稻田水量精准调控方法及装置

本发明涉及农业灌溉技术领域，具体涉及一种稻田水量调控方法及装置。

背景技术：

水稻耗水量约占农业用水总量的60％-70％，化肥用量超过20％。由于水稻种植中水、肥管理粗放，普遍存在肥料浅施表施、基肥和分蘖肥过重、灌水和排水随意等问题，再加上水稻种植区水网密布，降雨丰富，洪涝灾害易发频发，水稻种植引发的氮磷面源污染问题已不容小视。

精准调控稻田水量，增加稻田蓄水库容，是防控稻田氮磷面源污染的关键措施之一。目前已有一些调控稻田水量的技术，如浅水勤灌、湿润灌溉等。但目前这些技术主要靠人工操作，非常耗工费时，而且无法做到准确控制，严重限制了其推广应用以及应用效果，进而也制约了稻田氮磷面源污染的高效防控。

因此，如何提出一种方法，能及时、准确地调控稻田水量，进而有效地防控稻田氮磷面源污染，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种稻田水量调控方法及装置。

本发明提供的稻田水量调控方法，包括：

根据当前地块的历史降水量数据，获取所述当前地块在当前年份的日降水量；

根据所述当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定所述当前地块的淋溶量；

根据所述日降水量、所述淋溶量以及所述当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定所述当前地块的灌溉量或排水量。

在一个实施例中，所述测量参数包括：

所述当前地块的基础总水量以及蒸发蒸腾量；

其中，所述基础总水量为所述田面水总量与所述当前地块的根层土壤水总量之和。

在一个实施例中，所述需水量由所述水稻不同生育阶段的需水规律、所述当前地块的质地和饱和持水量确定；

其中，所述需水量由小到大包括：最低需水量、最佳需水量以及最高需水量。

在一个实施例中，所述根据所述日降水量、所述淋溶量以及所述当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定所述当前地块的灌溉量或排水量包括：

根据所述日降水量、所述淋溶量以及所述当前地块的测量参数，确定所述当前地块的需水参考量；

根据所述需水参考量以及所述需水量，确定所述当前地块的灌溉量或排水量。

在一个实施例中，当所述当前地块需要灌溉时，所述需水参考量与所述灌溉量之和小于等于所述最佳需水量，并且大于等于所述最低需水量；

当所述当前地块需要排水时，所述需水参考量与所述排水量之差等于所述最高需水量。

在一个实施例中，所述需水参考量为所述基础总水量以及所述日降水量之和，与所述淋溶量以及所述蒸发蒸腾量之和的差值。

在一个实施例中，所述根据所述当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定所述当前地块的淋溶量包括：

根据所述历史淋溶量数据确定历史淋溶量与历史田面水总量的函数关系；

根据所述当前地块的田面水总量与所述函数关系，确定所述当前地块的淋溶量。

本发明还提供一种稻田水量调控装置，包括：

降水量模块，用于根据当前地块的历史降水量数据，获取当前年份的日降水量；

淋溶量模块，用于根据所述当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定所述当前地块的淋溶量；

确定模块，用于根据所述日降水量、所述淋溶量以及所述当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定所述当前地块的灌溉量或排水量。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种的稻田水量调控方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种的稻田水量调控方法的步骤。

本发明提供的稻田水量调控方法及装置，由于仅需获取日降水量、淋溶量以及测量参数，即可确定当前地块的灌溉量或排水量，因此可以实现对稻田水量的及时调控。另外，由于本发明提供的稻田水量调控方法在确定灌溉量或排水量时，充分考虑了水稻不同生育阶段的需水量，因此还能精确地调控稻田水量，从而在保证水稻正常生长所需水分的同时，不仅节约了水资源还能有效地对稻田氮磷面源污染进行防控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的稻田水量调控方法的流程示意图；

图2为本发明提供的稻田水量调控设备的示意图；

图3为本发明提供的稻田水量调控装置的结构示意图；

图4是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的稻田水量调控方法的流程示意图。参照图1，本发明提供的稻田水量调控方法包括：

s110、根据当前地块的历史降水量数据，获取当前地块在当前年份的日降水量；

s120、根据当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定当前地块的淋溶量；

s130、根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

本发明提供的稻田水量调控方法的执行主体可以是电子设备、电子设备中的部件、集成电路、或芯片。该电子设备可以是移动电子设备，也可以为非移动电子设备。示例性的，移动电子设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobilepersonalcomputer，umpc)、上网本或者个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)等，非移动电子设备可以为服务器、网络附属存储器(networkattachedstorage，nas)、个人计算机(personalcomputer，pc)、电视机(television，tv)、柜员机或者自助机等，本发明不作具体限定。

下面以计算机执行本发明提供的稻田水量调控方法为例，详细说明本发明的技术方案。

需要说明的是，当前地块指的是一定面积的稻田，例如，其可以是2公顷(hm²)稻田，3亩稻田等。

首先，可以根据当前地块的历史降水量数据，通过例如天气发生器等，预测当前地块在当前年份的日降水量。

例如，历史降水量数据可以是当前年份前60年的历史降水量数据。在获取到该历史降水量数据后，即可将其输入至天气发生器，以使天气发生器输出当前年份的日降水量模拟预测值。最后，可以将当前年份的日降水量模拟预测值，作为当前年份的日降水量。

在获取到当前地块在当前年份的日降水量后，即可根据当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定当前地块的淋溶量。

最后，即可根据当前地块在当前年份的日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

本发明提供的稻田水量调控方法，由于仅需获取日降水量、淋溶量以及测量参数，即可确定当前地块的灌溉量或排水量，因此可以实现对稻田水量的及时调控。另外，由于本发明提供的稻田水量调控方法在确定灌溉量或排水量时，充分考虑了水稻不同生育阶段的需水量，因此还能精确地调控稻田水量，从而在保证水稻正常生长所需水分的同时，不仅节约了水资源还能有效地对稻田氮磷面源污染进行防控。

进一步地，在一个实施例中，测量参数可以包括当前地块的基础总水量以及蒸发蒸腾量；

其中，基础总水量为当前地块的田面水总量与根层土壤水总量之和。

具体地，可以通过温度、风速、湿度以及实际日照时数，依据彭曼公式，获取当前地块的蒸发蒸腾量。

设et0为作物的蒸发蒸腾量，则：

其中，rn为输入冠层净辐射量[mj/(m²d)]；t为2m高处日平均温度(℃)；u2为2m高处风速(m/s)；es为饱和水汽压(kpa)；ea为实际水汽压(kpa)；δ为饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率(kpa/℃)；γ为干湿温度计常数(kpa/℃)。

具体地，可以通过超声波水位传感器测算当前地块的田面水总水量，可以通过土壤水分传感器测算当前地块的根层土壤总水总量，进而确定当前地块的基础总水量。

本发明提供的稻田水量调控方法，通过在确定当前地块的灌溉量或排水量时，综合考虑当前地块的基础总水量以及蒸发蒸腾量，可以使得最终确定的灌溉量或排水量十分精确。

进一步地，在一个实施例中，步骤s120可以包括：

s121、根据历史淋溶量数据确定历史淋溶量与历史田面水总量的函数关系；

其中，历史淋溶量数据包括历史淋溶量以及历史田面水总量；

s122、根据当前地块的田面水总量与函数关系，确定当前地块的淋溶量。

具体地，淋溶量与田面水总量的函数关系可以是：

l＝a×sw+b

其中，l为淋溶量，sw为田面水总量，a、b分别为常数。

可以将历史淋溶量数据代入到上式中，已确定a、b的值，从而确定淋溶量与田面水总量具体的函数关系。

之后，可以将当前地块的田面水总量代入到上述具体的函数关系中，求得当前地块的淋溶量。

本发明提供的稻田水量调控方法，通过历史数据确定淋溶量与田面水总量的函数关系，并基于该函数关系，通过田面水总量确定当前地块的淋溶量，可确保确定的淋溶量的准确性。

在一个实施例中，步骤s130可以包括：

s131、根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，确定当前地块的需水参考量；

s132、根据需水参考量以及需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

其中，需水参考量为基础总水量以及日降水量之和，与淋溶量以及蒸发蒸腾量之和的差值。

具体地，设当前地块在当前年份的日降水量为r，淋溶量为l，基础总水量为b，蒸发蒸腾量为et0，需水参考量为n，则：

n＝(b+r)–(l+et0)

通过确定需水参考量，即可将需水参考量与水稻不同生育阶段的需水量进行对比，从而迅速确定应当对当前地块进行灌溉或排水。

具体地，当需水参考量(当前地块的预计水量)大于最高需水量时，则说明当前地块中的水量已经超过了水稻正常生长所需的水量，需要对当前地块进行排水操作。

而当需水参考量(当前地块的预计水量)小于最低需水量时，则说明当前地块中的水量尚不能满足水稻正常生长所需的水量，需要对当前地块进行灌溉操作。

在一个实施例中，水稻不同生育阶段的需水量由水稻不同生育阶段的需水规律、当前地块的质地以及饱和持水量确定；

其中，需水量由小到大可以包括：最低需水量、最佳需水量以及最高需水量。

通过将水稻不同生育阶段的需水量划分为不同等级，进而相应地确定灌溉量或排水量，可以在灌溉量或排水量满足水稻当前阶段的正常生长的同时，最大限度地节约水资源，从而有效地防控稻田氮磷面源污染。

进一步地，在一个实施例中，在当前地块需要灌溉时，需水参考量(当前地块的预计水量)与灌溉量之和小于等于最佳需水量，并且大于等于最低需水量；

在当前地块需要排水时，需水参考量与排水量之差等于最高需水量。

具体地，设最低需水量为wl，最佳需水量为wo，最高需水量为wh，灌溉量为i，排水量为d，则

在当前地块需要灌溉时，wl≤n+i≤wo；

在当前地块需要排水时，n–d＝wh。

需要说明的是，在根据水稻所处的生育阶段确定最低需水量、最佳需水量以及最高需水量，并确定需水参考量后，即可根据实际需要相应地确定对当前地块的灌溉量或者排水量。而所确定的灌溉量或者排水量则会在相应的区间浮动，从而为当前地块的灌溉或者排水提供较大的容错率。

综上所述，本发明提供的稻田水量调控方法，可实现稻田水量的动态调节，可使稻田灌溉、排水由人工操作向智能化控制发展，解决了人工操作成本高、难度大、精准性差的问题，可有效地防控稻田氮磷面源污染。

下面以具体实例来进一步详细说明本发明提供的稻田水量调控方法。

水旱轮作是我国主要的稻作模式，广泛分布于湖北、江苏、安徽、浙江、四川、云南等地。该种植模式水稻生产中普遍存在肥料浅施表施、基肥和分蘖肥过重、灌水和排水随意等问题，近年来随着机插秧技术的大面积推广应用，又普遍存在人为排放刚施底肥泡田水的情况。再加上该种植模式所在区域水网密布，降雨丰富，洪涝灾害易发频发，该种植模式稻田氮磷流失问题已不容小视。如果长期放任不管，势必会导致严重的水体污染问题，进而影响水稻产业的可持续发展和水环境安全。

根据该稻作模式水稻需水规律，对各生育阶段水稻的灌水、排水进行智能化精准调控是控制稻田氮磷流失的主要措施之一。下面以2019年湖北省孝感市某地水旱轮作水稻为例详细说明本发明提供的稻田水量调控方法。

当前地块面积为3581.8m²，土壤质地为粘壤土，容重为1.3g/cm³，土壤饱和持水量为30％，2019年6月4日移栽水稻。

以2019年7月28日为例(水稻正处于拔节孕穗期)，展示本发明调控稻田水量的过程。

(1)根据水稻不同生育阶段需水规律、当前地块质地和饱和持水量，建立当前地块水稻不同生育阶段的最低需水量wl、最佳需水量wo以及最高需水量wh，如表1所示。

表1当前地块水稻不同生育阶段需水参数

(2)2019年7月27日，通过超声波水位传感器测算当前地块田面水深度为0mm，通过土壤水分传感器测定根层土壤含水量为23.5％，则：

1)当前地块田面水总量＝田面水深度(mm)×0.001×地块面积(m²)＝0×0.001×3581.8＝0m³

2)根层土壤水总量＝地块面积(m²)×根层土壤深度(m)×土壤容重(g/cm³)×根层土壤含水量(％)÷水的比重(g/cm³)＝3581.8×0.2×1.3×23.5％÷1＝218.8m³

3)当前地块基础总水量(b)＝田面水总量+根层土壤水总量＝0+218.8＝218.8m³。

(3)根据当地多年历史降雨数据(表2)，通过天气发生器，模拟预测当日降水量r为0mm。

表21958-2018年各月日均降雨量

(4)依据彭曼公式，测算当前地块当日蒸发蒸腾量et0为5.4m³。

(5)根据历史数据，确定淋溶水量(l，m³/亩)与田面水总量(sw，m³/亩)的关系如下：

l＝0.0532×sw+0.4899

(6)核算当前地块当日的淋溶水量(l)如下：当前地块的田面水总量(sw)＝0m³/地块

当前地块田面水总量(sw)＝0m³/亩

l＝(0.0532×sw+0.4899)×当前地块面积/667

＝(0.0532×0+0.4899)×3581.8/667

＝2.6m³。

(7)根据当前地块的基础总水量b、当日降水量r、蒸发蒸腾量et0、淋溶量l，计算需水参考量(当前地块的预计水量)n：

n＝(b+r)–(l+et0)＝(218.8+0)–(2.6+5.4)＝210.8m³。

(8)水稻的最低需水量wl、最佳需水量为wo、最高需水量为wh分别为223.5、351.0、995.7m³，根据n＜wl可知：

1)稻田应启动灌溉；

2)可灌溉至最佳需水量351.0m³；

3)灌溉水量应为：i＝wo–n＝351.0–210.8＝140.2m³

相应地，如图2所示，本发明还提供一种稻田水量调控设备，用于智能控制稻田地块排水的起排高度。该设备通过无线方式与中央控制平台连接，采用不锈钢一体化设计，具有上下双限位，提供保护功能。并且还采用了高密度橡胶密封。其工作电压为12v，支持市电与太阳能板供电。

本发明还提供一种稻田水量调控装置，该装置与上文描述的稻田水量调控方法可相互对应参照。

图3为本发明提供的稻田水量调控装置的结构示意图，如图3所示，该装置包括：

降水量模块310，用于根据当前地块的历史降水量数据，获取当前年份的日降水量；

淋溶量模块320，用于根据当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定当前地块的淋溶量；

确定模块330，用于根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

本发明提供的稻田水量调控装置，由于仅需获取日降水量、淋溶量以及测量参数，即可确定当前地块的灌溉量或排水量，因此可以实现对稻田水量的及时调控。另外，由于本发明提供的稻田水量调控装置在确定灌溉量或排水量时，充分考虑了水稻不同生育阶段的需水量，因此还能精确地调控稻田水量，从而在保证水稻正常生长所需水分的同时，不仅节约了水资源还能有效地对稻田氮磷面源污染进行防控。

在一个实施例中，测量参数包括：

当前地块的基础总水量以及蒸发蒸腾量；

其中，基础总水量为田面水总量与当前地块的根层土壤水总量之和。

在一个实施例中，需水量由水稻不同生育阶段的需水规律、当前地块的质地以及饱和持水量确定；

其中，需水量由小到大包括：最低需水量、最佳需水量以及最高需水量。

在一个实施例中，确定模块330具体用于：

根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，确定当前地块的需水参考量；

根据需水参考量以及需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

在一个实施例中，当当前地块需要灌溉时，需水参考量与灌溉量之和小于等于最佳需水量，并且大于等于最低需水量；

当当前地块需要排水时，需水参考量与排水量之差等于最高需水量。

在一个实施例中，需水参考量为基础总水量以及日降水量之和，与淋溶量以及蒸发蒸腾量之和的差值。

在一个实施例中，淋溶量模块220具体用于：

根据历史淋溶量数据确定历史淋溶量与历史田面水总量的函数关系；

根据当前地块的田面水总量与函数关系，确定当前地块的淋溶量。

本发明还提供一种电子设备，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(communicationinterface)420、存储器(memory)430和通信总线(bus)440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以稻田水量调控方法的步骤，例如包括：

根据当前地块的历史降水量数据，获取当前地块在当前年份的日降水量；

根据当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定当前地块的淋溶量；

根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例提供的稻田水量调控方法的步骤，例如包括：

根据当前地块的历史降水量数据，获取当前地块在当前年份的日降水量；

根据当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定当前地块的淋溶量；

根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例提供的稻田水量调控方法的步骤，例如包括：

根据当前地块的历史降水量数据，获取当前地块在当前年份的日降水量；

根据当前地块的田面水总量以及历史淋溶量数据，确定当前地块的淋溶量；

根据日降水量、淋溶量以及当前地块的测量参数，基于水稻不同生育阶段的需水量，确定当前地块的灌溉量或排水量。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。