CN110197437A - 一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，具体包括以下步骤：步骤1：结合盐渍灌区常规种植条件下作物生长发育所需的灌溉水深，设置不少于3组的根区盐分淋洗水深；步骤2：测定电导率、耐盐阈值、减产系数，确定减产程度；步骤3：根据淋洗比例和减产程度确定单位灌溉水利用效率；步骤4：确定淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率的关系，获取拟合系数；步骤5：根据拟合系数确定单位灌溉水利用效率最大值和最佳淋洗比例；步骤6：根据最佳淋洗比例和灌溉水深确定最优的总灌溉水深。本发明解决了当前盐渍灌区的灌溉水利用效率调控周期长、人力物力消耗大、对操作者要求高等问题，提供了智能节水灌溉的新方法，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于农业水土工程技术领域，涉及一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法。
背景技术
在旱区土壤盐渍化及淡水资源短缺背景下，灌区土壤含盐量较高或采用微咸水灌溉均会对作物的生长发育过程产生不同程度的水盐胁迫，从而影响作物生长及产量提高，进而降低灌溉水的利用效率。通过采用合理的灌溉制度可有效调控土壤水盐分布及淋洗盐分从而缓解水盐胁迫对作物生长、产量、灌溉水利用效率的不利影响。
科研人员对盐渍灌区的作物灌溉制度开展了大量研究。值得注意的是，保持一定量的根区盐分淋洗水量对维持盐渍灌区生态***稳定性以及保证作物高产等具有重要意义。部分研究指出灌溉量较低时，根区一般不会产生盐分淋洗且易导致灌溉水带入的盐分累积在根区，对作物生长不利；部分研究认为过量灌溉会产生较大的盐分淋洗过程，不仅使得根区的盐分和养分进入地下水，造成灌溉水利用效率降低和地下水环境污染，还会导致地下水位快速上升进而加剧土壤次生盐渍化。灌溉水的利用效率通常被定义为作物的经济产量与其灌溉水量二者的比值。
目前，有关灌溉水利用效率的研究较多，大多采用田间灌溉试验和数值模拟模型这两种研究方法。田间灌溉试验是针对所研究的作物类型通过在田间布置多个灌溉水量处理，采用田间观测及原位采样分析的方法获取研究时段内不同灌溉量对作物产量及灌溉水利用效率的影响；田间灌溉试验周期一般较长，观测的指标多(如：气象资料、土壤质地与容重、土壤含水量、土壤养分含量，作物的株高、叶面积、生长期、灌溉量及水质等)且工作量大，影响作物生长的因素较多，限制了该方法在大区域及大范围的应用。考虑到田间灌溉试验费时费力且影响因素多而不易控制，通过数值模拟模型方法也可以进行灌溉水利用效率的研究，其主要用于分析灌区农田灌溉对作物产量的影响以及比较灌溉水管理、调度策略的优劣。数值模拟模型着重利用计算机仿真技术对作物生长发育过程及灌溉水利用效率的动态进行定量的描述和预测分析，数值模拟模型运行所需的数据大多包括：气象数据(如：逐日的蒸发量、降水量和太阳辐射等)、土壤数据(如：土壤分层、水分特征曲线、容重、导水率、土壤养分等)、灌溉制度和灌溉方式以及作物数据(如：播种期、播深、不同生育期的确切时间等)。但是这些数值模拟模型通常需要输入大量精确测量的参数和试验数据(如：土壤含水量、土壤养分含量等)才能运行，且这些数值模拟模型在使用时有诸多限制条件和假设条件，这要求使用者必须具备较高的科学知识及具备计算功能强大的计算机***才能保证计算机输出的结果的可靠性和正确性，以上这些严重限制了数值模拟模型方法的使用。如何通过简单、易于测定的指标来判断作物的减产程度、灌溉水利用效率，以及优化盐渍灌区的灌溉水深，同时省工省力又适合管理人员操作，以便于及时通过调整灌溉制度从而调控灌区的灌溉水利用效率已成为当前盐渍灌区农业生产中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，解决了现有技术中存在的因田间试验周期长及田间试验影响因素较多、数值模拟模型对计算机***的硬件配置及对使用者的专业科学知识的要求较高而造成的难以调控灌溉水利用效率的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：结合盐渍灌区常规种植条件下作物生长发育所需的灌溉水深，设置不少于3组的根区盐分淋洗水深，计算淋洗比例；
步骤2：测定灌溉水的电导率、作物的耐盐阈值与减产系数，结合淋洗比例确定盐渍灌区的作物减产程度；
步骤3：根据淋洗比例和作物的减产程度确定盐渍灌区的单位灌溉水利用效率；
步骤4：通过二次曲线确定多组(不少于3组)淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率的关系，获取三个拟合系数；
步骤5：根据拟合系数确定盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值和最佳淋洗比例；
步骤6：根据最佳淋洗比例和灌溉水深确定盐渍灌区最优的总灌溉水深。
本发明的特点还在于：
步骤1中，盐渍灌区的总灌溉水深在设计时，既要考虑满足作物生长发育所需的灌溉水深，还要保证根区(一般指深度为0-100cm的土层)有一定的盐分淋洗水深以淋洗根区过量盐分、确保灌区的水盐平衡。盐渍灌区的淋洗比例通过如下公式计算：
式中，LF为盐渍灌区盐分的淋洗比例，I为作物生长发育需要的灌溉水深，D为淋洗根区过量盐分的盐分淋洗水深。
步骤2中，盐渍灌区作物的减产程度通过如下公式计算：
式中，RY为盐渍灌区作物的减产程度，ECw为灌溉水的电导率，a为耐盐阈值，b为减产系数，LF为淋洗比例。
作物的耐盐阈值和减产系数可通过查阅***粮农组织灌溉排水丛书第56分册或农田的灌溉试验获得。
步骤3中，单位灌溉水利用效率计算公式如下：
其中R(IA)的计算公式为：
总灌溉水深的计算公式为：IA＝I*(1+LF)；
即：
式中，RWPI为单位灌溉水利用效率，RY为盐渍灌区作物的减产程度，R(IA)是相对灌溉水深可通过灌溉水深与总灌溉水深的比值，IA为总灌溉水深，I为作物生长需要的灌溉水深，LF为淋洗比例。
步骤4中，淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率的关系可通过二次曲线进行描述，通过将多组(不少于3组)的淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率拟合，进而获取拟合系数，具体为如下公式：
RWPI＝e*LF*LF+f*LF+g
式中，RWPI为单位灌溉水利用效率，LF为淋洗比例，e、f、g为拟合系数。
步骤5中，盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值通过如下公式获取：
最佳淋洗比例通过如下公式获取：
式中，S为盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值，e、f、g为多组(不少于3组)的淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率拟合获取的拟合系数，SLF为最佳淋洗比例。
步骤6中，盐渍灌区最优的总灌溉水深根据如下公式确定：
SIA＝I×(1+SLF)
式中，SIA为盐渍灌区最优的总灌溉水深，I为作物生长需要的灌溉水深，SLF为最佳淋洗比例。
本发明的有益效果是，通过监测易于测定的灌溉水电导率指标，调控并优化盐渍灌区的总灌溉水深和单位灌溉水利用效率，达到节水高效的目同时，又节省人力物力，避免因过量灌溉进一步加重盐碱灌区的次生盐渍化，从而节约了灌溉费用，实现了灌溉水的高效利用。
附图说明
图1是本发明一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，如图1所示。本实施例在新疆库尔勒地区盐渍灌区进行，主要步骤如下：
步骤1：新疆维吾尔自治区石河子地区淡水资源缺乏而浅层的微咸水丰富，盐碱地面积大，光热资源充足，适宜种植耐盐碱性较强的棉花等作物。当地常规棉田满足棉花生长发育所需的灌溉水深一般为500mm。
石河子地区的安集海灌区，当地大面积集中连片种植耐盐碱性较强的棉花，当地淋洗棉田根区过量盐分的盐分淋洗水深通常为25-100mm。
淋洗比例：通过如下公式：
式中，LF为盐渍灌区盐分的淋洗比例，I为作物生长发育需要的灌溉水深，D为淋洗根区过量盐分的盐分淋洗水深。
进而可以确定当地常用的盐分淋洗比例为0.05-0.20。本实施例中淋洗比例分别选取三组，为：0.06、0.10、0.16。
步骤2：首先确定作物的耐盐阈值及减产系数：通过查阅***粮农组织(FAO)灌溉排水丛书第56分册可知棉花的耐盐阈值及减产系数分别为7.7dS/m和5.2％，详见表1。
表1棉花的耐盐参数
确定灌溉水的电导率，经现场测定新疆石河子地区安集海灌区的灌溉水电导率为4dS/m。
盐渍灌区的作物减产程度：结合给定的盐分淋洗比例、灌溉水电导率、棉花的耐盐阈值及减产系数，通过如下公式：
式中，RY为盐渍灌区作物的减产程度，ECw为灌溉水的电导率，a为耐盐阈值，b为减产系数，LF为淋洗比例。
进而可以获得不同淋洗比例下的盐渍灌区的棉花减产程度，如表2所示。
表2棉花的减产程度
| 淋洗比例 | 0.06 | 0.10 | 0.16 |
| 灌溉水电导率(dS/m) | 4 | 4 | 4 |
| 减产程度(％) | 82.45 | 36.23 | 10.23 |
步骤3：盐渍灌区的单位灌溉水利用效率：通过如下公式：
其中R(IA)的计算公式为：
盐渍灌区的总灌溉水深在设计时，既要考虑满足作物生长发育所需的灌溉水深，还要考虑根区的盐分淋洗。总灌溉水深的计算公式为：IA＝I*(1+LF)；
即：
式中，RWPI为单位灌溉水利用效率，RY为盐渍灌区作物的减产程度，R(IA)是相对灌溉水深可通过灌溉水深与总灌溉水深的比值，IA为总灌溉水深，I为作物生长发育需要的灌溉水深，LF为淋洗比例。
进而获取不同淋洗比例下的单位灌溉水利用效率，具体如表3所示。
表3盐渍灌区棉田的单位灌溉水利用效率
步骤4：将得到的盐分淋洗比例数据及对应的单位灌溉水利用效率数据输入到OFFICE办公软件EXCEL表格中，通过多组(不少于3组)淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率的关系可通过二次曲线进行描述：
RWPI＝e*LF*LF+f*LF+g
式中，RWPI为单位灌溉水利用效率，LF为淋洗比例，e、f、g为拟合系数。
具体为通过二次项函数拟合功能可以快速获得拟合参数e、f、g的值及方程：
RWPI＝-7221.7*LF*LF+2311*LF-95.11
式中e为-7221.7、f为2311、g为-95.11。
本步骤中也可以通过联立方程组的方式进行求解。
步骤5：盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值可通过如下公式获取：
最佳淋洗比例通过如下公式获取：
式中，S为盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值，e、f、g为多组(不少于3组)的淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率通过二项式函数拟合后获取的拟合系数，SLF为最佳淋洗比例。
通过计算，对应的盐渍灌区的盐分最佳淋洗比例为0.16，灌区的单位灌溉水利用效率的最大值为89.77％。
步骤6：已知盐渍灌区的盐分的最佳淋洗比例为0.16和棉花的灌溉水深为500mm，则盐渍灌区的总灌溉水深可通过如下公式获取：
SIA＝I*(1+SLF)
式中，SIA为盐渍灌区最优的总灌溉水深，I为作物生长需要的灌溉水深，SLF为最佳淋洗比例。
因此总灌溉水深通过计算可调整为580mm，此时对应的灌区的单位灌溉水利用效率可达到最大值为89.77％。
通过采用这种方法，盐渍灌区棉田的总灌溉水深调整到580mm，即减少了过量的灌溉水带入的盐分引起的棉花减产且有效淋洗了根区盐分，同时提高了单位灌溉水利用效率，节约了宝贵的灌溉水资源，避免了过量灌溉引发的灌区次生盐渍化问题，达到了节水、高产、高效的目的。本发明的方法节省了大量的人力物力，操作步骤简单，监测指标少，计算流程易操作，具有广阔的应用前景。具体有如下优点：
本发明通过监测盐渍灌区灌溉水的导电率指标，结合淋洗根区过量盐分的盐分淋洗水深以及容易获取的作物耐盐系数和耐盐阈值，即可计算盐渍灌区作物的减产程度，分析盐渍灌区的单位灌溉水利用效率，通过优化盐渍灌区农田的总灌溉水深进而优化并达到单位灌溉水利用效率的最大值。该理论基础明确，计算过程简单，可重复进行，可信度较高。
本发明提供的优化方法，所需的参数较少且简单易于测定，降低了盐渍灌区的单位灌溉水利用效率调控的难度，便于大面积推广应用。
利用本发明调控盐渍灌区的单位灌溉水利用效率，可以有效节约盐渍灌区的水资源，降低盐渍灌区的次生盐渍化风险。
Claims (8)
1.一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：结合盐渍灌区常规种植条件下作物生长发育所需的灌溉水深，设置不少于3组的根区盐分淋洗水深，计算盐渍灌区的淋洗比例；
步骤2：测定灌溉水的电导率、作物的耐盐阈值与减产系数，结合淋洗比例确定盐渍农田作物的减产程度；
步骤3：根据淋洗比例和减产程度确定盐渍灌区的单位灌溉水利用效率；
步骤4：通过二次曲线确定多组(不少于3组)淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率的关系，获取三个拟合系数；
步骤5：根据拟合系数确定盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值和最佳淋洗比例；
步骤6：根据最佳淋洗比例和灌溉水深确定盐渍灌区最优的总灌溉水深。
2.根据权利要求1所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述步骤1中，淋洗比例通过如下公式获取：
式中，LF为盐渍灌区盐分的淋洗比例，I为作物生长发育需要的灌溉水深，D为淋洗根区过量盐分的盐分淋洗水深。
3.根据权利要求2所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述步骤2中，盐渍农田作物的减产程度通过如下公式计算：
式中，RY为盐渍灌区作物的减产程度，ECw为灌溉水的电导率，a为耐盐阈值，b为减产系数，LF为淋洗比例。
4.根据权利要求1所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述作物的耐盐阈值和减产系数可通过查阅***粮农组织灌溉排水丛书第56分册或农田的灌溉试验获得。
5.根据权利要求3所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述步骤3中，单位灌溉水利用效率计算公式如下：
其中R(IA)的计算公式为：
总灌溉水深的计算公式为：IA＝I*(1+LF)；
即：
式中，RWPI为单位灌溉水利用效率，RY为盐渍灌区作物的减产程度，R(IA)是相对灌溉水深可通过灌溉水深与总灌溉水深的比值，IA为总灌溉水深，I为作物生长需要的灌溉水深，LF为淋洗比例。
6.根据权利要求4所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述步骤4中，淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率的关系可通过二次曲线进行描述，通过将多组(不少于3组)的淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率拟合，进而获取拟合系数，具体为如下公式：
RWPI＝e*LF*LF+f*LF+g
式中，RWPI为单位灌溉水利用效率，LF为淋洗比例，e、f、g为拟合系数。
7.根据权利要求6所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述步骤5中，盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值通过如下公式获取：
最佳淋洗比例通过如下公式获取：
式中，S为盐渍灌区的单位灌溉水利用效率最大值，e、f、g为多组(不少于3组)的淋洗比例与相应的单位灌溉水利用效率拟合获取的拟合系数，SLF为最佳淋洗比例。
8.根据权利要求7所述的一种盐渍灌区的灌溉水利用效率的调控方法，其特征在于，所述步骤6中，盐渍灌区最优的总灌溉水深根据如下公式确定：
SIA＝I×(1+SLF)
式中，SIA为盐渍灌区最优的总灌溉水深，I为作物生长需要的灌溉水深，SLF为最佳淋洗比例。
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