一种高效节水灌溉方法与流程

1.本发明涉及一种灌溉管理技术领域，具体涉及一种灌溉速率及时间的确定方法的设计。


背景技术：

2.目前，世界上超过40%食物是通过灌溉农业生产出来的，农业灌溉用水占据了世界淡水资源总量的70%。在中国大部分地区，特别是华北、西北部地区存在严重供水不足的问题，而农业生产对水资源依赖很强，缺水干旱将严重影响农业粮食产量，直接会影响农业农民的经济来源，进而成为严重的社会问题。其次，农业水灌溉技术比较落后，常用的灌溉方式还停留在经验灌溉阶段，这样势必造成过量灌溉，农业水损失极其严重。再次，过渡灌溉形成径流，会因侵蚀而造成有价值的耕种土壤流失，以及由于沉积物和农药的转移而造成地表水的污染，长期积水可能会导致土壤通气问题，导致农作物减产和致病。
3.现有的田间灌溉控制技术，主要通过监测温度、土壤含水率和水位等灌溉信息，调节田间的灌溉水量。但仍存在以下技术问题：不管是研究有限水量在作物整个生育期的不同阶段的优化配置水量，还是研究灌溉信息的监控，都缺乏提出在灌溉过程中有操作性的具体的灌溉控制方法。灌溉不仅需要考虑各个阶段作物需要的水量，更需要调配合理的灌溉速率和灌溉时间，在满足灌溉需求的基础上避免形成积水和径流，以便灌溉水都能到达作物根部区域。当施用量或灌溉事件的持续时间超过土壤的渗透能力时，部分施用的水流入径流，实际上仅部分估计的需水量提供给了农作物，使得用水效率降低。相反，如果灌溉速度过低且灌溉时间过长，使得灌溉过程中水量的损耗、灌溉成本过高，影响灌溉效益。
4.综上，针对现有的灌溉控制技术急需一种确定有效灌溉方式的方法，以确定合理的灌溉速度和灌溉持续时长，避免形成积水和径流。


技术实现要素：

5.针对现有的各农作物生育期所需的灌溉水量和灌溉时间的问题，提出了一种基于渗透过程的简单的基于物理的方法，该方法有助于设计有效的灌溉方式，即确定合适的灌溉速度和持续时间。
6.本发明的技术方案为：一种高效节水灌溉方法，包括以下步骤：步骤1、干燥土壤湿度背景以及土壤有效厚度测定在土壤层干燥期间，采用fdr型和tdr型土壤湿度传感器在田间随机均匀选择3~5处土壤进行湿度测量，得到标定土壤的背景体积湿度值s0，单位为%；同时在湿度测量处通过钻孔测得灌溉有效土壤厚度h；步骤2、干燥土壤田间渗透试验在已进行过湿度测量的位置，开展双环渗透实验，以测定土壤的渗透能力；（1）安装好环法渗水试验装置；（2）往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都保持在同一高度，以不超过0.1m为宜；
（3）按一定的时间间隔观测渗入水量，即对应环中连接的带有刻度的供水桶水量vi，一般为3~30分钟观察一次，累计观察1~6小时，直到渗入水量稳定不变；步骤3、干燥土壤渗透速度拟合标定步骤2中的渗透均是饱和渗透，属于各时间节点的最大渗透速度，制作时间点t，与最大渗入速度q
cap
(t)的关系图，即
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（1）其中表示最大渗入速度，单位为mm/h; t表示时间，单位为小时，vi表示第ti个时间点带有体积刻度的供水桶剩余水量，单位：毫米；v
i-1
表示第t
i-1
个时间点带有体积刻度的供水桶剩余水量，单位：毫米。
7.horton（1941年）的经验方程式提供了渗透过程中最大渗透速度随t的指数衰减的数学描述进行拟合，即
ꢀꢀꢀ
（2）其中表示时间为t时的渗透速度，单位：mm/h；qf为最终渗透速度，单位：mm/h，q0为初始渗透速度，单位：mm/h，α渗透速度衰减常数，t为时间，单位：分钟；通过拟合求取α，qf以及q0的值。
8.步骤4、实际灌溉量的确定根据各作物每个阶段的对土壤湿度的要求确定土壤灌溉达到的目标湿度s（据《农业灌溉用水定额》）查询，灌溉有效土壤厚度h；再采用fdr型和tdr型土壤湿度传感器在田间随机均匀选择3~5处土壤进行湿度测量，得到灌溉前的土壤体积湿度值s1；即实际所需灌溉水量p
t
可以表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）公式中p
t
表示为实际所需灌溉水量，单位：mm；s1为灌溉前的土壤湿度，单位：无刚量；h为灌溉有效土壤厚度，单位为mm；步骤5、实际最大灌溉速度和灌溉时间的确定为了使灌溉水不形成径流，相同时间段内，实际灌溉量不能大于土壤的最大渗透量，通过公式（2）可知，时间t阶段内，土壤的最大渗入量可以通过公式（2）积分而来，可表示为：（4）上式中，t1为灌溉前土壤湿度值相对于测试点背景湿度所需的最小渗透时间，单位：小时；t2为灌溉后目标土壤湿度值相对于测试点背景湿度所需的最小渗透时间，单位：小时；t表示在最大渗透速率下，从灌溉前土壤湿度值到灌溉后目标土壤湿度值所需的时间，t=t
2-t1。
9.因为土壤的测试点背景平均湿度值为s0，灌溉前的土壤湿度值平均湿度值s1，灌溉有效土壤厚度h，即从背景平均湿度值s0到灌溉前的土壤平均湿度值s1对应的变化含水量p1表示为
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）此时，当实际灌溉量p
t
与土壤的最大渗入量i(t)相等时，此时的灌溉速度是保证灌溉不产生径流的最大灌溉速度，对应的时间为不产生径流的最短灌溉时间，即i(t)=p
t
，进一步地（6）对公式（6）进一步处理，当t2=t1，t1=0，即从背景平均湿度值s0到灌溉前的土壤平均湿度值s1对应的变化含水量p1与最大渗入量i(t)相等时，为灌溉前土壤湿度值相对于测试点背景湿度所需的最小渗透时间，即i(t)= p
1 ꢀꢀ
（7）求解公式（6和7），得到不产生径流的最短时间t1，t2以及灌溉前土壤湿度值到灌溉后目标土壤湿度值不产生径流的最短时间t，t= t2-ꢀ
t1。
10.即其对应的最大灌溉速度v
max
为：
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（8）对于整块耕地来说，最大供水速度表示为
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）上式中表示最大供水速度，单位为m3/h；a表示耕地面积，单位为m2。
11.本发明一种高效节水灌溉方法，其特征在于，所述步骤2的田间双环渗透试验，包括渗水双环，两套带有刻度的供水桶、胶带、橡皮管、止水夹、铁锹、尺子，所述的渗水双环为两个高约50cm，直径分别为0.25m和0.5m的铁环；所述若干要填在试环底部的小砾石。
12.本发明一种高效节水灌溉方法，其特征在于，所述步骤1或步骤4中的湿度测量，可以采用重量法、负压计法、中子法或遥感法测定。
13.本发明一种高效节水灌溉方法，其特征在于，所述步骤2中的干燥土壤田间渗透试验，也可以采用改进型单环渗透实验。
14.本发明一种高效节水灌溉方法，其特征在于，所述步骤2中的田间双环渗透试验，其所注水的水源为灌溉水，在试验前对其初步沉淀，去掉其底部的泥沙再进行试验。
15.本发明一种高效节水灌溉方法，其特征在于，所述步骤3中最大渗透速度随t的拟合方法采用最小二乘法拟合。
16.本发明的有益效果本发明的有益效果是：本发明根据实测的相对干燥田间的背景含水量，按照田间土壤灌溉水渗透速度曲线的拟合，建立起渗入速度、渗入水量与时间的关系，结合灌溉期所需的灌溉目标及灌溉期的含水量确定实际所需灌溉水量，通过土壤渗入速度、渗入水量的限制，建立起最大灌溉速度与灌溉时间的关系。实现了田间灌溉的精确控制，提升了灌溉效率，节约了灌溉用水，能够有效防止了灌溉水的径流，避免造成水体污染，同时加强了田间灌溉过程的可控性，并提升了灌区的管理水平。所以，本发明具有明显的可靠性、通用性、经济性，因此，具有很好的推广应用前景。
附图说明
17.附图1 为本发明提供的一种高效灌溉方法确定灌溉速度及时间的方法。
18.附图2为本发明实施例提供的土壤渗透速度拟合标定及计算的实际最大灌溉速度与灌溉时间。
具体实施方式
19.现结合参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
20.本发明实施例提供了一种高效灌溉方法，一种灌溉速率及时间的确定方法，如图1所示，包括以下步骤1~步骤5。
21.步骤1、干燥土壤湿度背景以及土壤有效厚度测定实施例选择的耕地为某地一块麦地，面积为1.3亩。在旱季（枯水期，11月份中旬），在麦地中随机选择了3处土壤采用fdr型土壤湿度传感器进行湿度测量，含水量分别为10.84%、11.31%、11.05%，即其干燥土壤的背景湿度值s0为11.07%；同时在湿度测量处通过钻孔测得灌溉平均有效土壤厚度h为100cm；步骤2、干燥土壤田间渗透试验在进行过湿度测量的位置，开展改进型双环渗透实验，以测定土壤的渗透能力；首先，安装好环法渗水试验装置；该田间双环渗透试验，包括渗水双环，两套带有刻度的供水桶、胶带、橡皮管、止水夹、铁锹、尺子，所述的渗水双环为两个高约50cm，直径分别为0.25m和0.5m的铁环；所述若干要填在试环底部的小砾石，所述供水桶的直径为0.25m；其次，往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都保持在同一高度，以不超过0.1m为宜；再次，按一定的时间间隔观测渗入水量，即对应第i个时间间隔环中连接的带有体积刻度的供水桶剩余水量vi（毫米)，前15分钟按照4分钟观察记录一次，往后每隔 6分钟观察记录一次，累计观察1.5小时，直到渗入水量稳定不变，具体实验数据为：表1 每个时间点（分钟）对应的供水桶剩余水量（毫米）、渗入水量（毫米）以及渗入速度（毫米/小时）对比表
时间/t048121723293540供水桶水量/vi700697.3695.1693.4691.7690.2689.0688.0687.3
渗入水量/(v
i-1-vi)-2.72.21.71.71.51.31.00.7渗入速度(qcap(t))-4033.226.0519.8614.9512.610.158.44
时间/t4652586470768288供水桶水量/vi686.5685.8685.1684.6684.0683.5683.0682.5渗入水量/(v
i-1-vi)0.80.70.60.60.50.50.50.5渗入速度(qcap(t))7.657.16.45.85.355.1555
步骤3、干燥土壤渗透速度拟合标定步骤2中的渗透均是各时间点的最大渗透速度，其中，制作时间点t与渗入速度qcap(t)的关系图，所得的qcap(t)与时间t的关系图见附图2。
22.horton（1941年）的经验方程式提供了渗透过程中最大渗透速度qcap(t)随t的指数衰减的数学描述进行拟合，即通过
ꢀꢀ
（10）拟合得到试验区的时间点t与最大渗透速度qcap(t)的关系公式为
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（11）其中qcap(t)表示时间为t时的最大渗透速度，单位：mm/h；qf为准最终渗透速度，单位：mm/h，q0为初始渗透速度，单位：mm/h，α渗透速度衰减常数，t为时间，单位：小时；步骤4、实际灌溉量的确定根据各作物每个阶段的对土壤湿度的要求确定土壤灌溉达到的目标湿度s，灌溉期正好为冬小麦的灌浆期，根据冬小麦灌浆期灌溉要求，其出苗期的土壤目标湿度为40%（据《农业灌溉用水定额:小麦》），灌溉有效土壤厚度h为20cm；再采用fdr型和tdr型土壤湿度传感器在田间随机均匀选择3处土壤进行湿度测量，得到灌溉前的土壤湿度值分比为16.4%、15.8%、16.3%，即其平均湿度s1为16.17%；即实际灌溉量p
t
可以表示为：
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（12）步骤5、实际最大灌溉速度和灌溉时间的确定为了不形成径流，相同时间段内，实际灌溉量不能大于土壤的最大渗透量，通过公式（11）可知，时间t阶段内，土壤的最大渗入量i(t)可以通过公式（11）积分而来，具体表示为：
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（13）上式中，t1为灌溉前土壤湿度值相对于测试点背景湿度所需的最小渗透时间，单位：小时；t2为灌溉后目标土壤湿度值相对于测试点背景湿度所需的最小渗透时间，单位：小时；t表示在最大渗透速率下，从灌溉前土壤湿度值到灌溉后目标土壤湿度值所需的时间，t=t
2-t1。
23.因为本实施例中土壤的测试点背景平均湿度值s0为11.07%，灌溉前的土壤湿度值平均湿度值s1为16.17%，灌溉有效土壤厚度h为20cm，即从背景平均湿度值s0到灌溉前的土壤平均湿度值s1对应的变化含水量p1表示为
ꢀꢀꢀꢀ
（14）此时，当实际灌溉量p
t
与土壤的最大渗入量i(t)相等时，此时的灌溉量是保证灌溉不产生径流的最大灌溉量，对应的时间为不产生径流的最短灌溉时间，即ⅰ(t)=p
t
，进一步地（15）其中，对公式（15）进一步处理，当t2=t1，t1=0，即从背景平均湿度值s0到灌溉前的土壤平均湿度值s1对应的变化含水量p1与最大渗入量i(t)相等时，为灌溉前土壤湿度值相对于测试点背景湿度所需的最小渗透时间，即i(t)= p1ꢀꢀ
（16）求解公式（15和16），得到不产生径流的最短时间t1=0.32h，t2=9.25h，t= t2-ꢀ
t
1 =8.93h。
24.即在不产生径流的情况下，从灌溉前土壤湿度值到目标土壤湿度值最端时间为8.93小时，即其对应的最大灌溉速度为：（17）对于整块麦地来说，最大供水速度表示为 （18）其中a表示试验地面积，单位为亩。即当水泵供水速度超过4.63m3/h时，就可能形成灌溉水的径流，造成灌溉水从地表流失，并形成水体污染。
25.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。