考慮未來降水的南方水稻灌溉風(fēng)險決策節(jié)水效果分析

曹靜靜，羅玉峰，崔遠(yuǎn)來，譚君位，羅童元，劉 夢(. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 43007；.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 0098)

我國92%以上的稻田分布在南方濕潤區(qū)，水稻的灌溉用水量占南方總灌溉用水量的90%上[1]。雖然南方濕潤區(qū)降水較多，水資源相對豐富，但是近年來工業(yè)及城鎮(zhèn)需水量日益增長，農(nóng)業(yè)灌溉用水呈下降趨勢。為保障我國水安全和糧食安全，南方水稻生產(chǎn)也必須節(jié)水。最大限度利用降雨是有效節(jié)水灌溉措施之一。

在節(jié)水灌溉實(shí)踐中，最大限度有效利用降水已經(jīng)被認(rèn)為一個有效的節(jié)水灌溉策略[2]。Rochester和Busch[3]早在1972年就嘗試將天氣預(yù)報應(yīng)用到灌溉管理中，后續(xù)也有較多地研究性嘗試[4-6]。黃俊友[7]通過對江蘇省水稻灌溉，提出了通過蓄存雨水來最大限度地利用雨水灌溉能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益；呂露[8]等提出了提高雨后蓄水上限，深蓄降水又不影響作物生長的情況下可減少灌溉用水量；這些都是在降雨后對雨水的蓄存來進(jìn)行利用。侯靜文[9]等通過對降雨預(yù)報準(zhǔn)確度分析提出了中雨預(yù)報時如作物需水可在計算需灌水量的基礎(chǔ)上稍微減少一些加以灌溉。崔遠(yuǎn)來[10]等提出根據(jù)降雨中短期預(yù)報，充分利用降雨量，可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的；在水稻實(shí)時灌溉的研究中也考慮了未來3～5 d的預(yù)報降雨[11]。但是如果利用天氣預(yù)報中的降水預(yù)報以及利用降水所能產(chǎn)生的節(jié)水效果也未做定量分析。以廣西青獅潭灌區(qū)為例，提出一種考慮未來降水進(jìn)行水稻灌溉風(fēng)險決策，并推求水稻灌溉制度，定量分析節(jié)水效果。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù) 據(jù)

青獅潭灌區(qū)是廣西桂林的大型灌區(qū)，設(shè)計灌溉面積2.92萬hm2。桂林氣象站位于灌區(qū)中心，東經(jīng)110°18′，北緯25°19′，海拔高度164.4 m，氣候溫和，年平均氣溫為19.3 ℃，多年平均降雨量1 949.5 mm。從“中國天氣”網(wǎng)站(http:∥www.weather.com.cn)收集到2013-2014年水稻生育期逐日對未來7 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)收集相應(yīng)時段桂林站地面累年值日值數(shù)據(jù)集。天氣預(yù)報數(shù)據(jù)則包括逐日對未來7 d的天氣預(yù)報以及日最高氣溫和日最低氣溫；歷史氣象數(shù)據(jù)包括平均風(fēng)速、日照時數(shù)平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對濕度、降雨量。

1.2 作物需水量計算

采用單作物系數(shù)法計算水稻的逐日耗水量[12]：

ETct=KctET0t

(1)

式中：ETct為第t天的耗水量，mm；Kct為第t天的作物系數(shù)。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，初始、中期和末期Kct值分別取為1.05，1.63和1.03，初始(Initial)、發(fā)展(Development)、中期(Middle)和末期(Late)4個階段的生育天數(shù)早稻分別為：13、20、35、30 d；晚稻分別為：10、20、30、30 d。分別為30、19、51和27 d。以此構(gòu)建單作物系數(shù)曲線。由Penman-Monteith公式計算ET0：

(2)

式中：ET0t為第t天參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高度處的風(fēng)速，m/s；es和ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，kPa/℃；γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃。凈輻射可以根據(jù)凈短波Rns減去凈長波輻射Rnl計算。

1.3 灌溉制度推求

水稻灌溉制度推求步驟如下[13]：

(1)從插秧后算起，水稻生育期中第t天灌溉需水量的計算過程如下：采用單作物系數(shù)法和ET0值確定第t天的水稻需水量；根據(jù)青獅潭灌區(qū)的土壤類型，稻田滲漏量平均為3 mm/d，由以上數(shù)據(jù)計算第 天的灌溉或排水前的稻田蓄水量：

S′t=St-1+Rt-ETct-Pt

(3)

式中：S′t為第t天的灌溉或排水前的稻田蓄水量，mm；St-1為第t-1天末的稻田蓄水量，mm；Rt為第t天的降水量，mm；Pt為第t天的滲漏量，mm。

(2)第t天的灌溉需水量或排水量計算，方法如下：如果灌溉或排水前的稻田蓄水量符合下述灌溉決策的標(biāo)準(zhǔn)(因灌溉模式和灌溉策略不同而不同)，則進(jìn)行灌溉；如果灌溉或排水前的稻田蓄水量大于該生育期的最小水層深度，且小于或等于該生育期的最大允許水層深度，則不灌溉也不排水；如果灌溉或排水前的稻田蓄水量大于該生育期的降雨后最大允許蓄水深度，則進(jìn)行排水。即：

(4)

(5)

式中：It為第t天的灌溉需水量，mm；Dt為第t天的可排水量，mm；Sdt、Smt、Sut分別為第t天的最小水層深度、灌溉后最大允許水層深度和降雨后最大允許蓄水深度，mm(表1，根據(jù)文獻(xiàn)[13]和青獅潭灌區(qū)實(shí)際情況確定)。

(3)假設(shè)嚴(yán)格按照以上計算值進(jìn)行灌溉和排水，則第t天末的田間蓄水量為：

St=S′t+It-Dt

(6)

(4)重復(fù)以上步驟，計算出各年的逐日灌溉需水量，整理得到整個生育期的灌溉制度。

1.4 灌溉模式

考慮2種灌溉模式，即常規(guī)的淹水灌溉(簡稱淹灌)和間歇灌溉模式。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，淹灌各生育期(適宜水層下限～適宜水層上限～降雨后最大蓄水深度)以及間歇灌溉的控制水深和可旱天數(shù)如表1所示。對于淹灌，當(dāng)田間水層深度達(dá)到Sdt灌溉，灌后的水深為Smt；遇到降雨，可蓄雨最大深度為Sut。對于間歇灌溉，如果根據(jù)脫水天數(shù)來確定是否需要灌溉，灌后的水深為Smt；遇到降雨，可蓄雨最大深度為Sut。

1.5 灌溉決策策略

對于常規(guī)灌溉決策(常規(guī)決策)，如果田間水層深度或脫水天數(shù)達(dá)到需要灌溉的下限，則進(jìn)行灌溉。這種情況如果未來短期內(nèi)有降雨，則灌溉水至少部分浪費(fèi)，降低田間灌溉水利用率。隨著天氣預(yù)報精度的提高，可利用天氣預(yù)報修正灌溉決策，避免因灌后遇雨造成的灌水浪費(fèi)，提高有效降水和灌溉水分利用效率。當(dāng)然天氣預(yù)報中存在降雨空報的現(xiàn)象，當(dāng)預(yù)報有雨不灌等雨而實(shí)際并未下雨可能造成作物受旱減產(chǎn)。綜合考慮2個方面的風(fēng)險，因此提出考慮未來天氣預(yù)報的灌溉決策策略，即風(fēng)險決策：①若未來3 d內(nèi)有中雨及以上等級的降雨，則不灌溉；②若未來3 d內(nèi)無中雨及以上等級的降雨，但未來4～5 d內(nèi)有中雨及以上等級的降雨時，則灌溉至的Sut25%；③未來5 d內(nèi)無中雨及以上等級的降雨，但未來6～7 d內(nèi)有中雨及以上等級的降雨時，則灌溉至的Sut的50%；④若未來6～7 d內(nèi)無中雨及以上降雨，則灌溉至灌后水深上限Sut。

表1 青獅潭灌區(qū)水稻生育期劃分及灌溉模式

2 結(jié)果與分析

2.1 早稻節(jié)水效果分析

表2為不同灌溉模式和灌溉決策策略下早稻灌溉用水量?？傮w來看，早稻生育期降雨量較大，排水量大，有效降雨也較大，灌溉次數(shù)較少，灌水量也較小，平均降低灌溉用水量23.5 mm，節(jié)水38.3%。由表2可知，采用風(fēng)險決策策略灌溉用水量總體低于常規(guī)決策的灌溉用水量。采用風(fēng)險決策，早稻平均節(jié)水率淹灌為26.5%，間歇灌溉為50.0%；2013年淹灌節(jié)水量大，2014年則間歇灌溉節(jié)水量大。2013年淹灌模式灌水次數(shù)減少1次，節(jié)水42.1 mm，占總灌溉需水量的43.1%；而間歇灌溉模式常規(guī)決策和風(fēng)險決策的灌溉次數(shù)和灌溉用水量相同。2014年淹灌灌水次數(shù)沒有減少，節(jié)水8.8 mm，占總灌溉需水量的10.0%；間歇灌溉下風(fēng)險決策灌水次數(shù)減少1次，整個生育期不用灌水，可節(jié)水43.1 mm，占總灌溉需水量的100.0%。

圖1所示為2013年淹灌模式下不同決策策略的早稻稻田水深、降雨量及灌溉水量。由圖1(a)可知，采用常規(guī)決策需灌水4次，分別在4月16日，6月15日、19日和21日，而4月17日降雨32.3 mm，6月16日降雨15.1 mm，6月19日降雨19.5 mm，即出現(xiàn)了3次灌后遇雨的情況，這不可避免地造成了灌水浪費(fèi)。而采用風(fēng)險決策時[圖1(b)]，雖然在4月16日田間水層深度已經(jīng)達(dá)到需要灌溉的下限(2.8 mm)，但預(yù)報第2天有中雨，因此未灌溉。實(shí)際上這次預(yù)報也是準(zhǔn)確的，因此成功地避免了灌水浪費(fèi)。6月21日田間水層深度已經(jīng)達(dá)到需要灌溉的下限(9.6 mm)，預(yù)報未來5 d都有陣雨，但未來6～7 d都有中雨，考慮到陣雨雨量不確定，未來7 d總的降雨概率較大，因此只灌需水量的25%。事實(shí)上6月21日后連續(xù)降雨，特別是6月28日降雨達(dá)50 mm。雖然此次灌溉后降雨，但灌水量較少，因此也避免了灌水浪費(fèi)。采用風(fēng)險決策6月15日也進(jìn)行了灌溉，原因在于天氣預(yù)報未來7 d內(nèi)只有小雨，漏報了6月16日的中雨(15.1 mm)。總體來看，采用風(fēng)險決策取消1次灌水，并降低了1次灌水量，由此形成了42.1 m節(jié)水量。

表2 不同灌溉模式和決策策略下早稻灌溉用水量

圖1 2013年淹灌模式下不同決策策略的早稻稻田水深、降雨及灌溉

2013年采用間歇灌溉時，常規(guī)決策和風(fēng)險決策都只有1次灌水，灌溉量一致，因此節(jié)水量為0。2014年采用淹灌時，常規(guī)決策和風(fēng)險決策都有3次灌水，總灌水基本一致。2014年間歇灌溉早稻風(fēng)險決策的節(jié)水量主要是由于取消了5月9日的灌溉(圖2)，即在5月9日已經(jīng)脫水4d，但預(yù)報未來1 d有大雨，2 d有大雨，因此未灌溉，而實(shí)際5月10日有小雨(3.7 mm)，5月11日有暴雨(71.4 mm)，因此也避免一次灌后遇雨而造成的灌水浪費(fèi)。

2.2 晚稻節(jié)水效果分析

表3為不同灌溉模式和灌溉決策策略下晚稻灌溉用水量?？傮w來看，晚稻生育期降雨量明顯較早稻生育期少，有效降雨也較少，灌溉次數(shù)較多，灌水量也較大，平均降低灌溉水量21.9 mm，節(jié)水6.7%。由表3可知，采用風(fēng)險決策策略灌溉用水量總體低于常規(guī)決策的灌溉用水量。采用風(fēng)險決策，晚稻平均節(jié)水率淹灌為4.4%，間歇灌溉為8.9%；兩年都是間歇灌溉節(jié)水量大。2013年淹灌模式灌水次數(shù)增加2次，可節(jié)水20.9 mm，占總灌溉需水量的6.1%；而間歇灌溉模式減少1次灌水，節(jié)水44.3 mm，節(jié)水13.5%。2014年淹灌灌水次數(shù)沒有減少，節(jié)水8.6 mm，占總灌溉需水量的2.7%；間歇灌溉下風(fēng)險決策灌水次數(shù)沒有減少，節(jié)水13.9 mm，占總灌溉需水量的4.3%。

以2013年為例，圖3和圖4所示為2013年淹灌的間歇灌溉模式下不同決策策略的晚稻稻田水深、降雨量及灌溉水量。由圖3(a)可知，晚稻生育期降雨明顯較上早稻生育其少，暴雨也較少，因此降雨大部分能得到有效利用。常規(guī)決策和風(fēng)險決策的灌溉次數(shù)都較多，次均灌水量都較小。風(fēng)險決策主要降低了8月14-19日連續(xù)降雨前這次灌溉的灌溉水量，以及9月23-25日連續(xù)降雨前這次灌溉的灌溉水量。2013年采用間歇灌溉時，灌溉次數(shù)明顯減少，但次均灌溉量顯著提高。間歇灌溉晚稻風(fēng)險決策的節(jié)水量主要是由于取消了9月23日的灌溉(圖4)，即常規(guī)決策在9月23日已經(jīng)脫水4 d，雖然當(dāng)天有26.6 mm的降雨，但仍不足以形成田間水層，因此常規(guī)決策仍需灌水44.3 mm。而采用風(fēng)險決策，預(yù)報未來1 d有暴雨，2 d有大雨，因此未灌溉，而實(shí)際9月24日有大雨(38.4 mm)，9月25日有小雨(9.7 mm)，因此也避免一次灌后遇雨而造成的灌水浪費(fèi)。2014年的情況類似于2013年，但2014年由于有暴雨出現(xiàn)，因此雖然降雨量比2013年大，但有效降雨并未顯著增加，采用風(fēng)險決策的節(jié)水效果也并不明顯。

3 結(jié) 語

本文以廣西青獅潭灌區(qū)為例，推求2013-2014兩年淹灌和間歇灌溉兩種灌溉模式下采用常規(guī)灌溉決策和風(fēng)險灌溉決策的灌溉制度，并分析了風(fēng)險決策的節(jié)水效果。結(jié)果表明，采用風(fēng)險決策可以避免因灌后遇雨造成的灌水浪費(fèi)，從而減少水稻灌溉用水量、稻田排水量以及灌水次數(shù)。早稻和晚稻降低灌水量23.5和21.9 mm，節(jié)水分別為38.3%和6.7%。早稻生育期降雨豐富，灌溉需水量并不大，但如果在需水灌溉時能抓住預(yù)報的降雨，節(jié)水效果也較顯著；晚稻總的灌溉水量較大，節(jié)水比例稍小。由于天氣預(yù)報中對降雨的預(yù)報存在漏報有些大雨并不能被有效利用，降雨利用率并不能達(dá)到最大。

圖3 2013年淹灌模式下不同決策策略的晚稻稻田水深、降雨及灌溉

圖4 2013年間歇灌溉模式下不同決策策略的晚稻稻田水深、降雨及灌溉

[1] 茆 智.水稻節(jié)水灌溉[J].中國農(nóng)村水利水電,1997,(4):45-47.

[2] 徐鳳琴.有效降水量淺析[J]. 氣象水文海洋儀器,2009,(1):96-100.

[3] Rochester E W, Busch C D. An irrigation scheduling model which incorporates rainfall predictions[J]. Journal of the American Water Resources Association, 1972,8(3):608-613.

[4] Wang D, Cai X. Irrigation scheduling-Role of weather forecasting and farmers' behavior[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 2009,135(5):364-372.

[5] Agnihotri G, Mohapatra M. Prediction of occurrence of daily summer monsoon precipitation over Karnataka[J]. Meteorological Applications, 2012,19(2):130-139.

[6] Mishra A, Siderius c, Aberson K, et al. Short-term rainfall forecasts as a soft adaptation to climate change in irrigation management in North-East India[J]. Agricultural Water Management, 2013,127:97-106.

[7] 黃俊友. 水稻節(jié)水灌溉與雨水利用[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2005,(7):11-12.

[8] 呂 露,馮常萍,崔遠(yuǎn)來.水稻不同節(jié)水灌溉模式的水分利用效率比較——以荊門、桂林為例[J].節(jié)水灌溉,2011,(3):15-17,22.

[9] 侯靜文,羅玉峰,崔遠(yuǎn)來.降雨預(yù)報準(zhǔn)確度分析及其在水稻節(jié)水灌溉決策中的應(yīng)用[J]. 節(jié)水灌溉，2013，(3):24-30.

[10] 崔遠(yuǎn)來, 袁宏源, 李遠(yuǎn)華. 考慮隨機(jī)降雨時稻田高效節(jié)水灌溉制度[J]. 水利學(xué)報, 1999, 7(7):40-45.

[11] 李遠(yuǎn)華,崔遠(yuǎn)來,楊常武,等.漳河灌區(qū)實(shí)時灌溉預(yù)報研究[J], 水科學(xué)進(jìn)展, 1997,8(3):71-77.

[12] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements[M]. FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56, United Nations - FAO, Rome, Italy, 1998.

[13] 羅玉峰, 彭世彰, 王衛(wèi)光, 等. 氣候變化對水稻灌溉需水量的影響——以高郵灌區(qū)為例[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2009,42(5):609-613.

[14] 郭元裕.農(nóng)田水利學(xué)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005.