集約化條件下農(nóng)田地面灌溉智能化管理研究進(jìn)展

吳彩麗，白美健，李益農(nóng)

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利研究所， 北京 100048；2.國(guó)家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心， 北京 100048)

集約化條件下，地面灌溉的控制與管理范圍從田間擴(kuò)展到區(qū)域，其主要變化反映在系統(tǒng)規(guī)模變大，地形和工程狀況復(fù)雜，灌溉信息無線采集與傳輸距離加長(zhǎng)，控制目標(biāo)多元化。因此，如何基于區(qū)域要素空間變異性對(duì)地面灌溉系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化和智能化管理，以期到達(dá)節(jié)水、節(jié)地、省工、增效和減污的目標(biāo)，是當(dāng)前集約化農(nóng)業(yè)地面灌溉管理中必須要解決的問題。目前我國(guó)在智能化地面灌溉管理技術(shù)與設(shè)備研發(fā)方面的工作處于初步探索階段，與國(guó)外存在顯著差距。

因此，本論文擬通過對(duì)國(guó)際上集約化條件下農(nóng)田地面灌溉系統(tǒng)智能化管理發(fā)展動(dòng)態(tài)的調(diào)研，更好地把準(zhǔn)集約化農(nóng)田灌溉管理的發(fā)展方向，以期為促進(jìn)我國(guó)集約化農(nóng)田灌溉方式的發(fā)展提供理論支撐。

1 地面灌溉管理及技術(shù)方面的研究動(dòng)態(tài)

筆者整理了2010年—2016年間影響力較大的相關(guān)刊物上有關(guān)地面灌溉管理及技術(shù)方面論文的總體分布情況，歸納與分析發(fā)展動(dòng)態(tài)。這里分別列出中、外文兩種灌溉領(lǐng)域影響較大的期刊：《水利學(xué)報(bào)》和《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》(中文)，《Agricultural Water Management》和《Irrigation Science》(外文)。

圖1為四種刊物從2010到2016年間(《Irrigation Science》沒有查到2010年的數(shù)據(jù)，故圖中數(shù)據(jù)從2011年開始)論文總篇數(shù)、相關(guān)論文篇數(shù)及相關(guān)論文占總篇數(shù)的比例圖。據(jù)圖1可知，《水利學(xué)報(bào)》的論文總篇數(shù)為207篇/年，其中地面灌溉管理及技術(shù)相關(guān)論文為8.9篇/年，所占比例為4.4%，所占比例有增加趨勢(shì)；《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》農(nóng)業(yè)水土工程版塊的論文總篇數(shù)為188篇/年，其中地面灌溉管理及技術(shù)相關(guān)論文為17.7篇/年，占總篇數(shù)的比例為9.6%，所占比例有減少趨勢(shì)；《Agricultural Water Management》的論文總篇數(shù)為264篇/年，其中地面灌溉管理及技術(shù)相關(guān)論文為27.8篇/年，占總篇數(shù)的比例為10%，所占比例呈上升趨勢(shì)，尤其是2016年，由于加了農(nóng)業(yè)水管理的特刊，使得相關(guān)論文達(dá)到了60篇；《Irrigation Science》的論文總篇數(shù)為49.6篇/年，其中地面灌溉管理及技術(shù)相關(guān)論文為8.5篇/年，占總篇數(shù)的比例為17.6%，近兩年總體平穩(wěn)?？傮w而言，地面灌溉管理及技術(shù)相關(guān)論文所占的比例總體呈上升趨勢(shì)，尤其是近兩年，這表明對(duì)于地面灌溉管理及技術(shù)方面的研究越來越受到重視。

2 集約化農(nóng)田地面灌溉智能化管理關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

從一家一戶經(jīng)營(yíng)體制下的單一田塊拓展到集約化種植區(qū)域上的灌溉系統(tǒng)，有四項(xiàng)關(guān)鍵灌溉技術(shù)需要突破：理論研究方面的數(shù)值模擬方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用研究方面的信息采集與傳輸技術(shù)和智能化灌溉管理技術(shù)。

圖1四種重要刊物上地面灌溉管理及技術(shù)相關(guān)論文分布情況

2.1 理論研究

2.1.1 數(shù)值模擬方法

由于區(qū)域農(nóng)田灌溉系統(tǒng)灌溉水循環(huán)過程涉及田間配水系統(tǒng)和畦田地表-土壤，需要考慮區(qū)域尺度上土壤特性空間變異性，降雨、蒸散、徑流時(shí)空差異性，以及人類活動(dòng)隨機(jī)性的影響，使得區(qū)域灌溉水循環(huán)比田塊尺度灌溉水循環(huán)更為復(fù)雜，且又不同于自然流域的水文特征，所以田塊尺度的數(shù)值模擬方法及水文學(xué)的數(shù)值模擬方法都不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用在區(qū)域灌溉水循環(huán)過程的模擬上。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞區(qū)域尺度的水分運(yùn)移模擬模型進(jìn)行了大量研究[1-10]，研究成果主要分為灌區(qū)尺度水文循環(huán)模擬模型和農(nóng)田尺度地面灌溉模擬模型兩種類型。就灌區(qū)尺度而言，目前國(guó)內(nèi)外還沒有真正構(gòu)建基于灌區(qū)水文循環(huán)的分布式水文模型，而多采用把反映灌溉系統(tǒng)特性的模塊嵌入自然流域水文模型中的方法進(jìn)行灌區(qū)水文循環(huán)的模擬。就農(nóng)田尺度而言，隨著空間尺度的增大，土壤特性和田面微地形等的空間分布呈現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性，再加上區(qū)域回歸水的重復(fù)利用等問題，使得農(nóng)田尺度地面灌溉模擬比田塊尺度更為復(fù)雜。近年來不少學(xué)者通過試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬手段嘗試探討農(nóng)田灌溉尺度變化問題[11-21]，但這些研究多是基于水量平衡原理建立概念性的框架模型，顯然對(duì)水分運(yùn)移過程的模擬精度相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型會(huì)差一些。

2.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.2 應(yīng)用研究

2.2.1 信息采集與傳輸技術(shù)

2.2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一般都在野外，適合采用無線傳輸方式。集約化條件下，從田間擴(kuò)展到區(qū)域的灌溉控制與管理，控制系統(tǒng)規(guī)模變大，地形和工程狀況復(fù)雜，灌溉信息無線采集與傳輸距離加長(zhǎng)，因此，如何精確、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地采集與傳輸灌溉信息是區(qū)域尺度灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的前提。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線方式通信，節(jié)點(diǎn)設(shè)置簡(jiǎn)單靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，網(wǎng)絡(luò)容量大且成本低廉，非常適合于智能灌溉系統(tǒng)[31-35]。

2.2.1.2 無線通信技術(shù)

田間無線數(shù)據(jù)傳輸受到作物的生長(zhǎng)狀況、氣候變化、節(jié)點(diǎn)布設(shè)共同影響，嚴(yán)重影響通訊質(zhì)量，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在集約化農(nóng)田應(yīng)用的瓶頸之一。一家一戶經(jīng)營(yíng)模式下的地面灌溉控制多采用經(jīng)驗(yàn)控制，控制設(shè)施簡(jiǎn)單，規(guī)?；r(nóng)田灌溉下田塊規(guī)格、入畦流量等都相對(duì)較大，傳統(tǒng)的灌溉控制方式難以操作，因此，需要結(jié)合規(guī)?；r(nóng)田灌溉特點(diǎn)研發(fā)智能化灌溉控制技術(shù)與設(shè)備。

國(guó)內(nèi)目前在灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用較多的無線通信技術(shù)是ZigBee和GPRS[36-39]。相對(duì)來說，GPRS數(shù)據(jù)率高，傳輸距離遠(yuǎn)，便于遠(yuǎn)程傳輸，并且能直接與Internet相連，但是功耗、成本與收費(fèi)相對(duì)較高；ZigBee功耗低、成本低，但是數(shù)據(jù)率相對(duì)較低，單跳傳輸距離相對(duì)較近。因此，將兩者結(jié)合起來共同用于灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是未來發(fā)展的趨勢(shì)[36-51]。

2.2.2 智能化管理技術(shù)

智能化灌溉是通過各種無線傳感器對(duì)農(nóng)田灌溉信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并數(shù)字化后傳輸給中央控制臺(tái)，再利用智能系統(tǒng)科學(xué)決策管理方案，及時(shí)精確控制灌水設(shè)備啟閉，以保證對(duì)農(nóng)田進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉。

2.2.2.1 智能灌溉系統(tǒng)及設(shè)備

智能化灌溉系統(tǒng)及設(shè)備生產(chǎn)走在世界最前沿的公司是美國(guó)的雨鳥、亨特等，都開發(fā)了先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)。此外，還有以色列的lgalAgro系列產(chǎn)品，澳大利亞的Hardle Irrigation公司開發(fā)的灌溉控制產(chǎn)品，也是目前農(nóng)機(jī)控制比較先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)智能灌溉系統(tǒng)及設(shè)備的研制從“九五”期間才真正開始起步，技術(shù)落后，現(xiàn)在多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，自主研發(fā)且能夠推廣使用的智能灌溉控制系統(tǒng)還不多見。目前，國(guó)內(nèi)灌溉設(shè)備多以引進(jìn)國(guó)外技術(shù)為主，有關(guān)灌溉設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)大大小小近500家，其中有相當(dāng)一部分代理的是美國(guó)和以色列的產(chǎn)品?？傮w上，與節(jié)水發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)智能灌溉系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)還存在很大的發(fā)展?jié)摿52]。

2.2.2.2 智能灌溉控制指標(biāo)

目前，智能灌溉系統(tǒng)通常采用三種控制指標(biāo)：作物蒸騰量、土壤濕度和作物生理指標(biāo)。其中，以彭曼公式估算作物蒸騰量是最傳統(tǒng)的灌溉策略，但是采用彭曼公式計(jì)算作物蒸騰量的過程中，需要大量的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算較為復(fù)雜。對(duì)于大尺度范圍內(nèi)蒸發(fā)蒸騰量估算，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者采用遙感方法，可以更加有效地反映蒸發(fā)蒸散量分布情況，但是遙感技術(shù)的適用性和估算精度上受到地表植被覆蓋度、天氣情況、晝夜時(shí)段以及假設(shè)條件的影響較大[53-55]；以土壤濕度為控制指標(biāo)決定是否進(jìn)行灌溉，以通過對(duì)土壤濕度的控制達(dá)到智能節(jié)水灌溉的目的[56-59]是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要內(nèi)容，一般作物生長(zhǎng)較好的土壤含水量為田間持水量的60%～80%，但是這個(gè)值會(huì)因隨著土質(zhì)、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等諸多因素的不同而變化，因此，以土壤濕度值作為灌溉依據(jù)時(shí)，需因地制宜，且在灌溉前適時(shí)地采集土壤濕度信息；基于作物生理生態(tài)信息的監(jiān)測(cè)方法，角度更加微觀、數(shù)據(jù)更加精確，更加體現(xiàn)了作物本身的主體作用，通過自身的指標(biāo)反映水分虧缺狀況，可以更直接地用于指導(dǎo)灌溉。但是，需要的監(jiān)測(cè)儀器精密，價(jià)格昂貴，目前常用于實(shí)驗(yàn)室研究[60-62]。

3 結(jié)論及展望

通過上述相關(guān)研究進(jìn)展評(píng)述，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)于集約化條件下農(nóng)田地面灌溉智能化管理方面的研究已成為重點(diǎn)。綜合現(xiàn)狀存在的實(shí)際問題，筆者提出我國(guó)未來集約化條件下農(nóng)田地面灌溉智能化管理方面的主要研究方向及內(nèi)容，供相關(guān)人士參考。

(1) 理論研究方面

① 由于灌區(qū)的水分循環(huán)較自然流域復(fù)雜得多且受人為的影響比較大，故直接然流域水文模型用于灌區(qū)時(shí)存在較大的困難。因此，應(yīng)綜合考慮灌區(qū)因灌溉及人類活動(dòng)對(duì)水分循環(huán)產(chǎn)生的影響，加強(qiáng)灌溉、排水、水文、氣象等方面的交叉研究，合理劃分計(jì)算單元，并結(jié)合GIS和RS技術(shù)建立適合灌區(qū)水文特點(diǎn)的分布式水文模型。

② 隨著農(nóng)田尺度的擴(kuò)大，土壤入滲參數(shù)空間變異增強(qiáng)，農(nóng)田尺度的水流運(yùn)動(dòng)問題牽扯諸多環(huán)節(jié)，頗為復(fù)雜，目前研究中還沒有經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證與率定的能夠精確模擬農(nóng)田尺度水分運(yùn)移過程的動(dòng)力學(xué)模型，因此，需借助已有的地面灌溉地表水流運(yùn)動(dòng)模型和高精度飽和-非飽和土壤水動(dòng)力學(xué)模型，通過農(nóng)田尺度土壤水力特性和田面微地形參數(shù)聯(lián)合隨機(jī)模擬方法，建立考慮土壤水力特性和微地形空間變異性的農(nóng)田尺度灌溉模擬模型。

③ 由于我國(guó)至今沒有方便基層規(guī)劃設(shè)計(jì)者使用的地面灌溉系統(tǒng)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)工具，現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作主要依賴于管理者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)而缺乏客觀依據(jù)。因此，要開展不同類型灌區(qū)的農(nóng)田尺度灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，考慮區(qū)域時(shí)空變異性、多目標(biāo)決策等因素，優(yōu)化田間灌溉系統(tǒng)的布局，構(gòu)建現(xiàn)代化的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，并形成相關(guān)規(guī)范，為基層規(guī)劃設(shè)計(jì)者進(jìn)行田間灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)用的工具。

(2) 應(yīng)用研究方面

智能化管理是集約化條件下農(nóng)田灌溉的一個(gè)重要發(fā)展方向。我國(guó)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的研究起步晚，目前雖然有多加相關(guān)單位在進(jìn)行研究，但有些是直接引進(jìn)照搬國(guó)外的技術(shù)，有些是處于試生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室階段，技術(shù)還很不成熟，遠(yuǎn)沒有形成規(guī)模。因此，從我國(guó)現(xiàn)階段的實(shí)際國(guó)情出發(fā)，研制出適合本土自然氣候、土地資源等特殊情況，且符合我國(guó)農(nóng)民實(shí)際購買能力的智能灌溉系統(tǒng)及設(shè)備，滿足我國(guó)現(xiàn)階段灌溉管理的需求是當(dāng)務(wù)之急。與3S等技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，推動(dòng)灌溉管理走向現(xiàn)代化、自動(dòng)化、智能化，將是未來農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的必然趨勢(shì)。