實(shí)現(xiàn)地下水壓采目標(biāo)的精準(zhǔn)控灌決策支持系統(tǒng)研究*

王鴻璽,李紅軍,齊永青,董增波,李 飛,閻 超,邵立威,張喜英,3**

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心 石家莊 050035; 2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 3.中國科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院 北京100049)

在降水不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的區(qū)域,灌溉是決定作物產(chǎn)量高低和穩(wěn)定的核心因素,水資源供給能力已經(jīng)成為評價區(qū)域高中低產(chǎn)農(nóng)田的重要指標(biāo)。我國糧食主產(chǎn)區(qū)水資源投入每增加1%,糧食產(chǎn)量可增加1.96%。隨著灌溉農(nóng)業(yè)用水增加和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源的開發(fā)利用程度不斷提高,不少地區(qū)的水資源開發(fā)已經(jīng)超過環(huán)境的承載能力。華北是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū),農(nóng)業(yè)灌溉水源以地下水為主,灌溉機(jī)電井約373.3萬眼,井灌面積1.07×10hm,占全國井灌面積的58.6%,已成為世界最大地下水漏斗區(qū)。其中,位于華北區(qū)域的河北省是我國糧食主產(chǎn)區(qū),2019年糧食產(chǎn)量占全國糧食總量的5.63%。長期以來糧食生產(chǎn)與地下水超采之間的矛盾十分突出,2017年河北省地下水累計超采量達(dá)996.6×10m,過度開采地下水已引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。

冬小麥()-夏玉米()一年兩季種植是河北平原主要的作物種植模式,兩季作物年需水量800～850 mm,而當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓繛?85 mm,每年需要灌水300～350 mm。灌水主要來源于地下水,多年對地下水的開采帶來淺層和深層地下水位逐年下降。例如位于山前平原的中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(以下簡稱“欒城站”)地下水埋深從20世紀(jì)80年代的10 m左右降低到現(xiàn)在的45 m,平均下降速度接近每年1 m。河北太行山前平原第一含水層已疏干,第二含水層面臨枯竭,嚴(yán)重威脅到區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,并帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題。河北低平原區(qū)對深層地下水的過度開采,已形成大面積的深層地下水漏斗區(qū),造成地面沉降等環(huán)境問題。針對河北平原地下水嚴(yán)重超采問題,國家在2014年開始實(shí)施地下水壓采政策。河北平原用于農(nóng)業(yè)灌溉的地下水開采量占地下水總開采量的70%以上,通過調(diào)控灌溉用水是實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水壓采的主要保障措施。實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡,需要根據(jù)地下水資源可利用量制定用水紅線,使農(nóng)田用水總量控制在用水紅線內(nèi),實(shí)現(xiàn)對地下水開采總量的控制。

實(shí)現(xiàn)灌溉用水總量控制,需要實(shí)施農(nóng)業(yè)用地下水取水的計量和核算。河北省現(xiàn)有農(nóng)用灌溉機(jī)井超過94萬眼,由于農(nóng)用灌溉機(jī)井“點(diǎn)多、面廣、產(chǎn)權(quán)分散”的分布特點(diǎn),全部采用水表方式進(jìn)行計量存在一次性投入成本高、工作量大和后期管理維護(hù)難等客觀問題,而基于“以電折水”方法的井灌區(qū)水量監(jiān)測與控制具有良好的可操作性。目前國家電網(wǎng)河北公司已完成了冀中南地區(qū)72萬眼農(nóng)用機(jī)井的電氣化改造,并構(gòu)建了不同區(qū)域農(nóng)業(yè)排灌計量管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對基礎(chǔ)農(nóng)戶灌溉用電大數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與數(shù)據(jù)分析。通過“以電折水”系數(shù)測算模型的建立,可以獲知農(nóng)戶單獨(dú)地塊的灌溉時間與灌溉量,為農(nóng)戶用水管理及有限供水下的精準(zhǔn)控灌決策、農(nóng)業(yè)水權(quán)管理等工作提供了手段。

在氣候變化背景下,水資源短缺和多發(fā)性干旱及二者疊加效應(yīng)成為制約缺水區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。目前河北山前平原在沒有用水總量控制狀態(tài)下,農(nóng)戶憑借經(jīng)驗(yàn)灌水,灌水日期和灌溉定額無法適應(yīng)氣象條件的瞬息萬變和水資源日益緊張對節(jié)水灌溉的要求。很多研究表明,同樣的灌水次數(shù)下,由于灌水時間的差異,會形成水分利用效率和產(chǎn)量的顯著差異。在總灌水量相同條件下,不同灌水次數(shù)和灌水定額的組合,也會造成作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力的顯著不同。因此,在地下水限采條件下,需要根據(jù)灌水總量限制和作物生育期的氣象條件及作物不同生育期對水分需求特征,確定適宜的灌溉制度。

土壤墑情的精準(zhǔn)預(yù)報是實(shí)施優(yōu)化灌溉決策的基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)發(fā)展,國內(nèi)外土壤墑情預(yù)報技術(shù)不斷發(fā)展,Saadi等將遙感與FAO-56雙作物系數(shù)法相結(jié)合,利用時間序列植被指數(shù)估算出基本作物系數(shù)和植被覆蓋度,對灌溉農(nóng)田的耗水量進(jìn)行了監(jiān)測。Toureiro等利用遙感反演作物系數(shù)與土壤水分虧缺程度估算玉米蒸散,從而確定其合理的灌溉時間與灌水量。智能手機(jī)的普及,農(nóng)戶可以利用手機(jī)收集獲取作物生育期長勢和天氣相關(guān)信息,開展土壤墑情預(yù)報,然后利用專家決策系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對田間作物實(shí)施精準(zhǔn)和精量控灌。

在河北平原地下水限采背景下,利用“以電折水”進(jìn)行水費(fèi)收取和調(diào)控取水量的方法正在逐步實(shí)施。目前有限取水條件下根據(jù)可用水量進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉決策、指導(dǎo)灌溉的相關(guān)研究較少。農(nóng)田墑情監(jiān)測與灌溉預(yù)報系統(tǒng)大多是作為研究工具由開發(fā)者使用,或是定期進(jìn)行集中預(yù)報,在操作上需要專業(yè)人員,模型輸入需要專門的觀測數(shù)據(jù)。這種信息服務(wù)和發(fā)布模式能夠起到的服務(wù)作用與信息受眾有限,很難滿足我國家庭承包責(zé)任制下一家一戶的分散經(jīng)營模式。即使是在大型灌區(qū),灌溉也存在時間差異,在灌溉預(yù)報上不可能實(shí)行齊步走的服務(wù)方式。隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)和遙感定量監(jiān)測的發(fā)展,農(nóng)村信息化建設(shè)進(jìn)展顯著,信息化基礎(chǔ)設(shè)施得到很大改善,但在灌溉信息服務(wù)上缺少可行性強(qiáng)、便于操作的農(nóng)業(yè)信息化平臺。如何將地下水取水控制、農(nóng)田墑情模擬與灌溉預(yù)報技術(shù)與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,并以可行的信息服務(wù)模式進(jìn)行管理和發(fā)布,仍缺少可行的解決方案,而基于網(wǎng)絡(luò)平臺的地下水管控、土壤墑情監(jiān)測與預(yù)報服務(wù)則是一種可行的模式。

本研究基于“以電折水”方法利用用電數(shù)據(jù)獲知田塊尺度灌水時間與灌水量,在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同田塊地下水用水紅線指標(biāo)和不同限水灌溉下的土壤水分指標(biāo),基于土壤墑情預(yù)報數(shù)據(jù),進(jìn)行灌水決策,組裝不同模塊形成基于地下水壓采的精準(zhǔn)控灌決策管理系統(tǒng)。該決策支持系統(tǒng)可在實(shí)現(xiàn)調(diào)控灌溉水量的同時,優(yōu)化灌溉決策,既滿足政府對區(qū)域地下水開采的調(diào)控需求,也滿足不同經(jīng)營規(guī)模農(nóng)戶進(jìn)行高效灌水管理的需求,可為區(qū)域?qū)崿F(xiàn)地下水壓采目標(biāo)并同步提升限水灌溉下作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力提供技術(shù)支持,對河北平原地下水限采政策下灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究方法

1.1 農(nóng)業(yè)灌溉可用水量核算和“以電折水”用水總量控制方法

河北平原縣域可分配水資源量由地下水、地表水、非常規(guī)水和域外調(diào)水量組成,在扣除合理的生活用水、非農(nóng)生產(chǎn)用水、生態(tài)環(huán)境用水以及預(yù)留水量后剩余的可分配水資源量即為農(nóng)業(yè)可利用水資源量。本研究通過檢索研究區(qū)域內(nèi)各縣級政府網(wǎng)站,收集了河北平原部分縣域水資源量、農(nóng)業(yè)水資源量和單位耕地面積可用水量數(shù)據(jù),根據(jù)水量平衡原理,以縣域可分配水資源量為縣域用水量的約束條件,根據(jù)現(xiàn)有各部門用水(水資源配置)總量,核算盈虧關(guān)系。對于總用水量超過可分配水資源量的縣域,將虧缺量計入農(nóng)業(yè)用水調(diào)減額度,平均分配到全縣耕地面積上,得到單位耕地面積用水調(diào)減額度。把原來單位耕地面積可用水量減去該調(diào)減額度,得到修正后的單位耕地面積平均水權(quán)。

根據(jù)現(xiàn)行的以取水為核算依據(jù)的農(nóng)業(yè)灌溉用水計量原則,以修正后的單位耕地面積可利用水量作為灌溉用水紅線,在河北平原以地下水為灌溉水源的縣域,灌溉用水紅線即為單位耕地面積可以利用的地下水量。根據(jù)2017年出臺的《河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水計量實(shí)施細(xì)則(試行)》(冀水資[2017]19號)縣域以電折水系數(shù)確定河北省淺層和深層地下水開采區(qū)的“以電折水”系數(shù),并進(jìn)一步依據(jù)地處山前平原的欒城站和處于低平原的中國科學(xué)院南皮農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(以下簡稱“南皮站”)實(shí)際測定的灌溉耗電量及對應(yīng)的取水量以及參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù),對上述細(xì)則中的系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)農(nóng)戶耕地位置、灌水所用機(jī)井位置及該位置對應(yīng)的單位耕地面積地下水開采紅線,利用“以電折水“系數(shù),得到每個農(nóng)戶灌溉取水可用電量,利用智能電表控制每個用戶取水耗電量,作為地下水用水總量的調(diào)控手段。

1.2 有限灌水條件下灌溉制度優(yōu)化及適宜的灌溉土壤水分控制指標(biāo)確定

本研究選用APSIM (Agricultural Production Systems sIMulator)模型進(jìn)行限水灌溉下灌溉制度優(yōu)化和適宜土壤水分控制指標(biāo)的確定。APSIM是目前廣泛應(yīng)用于模擬華北平原冬小麥、夏玉米的機(jī)理性作物模型。該模型以基因型(G)×環(huán)境(E)×管理措施(M)三者的交互作用為基礎(chǔ),利用管理措施、環(huán)境以及作物可測量的表型逆向求解基因型參數(shù),然后對獲取的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)后的模型可以準(zhǔn)確模擬作物在預(yù)設(shè)環(huán)境下的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程。本研究依據(jù)在欒城站開展的冬小麥和夏玉米長期灌水試驗(yàn)田間實(shí)測數(shù)據(jù),對APSIM模型進(jìn)行參數(shù)校驗(yàn),利用校驗(yàn)后的APSIM模型,模擬不同限水灌溉總量下水分在生育期內(nèi)的不同分配模式對作物產(chǎn)量的影響。以獲取最高產(chǎn)量為目標(biāo),根據(jù)模擬結(jié)果確定針對不同限水灌溉目標(biāo)下的灌水時間、灌水次數(shù)、灌水定額和適宜的土壤水分下限指標(biāo)。

用于APSIM模型校驗(yàn)的灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自欒城站。試驗(yàn)時間為2007—2016年共9個冬小麥、夏玉米生長季。試驗(yàn)地點(diǎn)0～90 cm土層主要為壤土,90 cm以下土壤為黏壤土。0～2 m土壤剖面平均田間持水量為33.0% (體積含水量),凋萎濕度為10.2% (體積含水量),pH為8。試驗(yàn)期間耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)含量18～20 g·kg,速效氮70～90 mg·kg、速效磷20～40 mg·kg、速效鉀90～120 mg·kg。每季冬小麥播種前,將全部磷肥[150～180 kg(PO)·hm]、鉀肥[20 kg(KO)·hm]及1/4總量氮肥[350～400 kg(N)·hm]作為基肥撒施于土壤表層,其余氮肥分為等量兩部分,分別在冬小麥拔節(jié)期及夏玉米大喇叭口期施入農(nóng)田。翻耕整地后播種冬小麥,冬小麥播量為150.0～187.5 kg·hm,采用“4密1稀”播種方式,平均行距15 cm; 夏玉米按照60 cm等行距播種,密度在5.5～6.0株·m。

用于模型校驗(yàn)的灌溉試驗(yàn)包括3個處理: 冬小麥和夏玉米生育期分別進(jìn)行充分灌水(FI,根據(jù)不同降水年型全生育期總灌水次數(shù)3～5次)、底墑充足條件下關(guān)鍵期灌水1次(CI,冬小麥拔節(jié)期和夏玉米大喇叭口期)和底墑充足條件下生育期不灌水的最小灌溉模式(MI)。灌水定額70～90 mm,每個處理4次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列,每個小區(qū)面積5 m×9 m。各小區(qū)之間及試驗(yàn)地周邊用2 m寬的保護(hù)行隔開,保護(hù)行不灌水,以減少相鄰小區(qū)之間水分的相互影響。灌溉水源為當(dāng)?shù)氐叵滤?通過低壓管道輸送到小區(qū),用水表計量每個小區(qū)的灌水量。試驗(yàn)期間,詳細(xì)記錄不同處理的作物生長發(fā)育時期和生物量。

作物生長發(fā)育時期的確定根據(jù)典型性狀50%出現(xiàn)的比例進(jìn)行記載。冬小麥群體密度及動態(tài)變化的測定,在每個小區(qū)確定1 m×4行的區(qū)域測定; 玉米在收獲時測定收獲的株數(shù),計算密度。在每個小區(qū)安裝2 m深中子儀管(503DR,CPN International Inc.USA)定期測定2 m土層土壤含水量。在作物收獲時,每小區(qū)選取80莖冬小麥或3株玉米進(jìn)行考種分析; 人工收割每個小區(qū)內(nèi)所有的冬小麥和夏玉米植株,脫粒,自然晾干后測定產(chǎn)量(籽粒含水量按13%計算)。

1.3 基于網(wǎng)絡(luò)平臺的農(nóng)田墑情預(yù)測和灌溉決策系統(tǒng)建立

采用網(wǎng)站開發(fā)技術(shù),基于水量平衡和FAO-56雙作物系數(shù)法,在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下完成土壤含水量動態(tài)變化預(yù)測。

1.3.1 農(nóng)田水量平衡模擬土壤含水量動態(tài)變化

該方法以作物根層土壤水量平衡為基礎(chǔ),結(jié)合氣象和作物生長情況,進(jìn)行水量平衡模擬,以確定各時段的土壤含水量,然后與預(yù)設(shè)的灌溉土壤水分控制指標(biāo)對比,判斷是否需要灌溉,并計算灌水量。如果忽略水平方向的徑流,某一時段作物主要根系活動層內(nèi)()儲水量的變化可用如下水量平衡方程表示:

式中:W為時段的土壤含水量,mm;W為上一時段的土壤含水量,mm;為預(yù)測時段內(nèi)的有效降水,mm;為預(yù)測時段內(nèi)的灌水量,mm;為預(yù)測時段內(nèi)地下水補(bǔ)給量,mm;為預(yù)測時段內(nèi)由于作物根系計劃濕潤層增加而相應(yīng)增加的土壤含水量,mm; ET為預(yù)測時段內(nèi)作物耗水量,mm;為預(yù)測時段內(nèi)的深層滲漏量,mm。在限水灌溉下根層滲漏量可以忽略,由于河北平原地下水埋深均大于2.5 m,地下水補(bǔ)給量可忽略不計。冬小麥和夏玉米不同生育期根系深度()可以根據(jù)生育期天數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

其中ET根據(jù)雙作物系數(shù)法計算:

式中:為基礎(chǔ)作物系數(shù),受作物冠層大小和土壤水分含量影響;為土壤蒸發(fā)系數(shù),主要受土壤表層含水量影響,可利用土壤含水量進(jìn)行訂正; ET為參考作物蒸散量,受大氣條件影響。上述3個參數(shù)均根據(jù)FAO-56提供的方法進(jìn)行計算。

為了校驗(yàn)上述方法模擬土壤水分動態(tài)的可靠性,利用欒城站用于APSIM模型校驗(yàn)的2018—2019年冬小麥和夏玉米3個灌水處理的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。這幾個試驗(yàn)?zāi)攴莅惭b了智墑儀(ET200,東方智感科技股份有限公司,中國),可以實(shí)現(xiàn)逐日逐時土壤體積含水量的測定,利用3種灌水制度下的逐日含水量數(shù)據(jù),驗(yàn)證水量平衡方法預(yù)測土壤水分結(jié)果的可靠性。智墑儀埋深2 m,以每10 cm為一層逐小時測定土壤體積含水量變化,測定數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸并可遠(yuǎn)程下載。用于校驗(yàn)的數(shù)據(jù)選擇每日0時的數(shù)據(jù)。

1.3.2 基于網(wǎng)絡(luò)平臺的農(nóng)田墑情預(yù)測與精準(zhǔn)控灌決策支持系統(tǒng)

該決策支持系統(tǒng)主要包括以下數(shù)據(jù)模塊和決策模塊: 1)以河北平原為服務(wù)區(qū)域,依據(jù)土壤特性的空間差異對區(qū)域進(jìn)行分區(qū),建立土壤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)空間分布數(shù)據(jù)庫; 2)以冬小麥、夏玉米的灌溉管理為主,基于試驗(yàn)研究結(jié)果,建立作物系數(shù)、生育期、根系分布、不同灌水指標(biāo)下的各生育期灌溉指標(biāo)等參數(shù)的后臺數(shù)據(jù)庫,并保留擴(kuò)充其他作物的接口,結(jié)合作物實(shí)際生產(chǎn)情況,完成相關(guān)參數(shù)的校正; 3)系統(tǒng)后臺鏈接國網(wǎng)河北公司的電力大數(shù)據(jù),獲取農(nóng)戶用電信息,轉(zhuǎn)化為用水信息; 4)建立基于土壤水分平衡方法的土壤墑情預(yù)報專家系統(tǒng),將土壤墑情預(yù)測結(jié)果直接應(yīng)用于生產(chǎn)服務(wù),農(nóng)戶只需在網(wǎng)頁或手機(jī)端中輸入少量信息,就能獲知其田塊墑情,并可結(jié)合不同地塊可用水量,由專家決策系統(tǒng)制定針對該田塊的灌水方案,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控灌,提升有限灌水的水分生產(chǎn)率。目前智能手機(jī)已在農(nóng)村普及,把上述決策系統(tǒng)形成手機(jī)端使用的精準(zhǔn)控灌APP和在網(wǎng)頁上運(yùn)行的管理平臺系統(tǒng),用戶和政府管理者均可利用該系統(tǒng)進(jìn)行灌溉決策和用水管理。

2 結(jié)果和討論

2.1 河北省縣域單位面積耕地可用水量估算

將區(qū)域可利用水量分配至單位面積耕地,確定單位耕地用水上限指標(biāo),是完善農(nóng)業(yè)水資源利用體系,提高水資源利用效率的重要手段。根據(jù)檢索縣級政府網(wǎng)站收集到的近期縣域水資源量、農(nóng)業(yè)水資源量以及相關(guān)文獻(xiàn)資料,計算得到河北淺層地下水超采的山前平原區(qū)耕地年可利用水量為1229～2985 m·hm;深層地下水嚴(yán)重超采的中東部低平原區(qū)耕地年可利用水量為663～2760 m·hm(表1)。根據(jù)現(xiàn)有各部門用水(水資源配置)總量,核算盈虧關(guān)系,對于總用水量超過可分配水資源量的縣域,將全部的虧缺量都計入農(nóng)業(yè)用水調(diào)減額度,計算得到修正后的縣域農(nóng)業(yè)可分配水資源總量后,平均分配至灌溉耕地,并據(jù)此得到調(diào)整后的單位耕地面積可用水量。調(diào)整后各縣域平均單位耕地面積農(nóng)業(yè)可用水量降幅在4%左右。在沒有地表水灌溉的縣域,單位耕地面積可用水量可以確定為地下水可開采量,作為地下水用水紅線。在有地表水灌溉區(qū)域,可從確定的數(shù)值中減去地表水量,得到地下水可利用量的數(shù)值。

表1 河北平原地下水超采區(qū)灌溉耕地面積和單位面積耕地可用水量Table 1 Total irrigated land area and average available water amount for irrigation per cultivated land area in Hebei Plain

從表1的數(shù)據(jù)可以看出,單位面積耕地平均可利用水量最多的為山前平原的石家莊市,其次是保定和邯鄲,最少的是滄州。在一個區(qū)域不同縣所具有的單位面積耕地水資源量差異最大的是廊坊市,從753 m·hm至2760 m·hm變化,單位面積耕地可用水量小于1000 m·hm的縣包括滄縣、文安等。河北平原冬小麥、夏玉米一年兩季作物年耗水量在750～850 mm,可利用的灌溉水資源大約可提供作物耗水的10%～40%。不同地區(qū)和縣域可用水資源量存在較大差異,單位面積耕地水權(quán)以及適宜灌水制度確定需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。

2.2 以電折水系數(shù)的確定

“以電折水”是通過分析灌溉井用電量與抽水量之間的關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)根據(jù)用電量估算抽水量從而計收水費(fèi),只要把限額用水量轉(zhuǎn)換成限額用電量,就可以實(shí)現(xiàn)用水總量調(diào)控。以電折水系數(shù)是利用電表控制地下水開采的重要參數(shù)。2017年出臺的《河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水計量實(shí)施細(xì)則(試行)》(冀水資[2017]19號)給出了縣域以電折水系數(shù)的初步測算結(jié)果,可在河北省井灌區(qū)開展灌溉用水的以電折水計量(圖1)。根據(jù)欒城站和南皮站機(jī)井的灌溉用水、用電記錄,對不同機(jī)井和灌溉技術(shù)條件下以電折水系數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估,發(fā)現(xiàn)在較小的區(qū)域內(nèi),地下水水位、含水層水文地質(zhì)條件、成井條件均相對一致,不同機(jī)井的灌溉用電量與取水量關(guān)系較為穩(wěn)定,以電折水系數(shù)較一致,水泵參數(shù)差異和灌水方式(噴灌、地面灌等)是主要影響因素。梁雪麗等選取河北邢臺市南和縣域3眼農(nóng)用機(jī)井,確定其在不同灌溉方式下的以水折電系數(shù),3眼機(jī)井在噴灌條件下以電折水系數(shù)分別為1.45 m·kWh、1.50 m·kWh和1.45 m·kWh; 在 管灌條件下均為2.50 m·kWh; 在土壟溝灌水條件下分別為4.1 m·kWh、4.15 m·kWh和3.95 m·kWh。上述結(jié)果說明以電折水系數(shù)比較穩(wěn)定,但灌水方式對該系數(shù)影響較大,在實(shí)際應(yīng)用圖1中的系數(shù)時,需要根據(jù)灌水方式進(jìn)行調(diào)整。

圖1 根據(jù)河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水計量實(shí)施細(xì)則確定的淺層和深層地下水取水的電折水系數(shù)Fig.1 Average coefficient for each unit electricity consumption (EWF) for uplifting unit volume of groundwater in shallow and deep groundwater pumping areas in Hebei Province based on the rules formulated by Hebei Hydraulic Bureau

2.3 有限供水條件下灌水制度和土壤水分下限指標(biāo)確定

2.3.1 APSIM模型的校驗(yàn)

利用2007—2016年冬小麥和夏玉米3個灌水處理的結(jié)果,對APSIM模型進(jìn)行校驗(yàn),獲得冬小麥和夏玉米的作物參數(shù)。模擬和實(shí)測結(jié)果顯示MI、CI和FI灌水處理下冬小麥產(chǎn)量的RMSE值分別為263 kg·hm、598 kg·hm和453 kg·hm,玉米產(chǎn)量的相應(yīng)RMSE值分別為591 kg·hm、997 kg·hm和1237 kg·hm。MI、CI和FI處理下,冬小麥生長季蒸散量(ET) RMSE值分別為26.8 mm、27.8 mm和26.6 mm,玉米季分別為39.8 mm、43.6 mm和26.0 mm。由于玉米開花期高度集中(RMSE=1.42 d),玉米花期儒略日的小于小麥(圖2)。經(jīng)校正的APSIM模型可以解釋87%的0～1 m土壤剖面中總土壤水分變化(圖3),冬小麥90%的生長期、生物量積累、籽粒產(chǎn)量和生育期蒸散量,玉米模擬結(jié)果可以解釋80%～90%的相關(guān)性狀。上述結(jié)果顯示經(jīng)過校驗(yàn)的APSIM能夠較準(zhǔn)確地模擬不同灌水處理下冬小麥和夏玉米的生育期、產(chǎn)量和土壤水分動態(tài)。

圖2 2007—2016年冬小麥和夏玉米開花期和成熟期及3種灌水制度下生物量、籽粒產(chǎn)量和生育期蒸散量的模擬和實(shí)測結(jié)果對比Fig.2 Simulated and measured values of flowering and maturity time and biomass,grain yield,seasonal evapotranspiration under three irrigation schedules of winter wheat and summer maize during 2007—2016

圖3 利用APSIM模型模擬3種灌水模式下2011—2016年冬小麥和夏玉米生長期間0～1 m土壤體積含水量變化動態(tài)（a: 充分灌水; b: 關(guān)鍵期灌溉; c: 最小灌溉）Fig.3 Simulated and measured soil water contents for the top 1 m soil profile during 2011—2016 for winter wheat and maize under three irrigation schedules (a: full irrigation; b: critical stage irrigation; c: minimum irrigation)

2.3.2 地下水壓采目標(biāo)下冬小麥和夏玉米優(yōu)化供水制度及土壤水分下限指標(biāo)

以位于石家莊市的欒城區(qū)為例,冬小麥和夏玉米按照年可利用灌水量210 mm為上限指標(biāo),利用上述校驗(yàn)的APSIM模型,用當(dāng)?shù)?009年10月—2019年9月冬小麥、夏玉米各10個生育期實(shí)際氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行不同灌水次數(shù)和次灌水量的模擬,模擬的情景包括年灌水次數(shù)3次、每次70 mm的低頻率灌溉至灌水次數(shù)10次、每次21 mm的高頻灌溉。冬小麥在充分供水條件下生育期耗水量430～450 mm,生育期平均降水量120 mm,冬小麥耗水的主要來源是降水、播前土壤儲水和灌溉補(bǔ)充水,分別占總耗水量的30%、25%和45%,生育期需要200 mm左右的灌水滿足作物需求。該模擬中設(shè)置的210 mm灌溉定額上限指標(biāo)包括了玉米生育期的灌水,在此定額下冬小麥的供水為非充分灌溉。夏玉米生育期降水量350 mm左右,秸稈覆蓋下常年平均耗水量360～380 mm,多數(shù)年份降水基本滿足作物需求。在設(shè)置夏玉米灌水制度時,考慮到夏玉米生育期較多的降水條件,設(shè)置了夏玉米最大灌水兩次的灌水情景。由于冬小麥?zhǔn)斋@后上層土壤含水量很低,為了保證夏玉米正常出苗和群體的快速建立,夏玉米多數(shù)年份必須進(jìn)行出苗水的灌溉,在設(shè)置夏玉米灌水制度時,設(shè)置了至少保證最少一次的出苗水灌溉情景。

模擬結(jié)果顯示夏玉米生育期降水量較多,灌水頻率對產(chǎn)量影響較小; 在年總灌水量一定條件下增加玉米季的灌水對夏玉米產(chǎn)量影響較小,而增加冬小麥季的灌水,對冬小麥產(chǎn)量有明顯促進(jìn)作用(圖4)。根據(jù)多情景的模擬,選擇出210 mm灌水分配到冬小麥生育期150 mm、夏玉米生育期60 mm的優(yōu)化方案。夏玉米生育期的60 mm灌水可在夏玉米播種時實(shí)施。對于冬小麥生育期,增加灌水頻率至5～6次,產(chǎn)量達(dá)最高(圖5),平均次灌水量25～30 mm,這種供水方式適用于滴灌等微灌技術(shù)。對于地面灌水,可根據(jù)實(shí)際情況盡可能加大灌水頻率、減少次灌水量的灌溉制度,可利用次灌水量40～50 mm、生育期灌水3～4次的灌水制度,據(jù)此模擬的冬小麥返青后1 m土層平均體積含水量為19%,相當(dāng)于占田間持水量的57.6%,可作為指導(dǎo)灌溉的土壤水分下限指標(biāo)(圖6)。

圖4 河北平原石家莊市欒城區(qū)利用APSIM模型模擬的年灌水總量210 mm條件下2009—2019年冬小麥和夏玉米生育期水量分配變化對兩種作物產(chǎn)量的影響Fig.4 Changes in grain yield for winter wheat and summer maize under different allocation of a limited total 210 mm irrigation water to two crops simulated by APSIM from 2009 to 2019 at Luancheng District of Shijiazhuang in the Hebei Plain

圖5 利用APSIM模型模擬的2009—2019年河北平原石家莊市欒城區(qū)冬小麥生育期可用水量150 mm條件下灌水次數(shù)變化對冬小麥產(chǎn)量的影響（圖中陰影部分表示95%置信區(qū)間的回歸估計值）Fig.5 Effects of irrigation frequency on grain yield of winter wheat under a limited total irrigation amount of 150 mm during the growing season from 2009 to 2019 at Luancheng District of Shijiazhuang of the Hebei Plain(the shaded part in the figure representing the regression estimate of the 95% confidence interval)

圖6 利用APSIM模型模擬的有限灌水下冬小麥生育期土壤水分下限指標(biāo)（0～1 m土層平均體積含水量）Fig.6 Simulated soil volumetric water contents for the top 1 m soil profile during winter wheat growing seasons using APSIM to indicate the low limit for irrigation scheduling of winter wheat

上述結(jié)果是針對欒城區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的,用上述實(shí)例說明利用校驗(yàn)后的APSIM可以進(jìn)行有限水優(yōu)化管理。本研究形成的精準(zhǔn)灌溉決策支持系統(tǒng)針對河北平原不同縣域的實(shí)際情況,進(jìn)行有限灌水的優(yōu)化,提出灌水下限指標(biāo),融合至專家決策支持?jǐn)?shù)據(jù)庫中。

2.4 田塊水平土壤水分動態(tài)預(yù)測預(yù)報方法驗(yàn)證

對公式1水量平衡方法預(yù)測的土壤水分變動與實(shí)測土壤水分變動進(jìn)行了對比分析,以評價利用土壤水分平衡方法預(yù)測土壤水分動態(tài)結(jié)果的可靠性。2018—2019年冬小麥和夏玉米生育期日參考作物蒸散量(ET)以及3種灌溉制度下實(shí)際日蒸散量如圖7所示。最小灌溉、關(guān)鍵期灌溉和充分灌溉冬小麥和夏玉米生育期葉面積指數(shù)在生長中后期差異明顯;受冠層大小和土壤含水量的影響,3個處理的日蒸散量隨生育期的變化差異逐漸增大。在最小灌溉、關(guān)鍵期灌溉和充分灌溉下生育期總耗水冬小麥季分別為284.4 mm、388.2 mm和533.1 mm,夏玉米則分別為212.6 mm、278.1 mm和388.4 mm。3個處理間水分條件有明顯差異,為驗(yàn)證水分平衡動態(tài)預(yù)測方法的可靠性提供了較好的土壤水分差異條件。

圖7 2018—2019年冬小麥和夏玉米最小灌溉（MI）、關(guān)鍵期灌溉（CI）和充分灌溉（FI）下葉面積指數(shù)、平均階段日蒸散量和參考作物日蒸散量的變化Fig.7 Changes in leaf area index,average daily evapotranspiration (ET) and reference crop ET for winter wheat and summer maize during 2018—2019 under full irrigation (FI),critical stage irrigation (CI) and minimum irrigation (MI)

利用水量平衡公式1和FAO56提供的實(shí)際作物耗水量雙作物系數(shù)估算方法,對2018—2019年冬小麥和夏玉米3個灌水處理下根層平均體積含水量進(jìn)行預(yù)測。其中冬小麥和夏玉米不同生育期根深如表2所示。土壤蒸發(fā)最大深度按照0.15 m計算,作物用水沒有發(fā)生水分虧缺的下限指標(biāo)按照冬小麥取土壤總有效水含量的55%、夏玉米取50%計算。土壤總有效水含量按照下式計算:

式中: TAW為對應(yīng)某一土壤深度的總有效水量(mm);為土壤田間持水量(/),為凋萎濕度(/),為根深(m)。根據(jù)欒城站長期觀測結(jié)果,沒有發(fā)生水分虧缺條件下冬小麥和夏玉米不同生育期作物系數(shù)如表2所示。當(dāng)根層土壤含水量低于有效含水量的45%(冬小麥)和50%(夏玉米),作物系數(shù)將隨著含水量的降低呈直線遞減,當(dāng)土壤含水量降低到凋萎濕度時,作物系數(shù)為0。欒城站2 m土層平均田間持水量按照33.0% (/)、凋萎濕度10.2% (/)計算。模型模擬和利用智墑儀測定的日平均土壤體積含水量的結(jié)果如圖8所示,3種灌溉制度下模擬和實(shí)測日土壤體積含水量的相關(guān)系數(shù)在0.95～0.97,兩者的吻合度較高,表明利用上述方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測根層土壤含水量的變動,用于指導(dǎo)灌溉決策。

圖8 2018—2019年冬小麥和夏玉米生長季最小灌溉、關(guān)鍵期灌溉和充分灌溉下利用水量平衡方法模擬和測定的根層平均土壤體積含水量日變化Fig.8 Simulated and measured daily average soil water contents for the major root zone profile of winter wheat and summer maize under minimum,critical stage and full irrigation schedules using the water-balance equation for the season of 2018—2019

表2 冬小麥和夏玉米不同生育期根深和充分供水下作物系數(shù)取值（根據(jù)欒城試驗(yàn)站田間試驗(yàn)結(jié)果確定）Table 2 Root depths and crop coefficients of winter wheat and summer maize at different growing stages without water stress(results are obtained from Luancheng Station)

2.5 針對不同壓采目標(biāo)的精準(zhǔn)控灌決策支持系統(tǒng)建立和運(yùn)行

基于上述方法獲取的縣域可用水量、限水灌溉下優(yōu)化灌溉制度和灌水指標(biāo)以及土壤墑情預(yù)報3個部分,形成精準(zhǔn)控灌決策支持?jǐn)?shù)據(jù)庫。建立的精準(zhǔn)控灌決策支持系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)戶輸入的地點(diǎn)、種植面積、灌水方式和用電卡編號,從后臺獲得以電折水系數(shù),通過國網(wǎng)農(nóng)業(yè)排灌計量數(shù)據(jù)庫獲取農(nóng)戶歷史灌溉用電數(shù)據(jù),將其折算成灌水量,決策系統(tǒng)后臺可以計算出該農(nóng)戶當(dāng)年可用水量、已用水量、剩余水量、上次灌水時間和灌水量; 利用系統(tǒng)自動獲取的農(nóng)戶所在地點(diǎn)的土壤情況、歷史氣象數(shù)據(jù)和未來7 d的天氣預(yù)報數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動開展土壤墑情預(yù)測,并根據(jù)剩余的灌水量和不同灌水條件下的灌溉制度,確定下一次灌水時間、灌水量,并顯示剩余水量。利用后臺土壤墑情預(yù)報系統(tǒng)時,農(nóng)戶可以選擇通過手機(jī)照片上傳到?jīng)Q策系統(tǒng)以及決策系統(tǒng)本身后臺獲取的遙感影像,對作物長勢進(jìn)行預(yù)判,對土壤墑情預(yù)報中所用的作物系數(shù)進(jìn)行實(shí)時更正。該系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行如圖9所示。

圖9 依托電力大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控灌決策支持系統(tǒng)工作流程框圖Fig.9 Precision irrigation decision system based on the electricity data in underground water pumping for implementation of limited groundwater withdraw scheme

該決策系統(tǒng)將形成手機(jī)APP和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行平臺兩種模式,并有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和專家決策系統(tǒng)進(jìn)行支持。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括了河北平原區(qū)各縣主要土壤類型、冬小麥和夏玉米不同生育期根系深度及作物系數(shù)、歷史氣象數(shù)據(jù)以及根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)計算的日參考作物蒸散量、不同區(qū)域地下水允許開采量、不同灌水方式下的以電折水系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。專家決策系統(tǒng)包括根據(jù)作物長勢進(jìn)行作物系數(shù)訂正、土壤水分動態(tài)預(yù)報和灌水時間和灌水量決策模塊。同時,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動獲取每日實(shí)際天氣數(shù)據(jù)和未來天氣預(yù)報數(shù)據(jù)以及請求獲取機(jī)井用電時間和用電電量數(shù)據(jù)的功能,為精準(zhǔn)控灌決策提供數(shù)據(jù)支撐。對于個人用戶,可以在智能手機(jī)端安裝精準(zhǔn)控灌決策APP,在開始使用時,在系統(tǒng)界面輸入自己的田塊信息、灌水方式和灌溉取水電表和電卡信息,系統(tǒng)將自動獲取灌溉取水井所在區(qū)域土壤情況、歷史氣象數(shù)據(jù)、未來天氣預(yù)報以及單位面積耕地允許的取水量,進(jìn)行土壤墑情預(yù)報和灌溉決策。政府管理者可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺,根據(jù)區(qū)域可用水資源量的變化,確定不同區(qū)域單位面積耕地地下水年可開采量,用于實(shí)施地下水開采量的動態(tài)調(diào)控。該系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在既可為農(nóng)戶灌溉提供指導(dǎo),也可為政府進(jìn)行地下水管控提供管理平臺。

3 結(jié)論

針對河北省地下水嚴(yán)重超采問題,2014年國家啟動地下水壓采政策,對農(nóng)業(yè)提出了以節(jié)水為核心的多項“壓采”舉措,治理的關(guān)鍵是控制地下水開采量。本研究提出的在確定不同區(qū)域地下水采補(bǔ)平衡下可利用地下水作為用水紅線,利用國網(wǎng)河北公司對農(nóng)業(yè)機(jī)井電氣化改造后的電力大數(shù)據(jù),通過以電折水,實(shí)現(xiàn)用水總量控制,使地下水開采從無序變?yōu)橛行蚶?逐步實(shí)現(xiàn)地下水壓采目標(biāo)。

在有限水供應(yīng)下,通過優(yōu)化灌溉時間和次灌水量提升單位耗水的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,彌補(bǔ)灌溉量減少帶來的產(chǎn)量降低。研究顯示河北平原典型地區(qū)在總灌水量一定條件下,冬小麥和夏玉米生育期灌水分配影響周年產(chǎn)量,冬小麥生育期灌水次數(shù)和灌水定額的不同組合產(chǎn)生較大的產(chǎn)量變異?？紤]兩個作物生育期降水差異,總灌水量實(shí)施冬小麥季75%、夏玉米25%的分配比例更利于周年產(chǎn)量的穩(wěn)定。夏玉米生育期出苗水灌溉是維持其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的保證,冬小麥季可根據(jù)灌溉技術(shù)的不同,盡可能采用高灌水頻率、低灌水定額的灌溉制度,根據(jù)年灌溉定額,制定土壤水分下限指標(biāo)進(jìn)行灌溉決策。

土壤墑情精準(zhǔn)預(yù)報是實(shí)施精準(zhǔn)灌溉決策的保證。基于水量平衡方法的土壤水分動態(tài)變化是實(shí)用、簡便的土壤墑情預(yù)測方法,本研究的結(jié)果表明了該方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測土壤水分動態(tài)。在利用該方法預(yù)測過程中需要準(zhǔn)確確定作物系數(shù),作物系數(shù)的確定可以通過歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定,并可通過實(shí)際作物長勢進(jìn)行修訂。得益于現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,田間作物長勢可以通過手機(jī)照片、無人機(jī)和遙感監(jiān)測手段獲取,通過圖像解析,得到作物植被指數(shù),對作物系數(shù)進(jìn)行修訂,增加水分平衡方法預(yù)測土壤水分的準(zhǔn)確性。

在上述研究基礎(chǔ)上,建立的精準(zhǔn)控灌決策系統(tǒng),通過用電數(shù)據(jù)獲知農(nóng)戶單獨(dú)地塊的灌水時間和灌水量的基礎(chǔ)上,進(jìn)行土壤墑情監(jiān)測和旱情預(yù)警,根據(jù)不同限水灌溉下的優(yōu)化灌溉制度和灌水指標(biāo),進(jìn)行灌溉決策,指導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行科學(xué)灌溉。整個決策系統(tǒng)形成手機(jī)APP和計算機(jī)端管理平臺,對于個人用戶可以在手機(jī)上輸入針對機(jī)井和種植地快的相關(guān)條件,就可實(shí)現(xiàn)灌溉決策,提升限水灌溉作物產(chǎn)量,促進(jìn)地下水壓采工作的開展。政府管理者可以在管理平臺調(diào)控不同區(qū)域單位面積耕地可利用的地下水量,實(shí)現(xiàn)地下水用水總量控制。對于個人用戶,該系統(tǒng)既可滿足規(guī)模經(jīng)營的農(nóng)場或農(nóng)業(yè)合作社,也能滿足一家一戶分散經(jīng)營模式,把農(nóng)田墑情模擬與灌溉預(yù)報技術(shù)與地下水壓采相結(jié)合,推動區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,是具有廣泛應(yīng)用前景的決策支持系統(tǒng)。