安徽淮北地區墑情監測預報和抗旱決策信息系統研究

    淮北地區耕地面積占全省的一半，是我省重要的農業生產基地。由于特殊的自然、地理和水利技術條件所限，旱澇漬災害頻繁。尤其是近些年來，干旱和缺水問題越來越突出，已經成為制約本區工農業生產持續發展的主要因素之一。在“八·五”、“九·五”期間，省委省政府加大了農田水利基本建設的資金投入，本地區農業生產和灌排條件得到了較大程度的改善。然而，一方面廣大農民一直存在“靠天等雨”和“旱死怕澇”的思想，另一方面基層單位和上級決策部門缺乏應有的實時墑情信息，往往等旱情發展到一定程度才組織抗旱灌“救命水

    式中：θa,t、θa,t+1 分別為第t日和第t+1日墑情指數(mm)；Pt 第t日的降水量(mm)；qt 第t日的灌溉水量(mm)；θ0.2預、θ0.5預 分別為失墑敏感層和根系發育層平均土壤重量比含水率(%)；Δθ 同期θ0.5和θ0.2差值，視天氣和作物生育期,一般取2%～5%；Kt 為第t日土壤水分日消退系數。

（三）干旱指標、灌水時間和灌水定額確定

①干旱指標 此根據墑情指數值來確定不同的干旱指標，此以砂姜黑土為例，詳見表1。



    ②灌水時間 首先來確定一次旱情的開始和結束時間，一般定義為把輕旱開始時間即對砂姜黑土而言，墑情指數θa消退至35mm時定為旱情開始時間，把直至迎來豐富降水過程或透墑水前的最后一個晴天作為一次旱情的結束日期。因此，把輕旱開始時間，即墑情指數消退到35mm時的日期定為適時適量灌水時間。



    式中：qt為第t日的灌溉水量(m3/hm2)；r為土壤容重(t/m3)；H為計劃濕潤層深度（m）；θ上為適宜作物生長的土壤含水率上限(%)；θ0.5預為0～0.5m土層平均土壤含水率(%)。

二、信息系統結構及功能

（一）信息傳輸結構

    信息傳輸途徑，縣以上各級防辦和信息處理中心采用防汛抗旱專有網，縣防辦和測報站采用電話或傳真。其結構簡圖如圖1所示。



（二）信息系統結構設計

    通過對本系統的目標分析，整個系統由6個子系統組成，提供淮北地區各縣（市）各測報站的氣象、水文、作物、土壤、水源、用水等基礎資料的輸入功能。系統對資料歸納、匯總、處理后，對灌溉作物需水量和有關參數進行分析計算，對未來土壤墑情和旱情趨勢作出預報。通過對土壤水分消退過程的監視，并結合作物生育期需水，擬定出作物灌溉計劃。并根據各站實測土壤含水量對土壤墑情預報值進行修正和對土壤水分進行動態模型預報，并修改和補充灌溉計劃，結合灌區水源狀況和工程能力，實現灌溉和抗旱決策的及時性和準確性。功能模塊主要有：①主控模塊，是系統的主界面，起著管理、協調各功能模塊的作用。模塊的主菜單包括文件、編輯、數據分析、圖形、打印、幫助等。②基礎資料管理模塊，本模塊提供系統運行所需要的各種氣象、水文、土壤、作物、灌區概況、農業生產、水源狀況、工程情況、用水量等方面基本數據的輸入、修改、查詢及表格打印等功能。③作物需水分析管理模塊；④土壤水分分析管理模塊；⑤干旱指標分析管理模塊；⑥灌溉用水管理模塊；⑦地下水位動態分析模塊；⑧圖形顯示模塊和打印模塊。其系統結構如圖2所示。

（三）信息系統功能

    本信息系統提供如下一些實時信息：（1）不同代表點不同農作物土壤墑情現時資料和未來5～10天內欲知日期的墑情以及灌溉預報資料；（2）適時適量灌溉和抗旱灌溉的日期和灌水定額；（3）灌區用水及管理情況；（4）實際播種面積，因干旱少種面積，受旱總面積，包括成災面積，分輕旱（小旱）、重旱（大旱）和極旱（特大旱）面積和絕收面積；（5）水稻田受旱面積、旱地缺墑面積、抗旱澆灌面積；（6）抗旱工程形式及投入的人、財、物；（7）不同受旱程度條件下的各種農作物產量；（8）嚴重旱情的綜合評價，即旱情持續時間、嚴重程度以及其面上的分布規律；（9）嚴重干旱條件下，各種農作物不同灌溉水平的抗旱減災效益；（10）各站點前期降水量和墑情實測值分布圖；（11）未來5～10天土壤墑情分布圖；（12）旱情趨勢分布圖；（13）澆灌面積分布圖；（14）受旱面積分布圖； （15）水資源狀況分布圖；（16）工程措施與非工程措施相結合，在抗旱減災中的作用分析；（17）各縣（市）防辦、政府部門可以通過網絡隨時進行信息查詢，以提取所需要的信息。

三、應用效果

    該項技術已經在蚌埠市和淮北市廣泛推廣應用，取得較顯著的節水增產效益和抗旱減災效益。在類似地區以及干旱、半干旱地區具有廣闊的應用前景。據統計測算，實施本項目：①一般年份（P=50%）年每公頃節約水資源375～525m3，年每公頃凈增產效益375～450元，全淮北地區每年節約灌溉水量7.0億m3左右,凈增產效益約6.5億元;②五年一遇干旱年(P=80%),年每公頃節水525～675m3,年每公頃減災約為525～600元,整個淮北地區年節水9.0億m3左右,減災效益約8.5億元。



四、信息系統的運行管理

    ①系統建設期間，采取分級建設，分級管理的形式，縣級以上防辦和省水科院網絡系統的建設和運行，由省防汛抗旱辦公室統一領導和管理；縣級以下墑情測報站的建設，由省廳農水處牽頭，水科院負責技術指導，縣水利局具體實施，其人員配置和運行管理由縣水利局和縣防辦負責。②系統建成以后，將作為一個長期運行系統，市防辦和省水科院網絡系統的正常運行和信息傳輸處理，仍由省防汛抗旱辦公室統一領導和管理；縣防辦信息正常傳輸由市防辦管理；市防辦或市水利局負責安排匹配資金，主要用于網絡系統建設的硬件、辦公等設施配置和用于巡測的TDR時域反射儀購置；縣級以下墑情測報固定站及巡測站的運行管理，由縣水利局和縣防辦負責，并給予適當的經費補助。 ”，貽誤了適時灌溉的良機；也有的是灌后遇雨加重了澇漬災害，不僅增加了灌溉投入，而且導致農作物不同程度地減產，達不到應有的投入和資源效應。因此，開展實時墑情預報，預測未來旱情發展變化，抓住合理的灌溉時機，對于指導淮北地區農業抗旱減災和進行適時適量灌溉具有重要的作用。同時，對提高我省農田排灌和防汛抗旱的科學化水平，逐步實現田間水管理的集約化和自動化均有重要意義。

    淮北地區含6個市27個縣（區），通過防汛抗旱專用網互聯，設立一個信息中心，對實時信息進行加工處理，形成簡明的圖表信息，供各級防汛抗旱部門隨時調用或查詢。同時，通過網絡系統和地理信息系統GIS的結合，對農田墑情、雨情、旱情、灌溉、用水以及農業生產等綜合信息實行一體化系統管理，從而為抗旱除澇決策提供科學依據。

一、土壤墑情監測方法和預報模型

（一）監測方法

    目前在淮北地區適用的監測方法主要有烘干法和電測法。烘干法主要用于墑情固定站，其主要特點是簡單易行，投資不高，且有足夠的精度，是檢驗其他方法測試結果的基礎。電測法主要用于墑情巡測站，目前國內外使用較多的電測儀器有9109-2型電子土壤濕度速測儀、美國產DAVIS型和澳大利亞產MP型探針式速測儀、加拿大產MP917時域反射儀TDR，其中TDR測試精度居高。

（二）預報模型

    墑情預報模型主要采用經驗相關預報模型和非飽和帶土壤水量平衡模型,其研究目的層為失墑敏感層(0～0.2m)和根系發育層(0～0.5m),主要參數指標為土壤含水率、墑情指數和土壤水分消退系數。通過對淮北地區20個灌溉試驗站和五道溝試驗站30余年試驗資料分析概化，基于降雨產流預報理論和包氣帶水運移規律，其預報模型為：


    式中：θa,t、θa,t+1 分別為第t日和第t+1日墑情指數(mm)；Pt 第t日的降水量(mm)；qt 第t日的灌溉水量(mm)；θ0.2預、θ0.5預 分別為失墑敏感層和根系發育層平均土壤重量比含水率(%)；Δθ 同期θ0.5和θ0.2差值，視天氣和作物生育期,一般取2%～5%；Kt 為第t日土壤水分日消退系數。

（三）干旱指標、灌水時間和灌水定額確定

①干旱指標 此根據墑情指數值來確定不同的干旱指標，此以砂姜黑土為例，詳見表1。



    ②灌水時間 首先來確定一次旱情的開始和結束時間，一般定義為把輕旱開始時間即對砂姜黑土而言，墑情指數θa消退至35mm時定為旱情開始時間，把直至迎來豐富降水過程或透墑水前的最后一個晴天作為一次旱情的結束日期。因此，把輕旱開始時間，即墑情指數消退到35mm時的日期定為適時適量灌水時間。



    式中：qt為第t日的灌溉水量(m3/hm2)；r為土壤容重(t/m3)；H為計劃濕潤層深度（m）；θ上為適宜作物生長的土壤含水率上限(%)；θ0.5預為0～0.5m土層平均土壤含水率(%)。

二、信息系統結構及功能

（一）信息傳輸結構

    信息傳輸途徑，縣以上各級防辦和信息處理中心采用防汛抗旱專有網，縣防辦和測報站采用電話或傳真。其結構簡圖如圖1所示。



（二）信息系統結構設計

    通過對本系統的目標分析，整個系統由6個子系統組成，提供淮北地區各縣（市）各測報站的氣象、水文、作物、土壤、水源、用水等基礎資料的輸入功能。系統對資料歸納、匯總、處理后，對灌溉作物需水量和有關參數進行分析計算，對未來土壤墑情和旱情趨勢作出預報。通過對土壤水分消退過程的監視，并結合作物生育期需水，擬定出作物灌溉計劃。并根據各站實測土壤含水量對土壤墑情預報值進行修正和對土壤水分進行動態模型預報，并修改和補充灌溉計劃，結合灌區水源狀況和工程能力，實現灌溉和抗旱決策的及時性和準確性。功能模塊主要有：①主控模塊，是系統的主界面，起著管理、協調各功能模塊的作用。模塊的主菜單包括文件、編輯、數據分析、圖形、打印、幫助等。②基礎資料管理模塊，本模塊提供系統運行所需要的各種氣象、水文、土壤、作物、灌區概況、農業生產、水源狀況、工程情況、用水量等方面基本數據的輸入、修改、查詢及表格打印等功能。③作物需水分析管理模塊；④土壤水分分析管理模塊；⑤干旱指標分析管理模塊；⑥灌溉用水管理模塊；⑦地下水位動態分析模塊；⑧圖形顯示模塊和打印模塊。其系統結構如圖2所示。

（三）信息系統功能

    本信息系統提供如下一些實時信息：（1）不同代表點不同農作物土壤墑情現時資料和未來5～10天內欲知日期的墑情以及灌溉預報資料；（2）適時適量灌溉和抗旱灌溉的日期和灌水定額；（3）灌區用水及管理情況；（4）實際播種面積，因干旱少種面積，受旱總面積，包括成災面積，分輕旱（小旱）、重旱（大旱）和極旱（特大旱）面積和絕收面積；（5）水稻田受旱面積、旱地缺墑面積、抗旱澆灌面積；（6）抗旱工程形式及投入的人、財、物；（7）不同受旱程度條件下的各種農作物產量；（8）嚴重旱情的綜合評價，即旱情持續時間、嚴重程度以及其面上的分布規律；（9）嚴重干旱條件下，各種農作物不同灌溉水平的抗旱減災效益；（10）各站點前期降水量和墑情實測值分布圖；（11）未來5～10天土壤墑情分布圖；（12）旱情趨勢分布圖；（13）澆灌面積分布圖；（14）受旱面積分布圖； （15）水資源狀況分布圖；（16）工程措施與非工程措施相結合，在抗旱減災中的作用分析；（17）各縣（市）防辦、政府部門可以通過網絡隨時進行信息查詢，以提取所需要的信息。

三、應用效果

    該項技術已經在蚌埠市和淮北市廣泛推廣應用，取得較顯著的節水增產效益和抗旱減災效益。在類似地區以及干旱、半干旱地區具有廣闊的應用前景。據統計測算，實施本項目：①一般年份（P=50%）年每公頃節約水資源375～525m3，年每公頃凈增產效益375～450元，全淮北地區每年節約灌溉水量7.0億m3左右,凈增產效益約6.5億元;②五年一遇干旱年(P=80%),年每公頃節水525～675m3,年每公頃減災約為525～600元,整個淮北地區年節水9.0億m3左右,減災效益約8.5億元。



四、信息系統的運行管理

    ①系統建設期間，采取分級建設，分級管理的形式，縣級以上防辦和省水科院網絡系統的建設和運行，由省防汛抗旱辦公室統一領導和管理；縣級以下墑情測報站的建設，由省廳農水處牽頭，水科院負責技術指導，縣水利局具體實施，其人員配置和運行管理由縣水利局和縣防辦負責。②系統建成以后，將作為一個長期運行系統，市防辦和省水科院網絡系統的正常運行和信息傳輸處理，仍由省防汛抗旱辦公室統一領導和管理；縣防辦信息正常傳輸由市防辦管理；市防辦或市水利局負責安排匹配資金，主要用于網絡系統建設的硬件、辦公等設施配置和用于巡測的TDR時域反射儀購置；縣級以下墑情測報固定站及巡測站的運行管理，由縣水利局和縣防辦負責，并給予適當的經費補助。