持系统依靠地理信息系统由不同采样点实际测量土壤含水率,利用土壤水分预报数学模型,预测田块实时的土壤含水率,通过与作物的轻旱指标、重旱指标比较可决定是否灌溉。灌溉量可以根据耗水-产量模型,通过经济效益分析来决定,进而通过决策支持系统生成冬小麦的灌溉处方图和系统聚类分析图,为变量灌溉提供指导。     

河网区灌溉水利用系数的尺度转换

大尺度灌区灌溉水利用系数的测定条件难以保障,而小尺度灌区的灌溉水利用系数可以通过试验测定,如何通过小尺度灌区的灌溉水利用系数来预测大尺度灌区的灌溉水利用系数,就有必要对灌溉水利用系数的尺度转换问题进行研究。河网灌区的特点是没有统一的水源引水口,通常是由若干个小灌区合并成一个大灌区,是一个典型的自相似系统。论文以地处里下河水网地区的盐城市水稻灌区作为研究对象,于2012-2013年对9个县区不同规模的样点灌区进行了灌溉水利用系数的试验观测,利用分形理论研究了河网灌区的分形特征,运用盒维数法计算了盐城市河网灌区和不同尺度灌区的盒维数,其盒维数介于1.703~1.996之间,并随着面积尺度的增加而增大。基于灌溉水利用系数与灌区面积、盒维数的相关性,建立了河网灌区灌溉水利用系数尺度转换模型,并通过验证,表明该尺度转换模型能够较好地预测河网灌区灌溉水利用系数,同时也能够很好地实现灌溉水利用系数的尺度转换,为分析河网灌区灌溉水利用系数及其尺度效应提供了新途径。     

基于PWM技术的大型变量喷灌机整机水力性能研究及优化

基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术的变量喷灌机虽然能实现更精细的地块水分管理，但因实现变量的电磁阀的持续开闭动作，喷灌机主输水管道内流量呈现持续的阶跃变化，进而导致变量喷灌过程中存在压力脉动和机械激振现象。该研究基于Matlab/Simulink，对基于PWM技术的大型变量喷灌机在变量喷灌过程中的压力脉动进行了研究分析及改善优化。针对已研制的基于PWM技术的大型变量喷灌机实体系统，首先构建了其关键器件和整机的水力模型，并验证了模型的正确性。然后基于所建模型，对变量喷灌机的压力脉动进行了分析，得到了变量喷灌过程中的压力脉动规律，进而提出了PWM脉冲相位错开的缓减方法，并介绍了该方法的3种具体实施方式，即"站间"错相、"站内"错相和"站间+站内"错相。最后在实现了PWM脉冲相位错开的变量喷灌机整机水力模型上进行仿真分析，证明了所提3种错相方式均可明显减小变量喷灌过程中的压力脉动幅度，同时也可有效提高泵站的利用率。此外，通过在实现了PWM脉冲相位错开的变量喷灌机实体系统上开展田间试验，进一步验证了所提PWM脉冲相位错开方法对于缓减压力脉动和机械激振的有效性。且田间试验结果表明，在采用PWM脉冲相位错开方法时，变量喷灌机仍然具有较好的喷洒均匀性和变量灌溉控制误差。该研究成果不仅能为基于PWM技术的变量喷灌提供较平稳的压力条件从而保障变量喷灌控制精度，还能减小因压力脉动引起的机架激振从而保障设备安全。     

灌溉渠系优化配水研究

介绍了灌溉渠系优化配水模型的研究进展,并从模型参数、输配水技术和管理体制等方面分析了优化配水难以在灌区实施的原因,指出实行优化配水还必需加强田间试验,完善渠道量水设施,提高量水技术,建立适应现行管理体制的配水模型,同时继续推进灌溉管理体制改革。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

多级灌溉渠系配水优化编组模型与算法研究

合理安排各级渠道的配水时间和流量,实现灌溉渠系大流量短历时输配水,减小整个渠系的渗水损失,是目前灌区管理中亟需解决的技术问题.该文基于大系统分解协调的思想,以陕西省冯家山灌区为例,建立了一种解决多级渠系配水优化编组问题的分解协调模型.针对模型中存在多约束条件和大搜索空间问题,设计了基于自适应遗传算法模型求解方法,并比较分析了用该文方法与传统方法确定的配水编组方案性能,结果表明该文确定的算法能实现多约束条件下模型的稳定快速求解,确定的优化配水方案下级渠道配水过程搭配合理,上级渠道配水流量较为均匀且总输水损失小等优点,能解决多级渠系配水优化编组问题,可满足灌区管理需要.     

考虑灌溉参数空间变异的区域畦灌模拟与验证

精确评估区域畦田灌水质量有助于提高农田灌水管理水平,而具有空间变异性的灌溉参数如何有效表征是影响区域畦田灌水质量精确模拟评价的关键因素。为此,该研究的目的在于借助Monte-Carlo抽样,建立考虑畦灌参数空间变异性的区域畦灌模拟方法。采用Monte-Carlo抽样将具有空间变异性的区域灌溉参数(如入畦单宽流量、土壤砂粒含量、黏粒含量、土壤容重等)离散表征为若干个灌溉参数样本,依次输入田块尺度畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型,以模拟评价区域畦灌过程。基于3次区域畦灌试验的实测数据和1个对比的确定性畦灌模拟方法,验证建立的模型的模拟效果。结果表明,所建模拟方法与确定性模拟方法模拟计算的灌水效率和灌水均匀具一定差异,所建模型的模拟值与实测值间的灌溉定额和田间水利用系数相对误差分别为9.95%~12.23%和8.39%~10.21%,而基于现有模型的相对误差则分别为14.15%~16.78%和13.87%~15.88%,畦田平均土壤含水率实测值与所建模型模拟值的累积分布趋势表现出良好的一致性。上述指标表明所建模拟方法有效缩小了区域灌溉参数空间均化处理所带来的模拟误差范围较大等问题,为区域畦田灌溉优化设计和管理提供了技术支撑。     

微灌果园灌溉制度实时制定

我国微滴灌面积已达13.3万hm²,并且目前的发展势头非常迅猛,而对工程建设后的灌溉管理重视不够,灌溉系统运行管理研究相对滞后,尤其是灌溉制度的实时制定技术。该文研究了一种面向用户的果树微灌实时灌溉制度制定的技术体系,通过“看天、看地、看作物”三要素来实时制定灌溉制度,并详细论述了实施步骤。该技术可为果树灌溉管理提供切实可行的技术途径     

基于ET和水量平衡的日光温室实时精准灌溉决策及控制系统

为提高日光温室的灌溉水利用效率,充分发挥现有灌溉决策理论的指导作用,该文构建了基于ET和水量平衡方法的实时精准灌溉决策及控制系统。以句容布戴庄村樱桃番茄温室为试验对象,给出了利用ET和水量平衡方法的灌溉决策实施过程,即当田间蒸发蒸腾总量大于土壤中可供作物利用水分时触发灌溉,灌水量等于自上一次灌溉起蒸散量的总和。采用Java语言开发了灌溉决策软件ETSch,可实现以温室内气象数据为基础对不同地点的灌溉决策项目进行管理;设计了温室精准滴灌系统并研制了基于单片机的灌溉控制器软硬件,通过ETSch软件与控制器的连接,建立了从田间气象信息获取到灌溉决策软件运行,再到灌溉及控制系统的集成化自动精准灌溉模式。试验结果表明,该实时精准灌溉决策及控制系统的平均灌水总量控制平均误差为1.1%,系统运行稳定,节约人工;尽管采用ET和水量平衡方法低估了实际土壤含水率,但总体趋势一致,能实现合理有效的灌溉决策。该研究可为实现灌溉决策和控制系统的集成提供参考,为进一步提高灌溉效果和用水效率提供借鉴。