（水利水电工程专业论文）土壤墒情自动监测预报系统的开发与研究.pdf

太原理- t 大学硕士研究生学位论文 土壤墒情自动监测预报系统的开发与研究 摘要 现阶段，北方大部分地区的缺水形势变的越来越严峻，要想解决目前的缺水问题， 大力提倡节水灌溉、节约农业用水是行之有效的方法。国内外的试验表明：科学的用水 管理可以节水2 0 。 土壤墒情监测预报系统的建设可以为灌区用水管理、编制动态用水计划、实现灌区 综合节水战略目标提供强有力的手段。以实时灌溉预报来指导灌溉用水，使灌区作物得 到“适时”、“适量”的灌溉，将有利于节约农业用水，满足现代化农业要求，对实现灌 区水资源的可持续利用具有重要意义。 本文以清徐县为载体，旨在建立一个可以指导农业灌溉的操作简便、界面友善的土 壤墒情监测预报系统。系统开发平台为m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 与s q l s l e v e r 2 0 0 0 集 成的开发平台。 系统主要实现了： 土壤墒情信息的自动采集。本系统在清徐建立覆盖全县范围的土壤墒情信息采集系 统，主要是通过全球定位系统和固定的土壤墒情信息采集点收集土壤墒情信息。 参考作物需水量的预报。本文基于联合国粮农组织推荐的彭曼法来计算时段内的参 考作物需水量。 作物年灌溉需水量的预报。本文基于历史气象资料和历史作物需水量观测资料计算 得到不同作物多年平均的整个生育期的需水量；基于多年降雨资料可以得到不同水文年 份作物整个生育期的降雨量；基于多年地下水资料可以得到作物整个生育期的地下水补 给量。然后根据水量平衡方程可以得到作物不同水文年份的年灌溉需水量。 作物时段灌溉需水量的预报。根据时段的长短采用不同的方法。若时段较长，则采 用历史气象及观测资料，按照计算年灌溉需水量的方法计算；若时段较短，则采用天气 太原理工大学硕士研究生学位论文 预报信息，按照实时灌溉预报中的方法计算。 实时灌溉预报。本系统基于短期及中长期天气预报中的气象信息来计算每天作物需 水量，在根据经验公式得到每天的有效降雨量和地下水补给量，进而逐日循环计算作物 计划湿润层内的有效含水量，当计划湿润层内的有效含水量降低到一定程度时，就必需 要进行灌水。 系统特点为：1 、对农田土壤墒情实时监测。监测的内容主要为农田土壤系统。实 时监测的意义在于通过实时快速先进传感与实时信息处理技术的支持，动态地、实时地 获取农田土壤墒情信息；对农田灌溉系统进行动态评价和有效监督，科学指导农田灌溉， 提高农田水分的利用率。2 、高新技术的集成利用，系统的设置充分，吸收国际上先进 实用的技术，包括监测技术、数字通信技术、计算机辅助决策支持、远程控制等先进技 术。3 、系统功能实用，精度可靠。4 、系统功能可扩展，界面友好。 本文以指导灌区用水管理为主要出发点，目的是提高农业用水的利用效率、减少农 业用水量，但是由于问题的复杂性和方法手段的局限性，使得许多方面的问题还未得到 解决，需要进一步的深入研究。 关键词：清徐县、土壤墒情监测、灌溉预报、实时 l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to nt h es y s t e mo f s o i lm o i s t u r ea u t o m a t i cm o n i t o i u n ga n d f o l u l c a s t i n g a b s t r a c t c u r r e n t l y , w a t e rs h o r t a g ei nt h en o r t h e r na r e a si nc h i n ah a sb e c o m em o r e a n dm o r er i g o r o u s t os o l v et h i sp r o b l e mp r o m o t i n gw a t e r s a v i n gi r r i g a t i o na n d s a v i n ga g r i c u l t u r a lw a t e rs t r o n g l ya r ev a l i dm e t h o d s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t s c i e n t i f i cw a t e rm a n a g e m e n tc a ns a v ew a t e rb y2 0 t h ec o n s t r u c t i o no ff o r e c a s ta n dm o n i t o rs y s t e mo ft h es o i lm o i s t u r e c o n t e n tc a np r o v i d eap o w e r f u lb a s i sf o ri r r i g a t i o nd i s t r i c tw a t e rm a n a g e m e n t ， d r a w i n gu pd y n a m i c w a t e r u s i n gp l a na n dc a r r y i n go u ti r r i g a t i o nd i s t r i c t c o m p r e h e n s i v ew a t e rs a v i n gs t r a t e g i ct a r g e t u s i n gr e a l t i m ei r r i g a t i o nf o r e c a s t t oi n s t r u c tt h ew a t e ru s e db yi r r i g a t i o na n dm a k i n gi r r i g a t i o nd i s t r i c tt oo b t a i n u p d a t i n g p r o p e rq u a n t i t i e s o fw a t e rw i l lb ea d v a n t a g e o u st os a v e a g r i c u l t u r a lw a t e ra n ds a t i s f ym o d e r na g r i c u l t u r a lr e q u i r e m e n ta n dh a v ev i t a l s i g n i f i c a n c ef o rs u s t a i n a b l eu s eo f w a t e rr e s o u r c e s i l l 太原理工大学硕士研究生学位论义 i nt h i sp a p e r ，o i n g x uc o u n t r yw a st a k e na sar e s e a r c ho b j e c t ；t h e p u r p o s ei s t oe s t a b l i s ha no p e r a t i o n a ls i m p l ei n t e r f a c ef r i e n d l ym o n i t o rf o r e c a s ts y s t e m w h i c hc a ni n s t r u c ta g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n t h es y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r mi s m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0a n ds q l i n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h es y s t e mf u n c t i o nm a i n l yr e a l i z e d ： 1 a u t o m a t i cc o l l e c t i o no fs o i lm o i s t u r ec o n t e n ti n f o r m a t i o n t h e c o u n t y w i d es o i lm o i s t u r ec o n t e n ti n f o r m a t i o ng a t h e rs y s t e mi nq i n g x uw a s e s t a b l i s h e sa n dt h es o i li n f o r m a t i o nw a sc o l l e c t e db yg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m a n df i x e dm o n i t o r i n gp o i n t so fs o i lm o i s t u r ec o n t e n t 2 f o r e c a s to ft h ew a t e rr e q u i r e m e n to fr e f e r e n c ec r o p s i nt h i sa r t i c l e ，t h e w a t e rr e q u i r e m e n to fs o m er e f e r e n c ec r o p sw a sc a l c u l a t e db a s e do nt h e c a l c u l a t i o nm e t h o df r o mu nf o o da n da g r i c u l t u r eo r g a n i z a t i o n 3 f o r e c a s to fc r o p s a n n u a li r r i g a t i o nw a t e rr e q u i r e m e n t i nt h i sa r t i c l e w a t e rr e q u i r e m e n to fd i f f e r e n tc r o p sa r eo b t a i n e dd u r i n ge n t i r ep e r i o do f d u r a t i o nb a s e do nt h eo b s e r v e dh i s t o r ym e t e o r o l o g i c a ld a t aa n dt h eh i s t o r i c a l c r o p sw a t e rr e q u i r e m e n td a t a t h er a i n f a l la m o u n t si nd i f f e r e n th y d r o l o g yy e a r w e r eo b t a i n e dd u r i n gt h ee n t i r ep e r i o do fd u r a t i o nb a s e do nm u l t i a n n u a lr a i n f a l l d a t a t h eu n d e r g r o u n dw a t e rm i l i t a r yo fc r o p sa r eo b t a i n e dd u r i n ge n t i r ep e r i o d o fd u r a t i o nb a s e do nm a n yy e a ru n d e r g r o u n dw a t e rd a t a t h e nc r o p s a n n u m i r r i g a t i o nw a t e rr e q u i r e m e n t si nd i f f e r e n th y d r o l o g yy e a ra r eo b t a i n e db yf i e l d w a t e rb a l a n c ee q u a t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 f o r e c a s to fc r o pi n t e r v a li r r i g a t i o nw a t e rr e q u i r e m e n t d i f f e r e n tm e t h o d s w e r eu s e da c c o r d i n gt ot h et i m ei n t e r v a ll e n g t h 。i ft h et i m ei n t e r v a li sl o n g ，t h e n t h eh i s t o r i c a lm e t e o r o l o g i c a ld a t aw a s a d o p t e da n dt h ec r o pi n t e r v a li r r i g a t i o n w a t e rr e q u i r e m e n tw a sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h em e t h o da sc a l c u l a t i n gy e a r i r r i g a t i o nw a t e rr e q u i r e m e n t i ft h et i m ei n t e r v a li ss h o r t ，t h e n ，t h eu p d a t e w e a t h e rf o r e c a s ti n f o r m a t i o nw a sa d o p t e da n dt h ec r o pi n t e r v a li r r i g a t i o nw a t e r r e q u i r e m e n tw a sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h em e t h o du s e di nr e a l t i m ei r r i g a t i o n f o r e c a s t 5 r e a l t i m ei r r i g a t i o nf o r e c a s t t h es y s t e mc a l c u l a t e st h ed a i l yc r o p sw a t e r r e q u i r e m e n tb a s e do ns h o r t - t e r ma n dm e d i u ma n dl o n g t e r mw e a t h e rf o r e c a s t m e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，a n dt h e n o b t a i n st h ed a i l ye f f e c t i v er a i n f a l la m o u n t a n dt h eu n d e r g r o u n dw a t e rm i l i t a r ys u p p l i e sq u a n t i t ya c c o r d i n gt ot h ee m p i r i c a l f o m a u l aa n dt h e nc i r c u l a t e se f f e c t i v ew a t e rc o n t e n ti nm o i s tl e v e l t h ec r o p s m u s tb ei r r i g a t e dw h e nt h ee f f e c t i v ew a t e rc o n t e n ti nm o i s tl e v e lr e d u c et o c e r t a i nd e g r e e t h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa r e ： ( 1 ) r e a l t i m em o n i t o rt of a r m l a n ds o i l t h em a i nc o n t e n to fm o n i t o ri s f a r m l a n ds o i ls y s t e m t h es i g n i f i c a n c eo fr e a l t i m em o n i t o ri st og a i nt h e f a r m l a n ds o i li n f o r m a t i o nd y n a m i ct h r o u g ht h er e a l t i m ef a s ta d v a n c e ds e n s i n g a n dr e a l t i m ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt oc a r r yo nt h ed y n a m i c a p p r a i s a la n da c t i v es u r v e i l l a n c et oi n s t r u c ti r r i g a t i o ns c i e n t i f i c a l l ya n dt o i m p r o v et h eq u o t i e n to fu t i l i z a t i o no fw a t e ru s e db ya g r i c u l t u r e ( 2 ) t h eu s eo f v 太原理工大学硕士研究生学位论文 h i g h t e c h n o l o g y i nt h i ss y s t e m t h ea b s o r p t i o no ft h em o s ta d v a n c e dp r a c t i c a l t e c h n o l o g ya r eu s e di n c l u d i n gm o n i t o rt e c h n o l o g i e sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sc o m p u t e r a s s i s t a n c ed e c i s i o n - - m a k i n gs u p p o r t l o n g - d i s t a n c e c o n t r o la n ds oo n ( 3 ) t h es y s t e mf u n c t i o ni sp r a c t i c a la n dt h ep r e c i s i o ni s r e l i a b l e ( 4 ) t h es y s t e mf u n c t i o nc a n b ee x p a n d e da n dt h ei n t e r f a c ei sf r i e n d l y t h es y s t e mt a k e si n s t r u c t i n gw a t e ru s i n gm a n a g e m e n ti ni r r i g a t i o na r e aa s t h em a i ns t a r t i n gp o i n t t h eg o a li st oe n h a n c et h eu s i n ge f f i c i e n c yo f a g r i c u l t u r a lw a t e ra n dt or e d u c ea g r i c u l t u r ew a t e rc o n s u m p t i o n b u ta sar e s u l t o ft h ec o m p l e x i t yo ft h eq u e s t i o na n dt h el i m i t a t i o no ft h em e t h o d ，m a n y a s p e c t s o ft h eq u e s t i o n sh a v en o tb e e ns o l v e da n dn e e df u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：q i n g x uc o u n t r y , t h em o n i t o ro fs o i lm o i s t u r ec o n t e n t ，i r r i g a t i o n f o r e c a s t ，r e a l t i m e v i 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：筮主垒：日期：丝塑! 么! 兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：墼之圣：日期： 沙喈、占乙 导师躲丝兰骘嘞趟：址 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 问题的提出与意义 1 1 1 选题背景 第一章绪论 改革开放以来，清徐县经济以跳跃式态势步入快车道，形成了全国最大的暖气片和 食醋生产基地，冶金焦、金属镁也初具规模，全县经济实力位居全省十强县之列。至2 0 0 4 年底，国内生产总值达5 2 0 5 亿元，乡镇企业总产值1 0 1 2 2 亿元，财政收入7 6 8 亿元， 农民人均纯收入4 6 0 1 元。实现了整体达小康，成为山西省首批命名的1 3 个小康县之一。 依托区位优势，现已形成食品加工、建材铸造、煤焦化、冶金、运输、旅游为支柱的一 批龙头企业，创优创汇产品近百种。营造的国家级星火技术密集区、高效农业示范区和 清泉湖经济技术开发区正在崛起。在深入贯彻十七大精神、推进跨世纪伟业的进程中， 清徐按照“超百亿、达小康，再翻番、争百强”和“重工强农兴三产，建设太原卫星城”的 总体思路，清徐县近些年进入了高速发展轨道。但是在清徐高速发展的背后，清徐县在 水资源开发利用方面面临着严峻的情势和存在着严重的问题。主要如下： 一、降雨量呈减少态势 ( 1 ) 年降雨量随时代呈减少趋势；1 9 5 1 年到1 9 7 0 年期间，平均降雨量为 4 9 8 1 6 r a m ；1 9 7 1 年到1 9 8 0 年期间，平均降雨量为4 3 5 5 2 m m ，与上两个年代的平均值 相比，减少了6 4 6 4 e m ，减少了1 2 6 ；1 9 8 1 年到1 9 9 0 年期间，平均降雨量为3 8 3 3 5 m m ， 与上世纪5 0 、6 0 年代的平均值相比，减少了1 1 4 8 1 c m ，降低了2 3 0 ： ( 2 ) 年降雨量的年际变化也在减小，7 0 年以前的年降雨量极值比在3 o 以上，7 0 年到8 0 年间的年降雨量极值比减小到3 0 以下，8 0 年代以后年降雨量极值l l 贝, u 在2 0 左右。 二、外来客水供水量日趋减小 汾河一坝渠首至二坝渠首的年迳流量平均每年减小8 1 0 6 m 3 。潇河9 0 年代的平均 来水量仅是5 0 年代的1 4 。 三、水环境日趋恶化 表现为泉水的断流和地下水位普遍快速下降。梁泉自流井群1 9 8 8 年春完全断流， 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 使清泉西湖干枯。2 0 世纪7 0 年代平泉自流井群的流量可达1 2 4 8 m 3 s ，年出水量可达3 1 0 0 万m 3 。9 0 年代初期，减小为0 3 3 4 m i l l s ，2 0 0 3 年完全断流。 平原区是清徐县工农业生产及政治、经济发展中心，在2 0 0 2 年1 1 月份对全区地下 水开采水井进行了普查，地下水埋深为2 0 - - - , 5 0 m 。全区共有地下水开采水井1 6 0 4 眼， 2 0 0 1 年地下水开采量为6 4 0 7 0 8 万m 3 。由于大量开采，区内地下水位下降十分严重， 在集中开采区已形成三个地下水降落漏斗区，一是白石沟地下水超采区；二是都沟地下 水超采区：三是王答地下水超采区。 四、汾河沿岸地下水质恶化 根据在汾河沿岸的水质分析试验结果，做出如下分析：汾河是清徐县乃至太原市唯 一常年性河流，近年来由于接纳工、矿企业的废水和生活污水，已成为一条排污渠道， 因此汾河水的污染较严重，部分地区段对地下水的污染较重。 1 9 9 5 年1 0 月对清徐县汾河沿线1 0 个水质观测点的取样化验，主要超标检出项有： 氟：l o 个观测点全部超过饮用水标准，氟含量均大于1 o m g l ； 汞：1 0 个观测点中均有汞检出，南青堆汞含量达o 0 0 8 2 8 m g l ，远超过饮用水标准 o 0 0 1 m g l ，超标8 倍； 隔：隔含量1 0 个观测点均超饮标； 酚：1 0 个观测点中4 个点的酚含量超过饮用水标准，西谷o 0 0 8 2 8 m g l ，西罗白0 0 0 6 m g l ，长头o 0 0 9 m g l ，西庄o 0 0 3 m g l 。 通过化验结果的分析可知：汾河沿岸的地下水作为饮用水源，全部为劣质水，部分 地区如西罗白属重污染，绝不能饮用。作为灌溉水，有8 0 的观测点满足灌溉水标准要 求。 此外根据资料分析，广大洪积平原区浅层水硫酸盐含量均高于背景值，仅有清得浦 一高花一孟封韩武一带例外；刘村一集义一小王一吴村一油房堡一张阎等地硫酸盐含 量大于1 0 0 0 m g l 。 清徐县汾河沿岸的地下水已受到不同程度的污染较重。汾河沿线1 0 个水质观测点 的取样化验，主要超标检出项有：氟、汞、隔：和酚。汾河沿岸的地下水全部不能作为 饮用水源。 河流水受到污染，使得河水以及沿岸的地下水为不可利用的水资源，进一步加剧了 水资源的供需矛盾。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 五、水资源的调控能力低 清徐县地面水资源开发利用工程多数属于引水工程类型，如汾河二坝引水工程、潇 河引洪灌溉枢纽工程，这些水资源工程均属过境水利用工程，水到即灌，无法对其进行 调节、控制。当地具有的两处蓄水工程( 清泉东湖和清泉西湖) ，由于泉水水源地的枯 竭，其功能和效益大打折扣。两座水库的兴利库容为3 9 0 万m 3 ，但目前可调节的水量 仅为白石河翻板闸所引用的6 7 万m 3 。 六、污水灌溉区土壤水环境有待定论 清徐县由于农业用水不足，有较长的引用污水灌的历史，年平均引用的汾河污水量 为2 4 5 0 万m 3 。长期的大量污水引用会给灌溉区的土壤、耕地、作物、土壤水、浅层地 下水带来不利影响。 上述诸多问题都可以归结到水资源短缺上，这些问题的存在严重制约了清徐县社会 经济的可持续发展，尤其影响到在全省占有优势地位的农业生产的发展。 不仅在清徐存在水资源短缺的问题，在我国北方的大部分地区和世界的好多国家和 地区都存在着严重的水资源短缺问题。世界干旱半干旱地区的缺水己经成为一种长期的 趋势1 1 ，这些地区遍及5 0 多个国家和地区，总面积约为陆地总面积的1 3 ，在1 4 亿h m 2 耕地中，主要依靠自然降水从事农业生产的早地占8 0 1 2 1 ，而且从长远来看，水资源是 一种宝贵的战略性资源，甚至会因此引发战争1 3 1 。 我国是世界上最贫水的十三个国家之一，尤其西北地区和北方地区由于特定的太阳 辐射、大气环流和海陆相对位置，水资源严重不足、多发性干旱一直严重制约着其经济 的发展。 我国的农业灌溉用水量占到全国总用水量的7 0 以上，全国平均的灌溉水利用系数 为0 4 5 。由此可见，我国农业灌溉是用水大户，也是用水浪费大户，还是具有节水潜力 的大户。 我国北方大部分灌区一方面存在着严重缺水的问题，另一方面又存在着严重浪费水 资源的现象。我国灌区过去普遍存在重建轻管，灌区工程老化失修，配套率差，主要灌 区渠系水利用系数只有0 4 一o 6 ，灌水技术落后，大部分灌区仍以大水漫灌、淹灌为主， 北方不少灌区的灌溉定额达到9 0 0 0 1 2 0 0 0 m 3 h 】丑2 ( 6 0 0 8 0 0 m 3 亩) ，超过1 5 0 0 0 m 3 h m 2 ( 1 0 0 0 m 3 亩) 的省区有8 个，高出作物实际需要的2 5 倍4 1 。田间水利用系数低，致使整 个灌溉水利用系数低于o 5 ，约为o 4 3 ，远远低于发达国家灌溉水利用系数0 7 - 0 8 ，灌 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 溉水浪费严重。有人估计，每年农业浪费的水量达1 0 0 0 亿m 3 。目前全国水分生产率( 粮 食) 不足lk g ，而以色列己达到2 3 2 k g ，一些发达国家大体都在2 k g 以上f 5 j 。由此可见， 我国灌区灌溉用水尚未做到科学用水，节水潜力巨大。要想水资源短缺问题得到缓和就 必须狠抓农业节水灌溉。从我国与发达国家的差距可以看出，提高农业用水效率是节约 用水的重要途径1 6 】。 前面已经提到，我国的农业灌溉用水量占到全国总用水量的7 0 以上。随着区域经 济的发展，工业用水、城市供水和农业用水之间的矛盾势必加剧，农业用水将面临严峻 的挑战。众所周知，单位用水量的产出农业最低，随着国民经济的发展，势必将削减农 业用水的比例。预计到2 0 1 0 年，我国农业用水量将被削减到6 4 左右。因此，发展节 水农业，方面是为了农业持续发展的自身需要，另以方面可以节省出水来支持工业和 城市化的发展，这也是世界各国用水量重新分配的必然趋势。例如，以色列在1 9 9 0 年 时的农业用水量被削减到总用水量的6 5 ，2 0 0 0 年己削减到5 7 ；美国在1 9 8 9 年时， 农业用水量仅为4 8 f _ 7 1 。因此，预计我国农业用水比例还会继续削减。 1 1 2 选题意义 要想解决我国北方地区水资源供需矛盾突出的问题，必须大力开源节流，但是北方 大部分地区，水资源利用率已经很高了，开源的水量有限，所以节约用水是解决问题的 唯一方法。前面已经提到，农业用水是我国的用水大户，也是最具节水潜力的。节约农 业用水必须加强用水管理，做到适时、适量的灌溉作物，使水资源得到有效利用。土壤 墒情自动测报系统便应运而生。本项目计划在清徐县建立土壤墒情自动测报系统，如果 项目运行情况良好，会及时向全省甚至全国推广，建立此系统有如下意义： 1 1 2 1 是缓解水资源供需矛盾，确保其社会经济永续发展的需要 清徐县目前的用水仅有5 4 7 7 得到满足，年缺水量为5 8 4 8 6 万m 3 ，水资源供需矛 盾十分尖锐。目前的用水主要通过以下两种途径勉强维持，其一是靠地下水的超采( 年 超采量1 6 0 0 2 0 0 0 万m 3 ) ，以地下水生态环境的破坏为代价，换取社会经济发展对水 资源的需求；其二是部分土地不进行灌溉，以牺牲作物产量、减少农民收入为代价来维 系水资源的供需平衡关系。另一方面清徐县水资源开发利用程度已经相当高，通过加大 水资源开发利用力度来满足社会经济发展对水资源的需求已经成为不可能的事情。因 此，要维系清徐县水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展，只有在节约用水和水 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 资源的优化配置上下功夫。 国外试验研究表明，科学的用水管理可节水2 0 左右 4 1 。农田水分有效管理不但可 以节约水资源，减少浪费，而且现代农业的发展也要求现代化管理。现代化农业不仅注 重提高产量，更强调产品品种、内在质量、外观、上市时间等等，对灌溉提出了“精细 的要求，即灌水位置、灌水时间、灌水数量、灌水成分( 作物生长所需各种微量元素及 营养) 等，要求对空气湿度和土壤墒情进行自动监控、科学管理。“清徐县节水高效农业 灌溉预报系统 建设的目的是利用现代科学技术手段，实施监测和掌握全县耕作土地范 围内的土壤水、地下水、地面水和大气水动态，通过天上水、地表水、土壤水和地下水 的优化配置，做到充分利用雨水资源、适时适量灌溉、回灌和保护地下水，最大程度地 满足社会经济可持续发展对水资源的需求。 由此可见，进行清徐县节水高效农业灌溉预报系统建设是缓解清徐县水资源供需矛 盾，确保清徐社会经济永续发展的需要；是解决清徐县在水资源利用开发利用上出现严 重问题的需要，也是解决我国北方地区水资源短缺问题的一个有益的尝试。 1 1 2 2 是推进灌溉农业可持续发展的需要 山西省农业灌溉用水量占到全省总用水量的7 0 以上，我国的农业用水量也占到总 用水量的7 0 以上，由于社会经济的发展和人口的增长，农业用水被工业和其它用水挤 占的份额越来越大，因此农业供水的保证程度越来越低。解决农业用水缺口的途径主要 是节水灌溉。任何一个地区的灌溉用水量与天然雨水的利用量间存在着互为消长的关 系，即在一定的生产水平下，雨水利用量越多，所需的灌溉水量越少。“清徐县节水高 效农业灌溉预报系统”建设，将摸索出一整套适合在我国北方地区推广应用的天上水、 地表水、土壤水和地下水四水的优化配置方案、经验和技术，为我国北方地区提供节水 高效农业灌溉预报系统的建设样板，无疑对推进全省灌溉农业的节水和可持续发展具有 重要的现实意义。 节水灌溉，就是要改变千百年来人们浇地的传统习惯，把浇地变为浇作物，根据作 物的需水要求，适时、适量进行灌溉，以较少的灌水量实现较高的产出效益。首先，节 水灌溉是缓解我国水资源不足的有效途径。随着农业生产规模不断扩大，经济持续快速 发展，干旱缺水已成为国民经济和社会发展的主要制约因素，水资源短缺的矛盾日益突 出。 节水灌溉的目的就是要提高灌溉水利用系数，我国的灌溉水利用系数为0 4 5 左右， s 太原理工大学硕士研究生学位论文 远低于发达国家，据专家预测，如果可以把我国的灌溉水利用系数提高到0 5 5 一o 6 0 ，则 在不增加农业用水的前提下，完全能保证2 0 3 0 年人口达到1 6 亿时的粮食安全。 1 1 2 3 是推进我国农业灌溉技术进步的需要 近二十多年来山西省的农业灌溉技术和全国一样，有了长足的发展。表现为各种高 效工程节水技术的引入和大面积推广应用，农业高效节水集成技术的研究和应用，灌溉 水利用率有了较大幅度的提高。但从缓解山西地区水资源供需矛盾的要求相比，还有很 大的差距。与国外先进国家相比，山西省乃至全国农业灌溉技术尚停留在较低的水平上。 其主要表现有：灌水时间、灌水定额的确定仅以土壤墒情为依据，而从不考虑天然降 雨的预报和预测；土壤墒情的掌握主要凭经验，基本没有测试系统；灌溉的目标单 一，仅为作物补充水分为目标，从不考虑水资源的优化配置和地下水环境的保护；灌 溉水的利用率水平还较低。本项目将利用国家的中、长期天气预报资源，土壤墒情自动 测报系统，地下水自动监测系统和地面水预报系统，站在天上水、地表水、土壤水和地 下水四中水资源的优化配置的高度，研究和建设县域农业灌溉预报系统，为适时适量灌 溉、充分利用雨水资源、保护地下水环境提供技术和集成硬件支撑。项目的完成必然对 全面提升全山西省农业灌溉技术水平起到积极推动作用。 如果可以在大范围内推广土壤墒情测报系统，必然对全面提升我国农业灌溉技术水 平起到积极推动作用。 1 2 国内外研究与建设现状 1 2 1 国外现状 西方国家对灌溉预报的研究开始的较早。在上个世纪7 0 年代，美国等国家就进行 了预测土壤水分的试验和研究n 3 。1 刀，开始用中子仪监测土壤含水量来制定灌溉制度，建 立了较为简单的土壤水分预报模型和方法，这些方法一般以土壤水量均衡等方法为基 础，形式较为简单，以作物、土壤水分特征、气象观测数据作为模型输入，通过计算蒸 腾蒸发量，与降雨量相比较，预报土壤水分动态变化情况，这些方法当时基本上处于试 验研究阶段，还未用于具体生产指导实际灌溉。 8 0 年代以来，美国、澳大利亚等国的许多专家和组织提出了一些土壤墒情监测与预 报理论，并付诸实践，为灌溉提供指导。考斯加可夫0 1 8 】、菲利普【1 8 1 等曾提出过一些土壤 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 水分增长或消退过程的预报模式。h e a m 掣侈1 建立了反映植物根层水分状况的土壤水平 衡模型。m a i d m e n t ，d a v i dr 1 2 0 提出了灌区水分需求估算的模拟模型，并将其在新西兰 中部坎特伯雷地区应用，该模型结合土壤、作物类型、多年气象数据，通过日土壤水量 平衡模拟估计了单位面积灌溉需水量，以历史的耗水模式观测资料为基础模拟了简单的 灌溉水决策。1 9 8 5 年s m i t h 等 2 h 提出并验证了一种确定适宜灌溉制度的方法，该方法采 用简单的作物生长模型与土壤水量平衡模型结合，模拟年与年之间灌溉制度的变化。 国际上开发的灌溉预报的软件层出不穷，如f a o ( 联合国粮农组织) 推荐由 m a r t i n s m i t h 于1 9 9 1 年1 0 月发表的灌溉规划及管理工具c r o p w a t 软件包【2 2 】它采用 f a o 专家咨询会议最新推荐的p e n m a n m o n t i e t h 方程计算参考作物腾发量及作物需水 量，拟定灌溉制度和农业供水计划，利用全生育期的作物水分生产函数估算有限供水情 况下的作物减产损失。遗憾的是整个程序采用b a s i c 语言编写，只能在d o s 环境下运 行，人机界面较差，且操作方式太死板，不易操作和运行。此外，m 旺i i m 旺s 髓 系统包含了管道水力学模拟及灌区水文、作物冠层截留和腾发、地面径流、地下饱和、 非饱和区水流、灌溉制度、作物生长等模型【2 3 1 。该系统自1 9 9 1 年起应用于印度中部的 m a h a n a d i 水库灌区，但美中不足的是存在所需参数太多太细而难以收集等缺陷。s i n 曲 g u r m e e t 等建立了一个用于模拟土豆灌溉制度的模型s i m l s p l 2 4 1 ，通过叶气孔阻力推求作 物蒸腾，敏感性分析表明二者有显著的相关性。c a b e l g u e n n e 等在t o u l o u s e a u z e v i l l e l n r a 农场开展对原来的管理工具e p i c 作改进性的研究，考虑了不同生育阶段缺水的产量效 应，根据设定的目标把可利用水量在全生育期作最优分配，新的实时灌溉管理及气象预 测工具e p i c p h a s e 以天为步长，辅助管理者回答何时灌水，灌多少的问题【2 5 1 。 c r o s o w a z 是一个灌溉制度决策工具，通过预测作物生育期内根系区土壤水分动态和 作物参数，对土壤水系统的影响及边界条件的恰当考虑使得模拟结果更符合实际【2 6 】。2 0 世纪9 0 年代初，美国佛罗里达大学农业工程系的f a r m s y s 和d e k l i n e 等人研制的农 场级智能决策支持系统( f i n d s ) ，发展了以专家系统支持的智能灌溉管理系统。 近年来，随着地理信息系统的广泛应用，灌溉管理系统的研制向更深层次的方向发 展。加拿大的h m o n t a s 和c a m a d r a m o o t 等开发了水土保持决策支持系统；美国佛罗 里达大学农业工程系将d s s a t 3 0 结合地理信息系统集成了农业环境地理信息系统的决 策支持系统a e g i s ，1 9 9 4 年该系统在w i n d o w s 环境下发展为a e g i s w i nu s i n g h 等人 将c e r e s 作物模拟模型与地理信息系统相结合，建立了印度半干早地区决策支持系统。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 国内现状 相对欧美国家，我国在灌溉管理系统的研究和应用方面上是落后的。我国的灌溉预 报的理论研究现在已经非常成熟。从上个世纪8 0 年代末期开始，我国的各高校和科研 单位对灌溉预报理论的研究就一直没有停止过，也取得了很大的成就，但由于我国的信 息化水平比较低，这些理论应用于实践的特别少。国内科研院所和高校也研制、开发了 一批灌溉用水决策支持系统，但距离国际先进水平和灌区实用仍有一定的差距田1 。 水利部农田灌溉研究所在总理基金项目华北地区节水型农业技术研究与示范中 对我国缺水最严重的华北地区冬小麦、夏玉米、棉花等主要灌溉作物的各种节水措施进 行系统地总结、研究，提出节水型农业体系概念，并将研究成果采用t u r b op r o l o g d b a s e 、 t u r b o c 等语言编写成包含知识库、推理机、动态数据库、人一机接口和知识获取5 个子 系统模块的华北地区节水型农业技术体系决策咨询系统n c w s a 。然而，这些都只是理 论上的探讨，未能与生产相结合，因而对实际运行调度的指导意义不大伫8 1 。 西北农林科技大学已经开发出具有一定实用性的灌溉管理系统。宋松柏等人在河套 灌区开发的灌排信息管理决策支持系统实现了河套灌区灌溉管理总局、管理局和管理所 三级灌排信息的计算机管理，可以为河套灌区用水管理提供决策依据和决策方案，推动 了河套灌区节水灌溉农业的发展。汪志农【7 】等人开发出具有较高人工智能水平的节水灌 溉决策专家系统。该系统在灌溉预报的基础上，利用专家知识来实时指导农民的节水灌 溉实践，从而跨越了现阶段农民科学文化素质低和农村社会化服务体系薄弱的严重制 约，促进了节水灌溉的科研成果向实际生产实践的转化。 武汉大学的顾世祥、袁宏源等人在山西霍泉灌区开发了灌溉管理系统。该系统根据 实时灌