基于WinSRFR軟件的農(nóng)田水利灌溉優(yōu)化組合模型研究

李勛章，付梁其，潘 磊，何曉靜

（1.常州市金壇區(qū)水資源管理服務(wù)中心，江蘇 常州 213200；2.常州市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 常州 213000；3.常州市金壇區(qū)水利規(guī)劃服務(wù)中心，江蘇 常州 213200；4.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213002）

針對江蘇省常州市金壇區(qū)的灌溉系統(tǒng)，本文采用地表水灌溉WinSRFR 模型和地下水灌溉SWAP模型，同時模擬地表水和地下水的流量，形成組合化模擬模型；確定最佳灌溉深度和灌溉次數(shù)，提高灌溉用水效率，達到農(nóng)田灌溉效率優(yōu)化的效果[1]。

1 研究區(qū)域概況

常州市金壇區(qū)地處江蘇省南部，位于北緯31°33'42″～31°53'22″、東經(jīng)119°17'45″～119°44'59″，該地區(qū)的農(nóng)作物生長主要依賴灌溉用水。金壇區(qū)常采用壟溝系統(tǒng)或管道系統(tǒng)進行灌溉，共有9個分區(qū)，每個分區(qū)灌溉約8 h，通常在4 d 內(nèi)完成一輪完整的灌溉。河水通過泵站、運河和管道網(wǎng)絡(luò)輸送至農(nóng)田。

2 模型方法

本研究采用了組合模型的方法：SWAP 模型用于確定灌溉計劃和灌溉深度，而WinSRFR 模型用于確定土壤入滲功能和優(yōu)化灌溉方案。組合模型的建模過程，如圖1所示。

圖1 基于WinSRFR軟件的農(nóng)田水利灌溉優(yōu)化組合模型

2.1 SWAP模型

為了使灌溉期間的鹽分浸出厚度保持在SWAP模型可接受的范圍內(nèi)，本文采用如下公式計算鹽分浸出厚度[2]：

式中：LR為浸出厚度（mm）；LF為浸出分?jǐn)?shù)；Dir為灌溉深度（mm）；ECiw為灌溉水的電導(dǎo)率（S/m）；ECe為所需土壤飽和糊狀提取物的鹽度。

在高蒸騰和低蒸騰的根系水分吸收期間，內(nèi)澇和干旱脅迫被模擬為潛在蒸騰減少系數(shù)的函數(shù)。相對作物產(chǎn)量Yact/Ypot的計算公式如下[3]：

式中：Yact為實際產(chǎn)量（kg）；Ypot為潛在產(chǎn)量（kg）；Tact為實際蒸騰量（mm）；Tpot為潛在蒸騰量（mm）。

為了描述土層的水力特性，SWAP 模型使用的土壤水力函數(shù)如下[4]：

式中：θ為體積含水量（cm3/cm3）；θres為殘余含水量（cm3/cm3）；θsat為飽和含水量（cm3/cm3）；h為土壤水頭（cm）；α（1/cm）、n和m為經(jīng)驗形狀因子；K為水力傳導(dǎo)率（cm/d）；Ksat為飽和水力傳導(dǎo)率（cm/d）；λ為形狀參數(shù)；Se為相對飽和度。

2.2 WinSRFR模型

WinSRFR 模型的校準(zhǔn)主要依靠滲透指標(biāo)進行，在使用WinSRFR 模型評估或優(yōu)化地面農(nóng)田灌溉前，必須首先使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型。當(dāng)模擬入滲函數(shù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)中的土壤入滲函數(shù)相匹配時，即可在WinSRFR 模型中進行校準(zhǔn)。土壤入滲函數(shù)計算公式如下[5]：

式中：Z為累積入滲深度（mm）；k和a為經(jīng)驗擬合參數(shù)；b為基本入滲率（mm/h）；t為入滲時間（h）；c為初始快速滲透到裂縫中的深度（mm）。k、a、b和c根據(jù)現(xiàn)場實測確定。

在研究區(qū)域現(xiàn)場開展數(shù)據(jù)收集工作，并選取了7 條具有代表性的相鄰壟溝。每條壟溝寬1.83 m，分別用5 個木柱標(biāo)記。木柱位于距離壟溝上游端0、60、120、180 和240 m 的位置，如圖2 所示?，F(xiàn)場收集數(shù)據(jù)如下：①使用帶刻度的水桶和秒表測量每條壟溝的灌溉流量，并控制灌溉用水到達不同的位置，如圖2 中灰色水體所示；②土壤的基本入滲率使用雙環(huán)入滲儀測定，入滲儀安裝在壟溝中央位置（圖2 中的F（m））；③通過測量獲得壟溝的平均橫截面幾何形狀，并以20 m 的間隔沿壟溝測量縱向坡度。

圖2 WinSRFR模型模擬試驗中測試壟溝示意

在實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用WinSRFR 模型優(yōu)化灌溉流量為1.0～4.0 L/s，截止時間為0～20 h，壟溝縱向坡度范圍為0.02%～0.12%。模型輸入數(shù)據(jù)是所需灌溉深度、壟溝幾何形狀（長度、形狀、坡度）、土壤入滲函數(shù)、流量和截止時間。當(dāng)最小灌溉深度等于所需灌溉深度75 mm 時，模型輸出內(nèi)容為優(yōu)化的流量大小、應(yīng)用均勻性、分布均勻性和截止時間曲線。最后，選擇最大化的應(yīng)用效率和分布均勻的流量及截止時間作為實際優(yōu)化灌溉的依據(jù)。

3 模擬結(jié)果

對于天氣和作物數(shù)據(jù)，本研究將來自江蘇省氣象站的每日氣象數(shù)據(jù)和研究區(qū)2021 年的農(nóng)作物數(shù)據(jù)輸入SWAP 模型中，如圖3 所示。在高蒸騰和低蒸騰的根系水分吸收期間，相對作物產(chǎn)量和土壤水力函數(shù)則依據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場試驗確定。

圖3 試驗區(qū)內(nèi)自然數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.1 SWAP模型的校準(zhǔn)和驗證

SWAP 模型在驗證期間模擬地下水位深度的結(jié)果與觀測值的平均值顯著相關(guān)。當(dāng)排水水位以上（K上）和以下（K下）土壤的水力傳導(dǎo)率分別調(diào)整為1.5和4.0 cm/d 時，發(fā)現(xiàn)了兩者最佳相關(guān)性，SWAP 模型標(biāo)定參數(shù)結(jié)果詳見表1。在驗證期間，SWAP模型在預(yù)測地下水位深度方面的性能結(jié)果也顯示出觀測值和模擬值之間的良好一致性，MAE為11.02 cm，RMSE為25.00 cm。在校準(zhǔn)和驗證期間，負(fù)CRM值分別為-0.90 和-1.09，表明SWAP 模型估算地下水位深度的誤差較小。SWAP 模型統(tǒng)計分析結(jié)果，詳見表2。

表1 SWAP模型標(biāo)定參數(shù)結(jié)果 cm/d

表2 SWAP模型統(tǒng)計分析結(jié)果

3.2 WinSRFR模型應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)在土壤深度75 mm 處，水的滲透作用比162 mm深度處更大，即使在滲透深度較低的壟溝長度的1/4 處，平均接收到的水量也是需要量的1.8倍。綜合所有灌溉壟溝的灌溉效率，可得整體灌溉效率約為47%，這意味著超過1/2的灌溉用水因深層滲漏而流失。灌溉用水的滲漏損失進而影響作物產(chǎn)量值。例如，在F（-2）和F（-3）中，壟溝下游端的產(chǎn)量比上游端低30%。WinSRFR 模型優(yōu)化灌溉評估結(jié)果，詳見表3。由表3 可知，3.0 L/s 的流量和3.2 h的截止時間適合0.02%的坡度，而1.6 L/s 的流量和6.5 h的截止時間更適合0.12%的坡度。

此外，在坡度小于0.05%的壟溝中，最小和最大入滲深度分別出現(xiàn)在下游端和上游端。而在坡度大于0.05%的壟溝中，最大入滲深度出現(xiàn)在下游端。坡度較緩的情況下，灌溉用水的應(yīng)用效率和分布均勻性更高。對于0.02%和0.12%的坡度，優(yōu)化灌溉實踐的應(yīng)用效率分別為95%和88%時同時停止灌溉。

4 結(jié)論

本文對WinSRFR模型中研究區(qū)域所需灌溉深度75 mm 的封閉壟溝灌溉優(yōu)化結(jié)果表明：當(dāng)前實踐中的2.5 L/s流量和8 h截止時間應(yīng)分別減少到2.2 L/s和4.5 h，可使應(yīng)用效率從47%增加到92%；隨著壟溝坡度從0.02%增加到0.12%，優(yōu)化的灌溉流量從3.0 L/s 減少到1.6 L/s，而截止時間從3.2 h 增加到6.5 h。本文研究指出了土地平整和壟溝形狀對于實現(xiàn)高灌溉效率和分布均勻性的重要性。