一种农田灌溉水量计算方法和装置与流程

本发明涉及农田灌溉领域，特别涉及一种农田灌溉水量计算方法和装置。

背景技术：

受全球气候变化影响，水资源管理问题在世界各地日益严峻。从全球范围来看，国际粮农组织的报告中指出世界农业用水占淡水总用量的69.5％。

目前，传统的农田灌溉用水量一般是基于经验法获取，其方法如下：对于灌区内的某种作物，根据典型年的灌溉制度及灌溉面积，由经验公式推算出各次灌水的净灌溉用水量、毛灌溉用水量以及全灌区整个灌溉季节的灌溉用水量。由于无法准确的考虑农田的有效降水量和土壤水分的实际情况，因此基于经验法来获取的灌溉用水量一般大于作物实际需要的灌溉用水量，从而导致灌溉用水量的准确率偏低。可见，现有农田的灌溉方式存在灌溉用水量准确率低的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种农田灌溉水量计算方法和装置，解决了现有的灌溉用水量准确率低的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种农田灌溉水量计算方法，包括：

获取目标灌区的土壤含水量；

判断所述土壤含水量是否低于预设含水量；

若所述土壤含水量低于所述预设含水量，则获取所述目标灌区的需水量；

获取所述目标灌区的有效降水量；

根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。

优选的，所述获取所述目标灌区的需水量，包括：

获取所述目标灌区的灌溉参数；

根据所述灌溉参数计算所述目标灌区的参考作物蒸散量；

根据所述参考作物蒸散量计算所述目标灌区的需水量。

优选的，所述获取所述目标灌区的需水量，包括：

通过公式ET_c＝K_w×K_c×ET₀计算所述目标灌区的需水量；

其中，ET_c为所述目标灌区的需水量，ET₀为所述目标灌区的参考作物蒸散量，K_w为土壤水分修正系数，K_c为作物系数；

通过公式计算所述土壤水分修正系数；

其中，K_w为土壤水分修正系数，AW为土壤含水量，W_p为凋萎含水量，W_j为毛管断裂含水量。

优选的，所述根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量，包括：

通过公式计算所述目标灌区的灌水量；

其中，IW为所述目标灌区的灌水量，ET_c为所述目标灌区的需水量，P₀为所述目标灌区的有效降水量。

优选的，在所述获取目标灌区的土壤含水量之前，所述方法还包括：

根据所述目标灌区内作物的最大根系深度确定土壤层的厚度；

所述获取目标灌区内的土壤含水量，包括：

通过时域反射仪获取土壤含水量，其中，根据所述土壤层的厚度确定所述时域反射仪探头的布设数量，且所述时域反射仪探头布设间距为20cm。

本发明实施例还提供一种农田灌溉水量计算装置，包括：

第一获取模块，用于获取目标灌区的土壤含水量；

判断模块，用于判断所述土壤含水量是否低于预设含水量；

第二获取模块，用于若所述土壤含水量低于所述预设含水量，则获取所述目标灌区的需水量；

第三获取模块，用于获取所述目标灌区的有效降水量；

计算模块，用于根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。

优选的，所述第二获取模块包括：

第一获取单元，用于获取所述目标灌区的灌溉参数；

第一计算单元，用于根据所述灌溉参数计算所述目标灌区的参考作物蒸散量；

第二计算单元，根据所述参考作物蒸散量计算所述目标灌区的需水量。

优选的，所述第二获取模块包括：

通过公式ET_c＝K_w×K_c×ET₀计算所述目标灌区的需水量；

其中，ET_c为所述目标灌区的需水量，ET₀为所述目标灌区的参考作物蒸散量，K_w为土壤水分修正系数，K_c为作物系数；

通过公式计算所述土壤水分修正系数；

其中，K_w为土壤水分修正系数，AW为土壤含水量，W_p为凋萎含水量，W_j为毛管断裂含水量。

优选的，所述计算模块包括：

通过公式计算所述目标灌区的灌水量；

其中，IW为所述目标灌区的灌水量，ET_c为所述目标灌区的需水量，P₀为所述目标灌区的有效降水量。

优选的，所述装置还包括：

确定模块，用于根据所述目标灌区内作物的最大根系深度确定土壤层的厚度；

所述第一获取模块用于通过时域反射仪获取土壤含水量，其中，根据所述土壤层的厚度确定所述时域反射仪探头的布设数量，且所述时域反射仪探头布设间距为20cm。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明实施例通过获取目标灌区的土壤含水量；判断所述土壤含水量是否低于预设含水量；若所述土壤含水量低于所述预设含水量，则获取所述目标灌区的需水量；获取所述目标灌区的有效降水量；根据所述目标灌区的水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。这样解决了现有的灌溉用水量准确率低的问题，通过定量、定时的反映目标灌区内作物的需水情况，从而实现灌溉水的精确利用，避免了水资源不必要的浪费。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种农田灌溉水量计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种农田灌溉水量计算方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于网络的原理框图；

图4为本发明实施例提供的测量装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种农田灌溉水量计算装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种农田灌溉水量计算装置中第二获取模块的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种农田灌溉水量计算装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种农田灌溉水量计算方法，包括以下步骤：

步骤101、获取目标灌区的土壤含水量。

该步骤中，通过设置在目标灌区内的时域反射仪测定目标灌区内土壤中的介电常数，在根据土壤中的介电常数推算获得土壤含水量。为了更准确的获取目标灌区内的土壤含水量，可以在目标灌区的土壤中分层设置时域反射仪的探头，例如以每20cm一层设置时域反射仪的探头，从而更准确的获取目标灌区内的土壤含水量。

步骤102、判断所述土壤含水量是否低于预设含水量。

该步骤中，通过判断某日土壤含水量是否低于预设含水量，来判断是否需要对目标灌区进行灌溉，当土壤含水量低于预设含水量时，则执行步骤103；当土壤含水量高于预设含水量时，则不需要对目标灌区进行灌溉，同时获取当日的灌溉参数，并对灌溉参数的数据进行存储，其中灌溉参数包括温度、土壤含水量、日照时间、风速、雨量、湿度等，并结束流程。其中预设含水量可以为1.5倍的凋萎含水量，也可以根据实际情况进行设置，凋萎含水量是指作物开始发生永久性凋萎时的土壤含水量。

步骤103、获取所述目标灌区的需水量。

该步骤中，当土壤含水量低于预设含水量时，说明目标灌区需要进行灌溉，并启动获取目标灌区的需水量，目标灌区的需水量是根据目标灌区的参考作物蒸散量以及目标灌区内作物的作物系数的乘积获得的，为了更为准确的计算目标灌区的需水量还可以参考土壤水分修正系数，从而实现灌溉的准确性，实现精准灌溉的目的。

步骤104、获取所述目标灌区的有效降水量。

该步骤中，目标灌区的有效降水量根据目标灌区的土壤水分变化量和降水量基于水量平衡法获得的。

步骤105、根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。

该步骤中，目标灌区的灌溉一般可以分为初次灌溉和非初次灌溉，在不考虑深层次下渗的情况下，初次灌溉的灌水量一般是以灌溉后土壤含水量不超过田间持水量作为控制标准，即初次灌水量为田间持水量和预设持水量之间的差值。

而非初次灌溉，则需要根据上一次灌溉时间到本次灌溉时间之间积累的目标灌区逐日有效降水量和目标灌区逐日需水量确定灌水量。当目标灌区的有效降水量大于目标灌区需水量时，则不需要进行灌溉，当目标灌区的有效降水量小于目标灌区需水量时，本次灌水量则为目标灌区需水量与目标灌区的有效降水量的差值。

为了方便目标灌区工作人员查询参考，一般将灌水量转换为灌溉定额IQ(m³/亩)，即IQ＝IW×666.67÷1000。

本发明实施例还可以根据目标灌区内的土壤属性和作物类型分别获取土壤容重、田间持水量、毛管断裂含水量和凋萎含水量，将获取的参数存储入终端计算机中。

本发明实施例中，上述方法可以应用于灌溉系统。

本发明实施例中，获取目标灌区的土壤含水量；判断所述土壤含水量是否低于预设含水量；若所述土壤含水量低于所述预设含水量，则获取所述目标灌区的需水量；获取所述目标灌区的有效降水量；根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。这样解决了现有的灌溉用水量准确率低的问题，通过定量、定时的反映目标灌区内作物的需水情况，从而实现灌溉水的精确利用，避免了水资源不必要的浪费。

如图2所示，本发明实施例提供另一种农田灌溉水量计算方法，包括以下步骤：

步骤201、获取目标灌区的土壤含水量。

该步骤中，通过设置在目标灌区内的时域反射仪测定目标灌区内土壤中的介电常数，在根据土壤中的介电常数推算获得土壤含水量。为了更准确的获取目标灌区内的土壤含水量，可以在目标灌区的土壤中分层设置时域反射仪的探头，例如以每20cm一层设置时域反射仪的探头，从而更准确的获取目标灌区内的土壤含水量。

本发明实施例还可以根据目标灌区内的土壤属性和作物类型分别获取土壤容重、田间持水量、毛管断裂含水量和凋萎含水量，将获取的参数存储入终端计算机中。

步骤202、判断所述土壤含水量是否低于预设含水量。

该步骤中，通过判断土壤含水量是否低于预设含水量，来判断是否需要对目标灌区进行灌溉，当土壤含水量低于预设含水量时，则执行步骤203；当土壤含水量高于预设含水量时，则不需要对目标灌区进行灌溉，同时获取当日的灌溉参数，并对灌溉参数的数据进行存储，其中灌溉参数包括温度、土壤含水量、日照时间、风速、雨量、湿度等，并结束流程。其中预设含水量可以为1.5倍的凋萎含水量，也可以根据实际情况进行设置，凋萎含水量是指作物开始发生永久性凋萎时的土壤含水量。

步骤203、获取所述目标灌区的灌溉参数。

该步骤中，灌溉参数包括温度、土壤含水量、日照时间、风速、雨量、湿度等，如图3、图4所示，通过测量装置1获取目标灌区内的灌溉参数，目标灌区内某点的气象数据由不同的气象仪器收集。例如，自记式温度计101基于精密热敏电阻测定空气温度(℃)，测得数据用以计算基于国际粮农组织推荐的Penman-Monteith公式中的△、R_n、e_s和e_a四个输入参数；时域反射仪102通过测定土壤中的介电常数来推求土壤含水率(％)；自记式日照计103通过光电感应元件记录日照时长(h)，测得数据用以计算基于国际粮农组织推荐的Penman-Monteith公式中的参数R_n；自记风速仪105安装在离地面两米处，通过低阻力滚珠轴承风扇测定风速(m/s)；自记湿度仪106通过电子式湿度传感器监测空气相对湿度(％)，测得数据用以计算基于国际粮农组织推荐的Penman-Monteith公式中的参数R_n及e_a；自记雨量计109基于翻斗式雨量传感器原理测定雨量(mm)；所述测量仪器与微处理器107相连，微处理器可将仪器输出的电信号进行AD转换，并存储在Flash存储模块108中，最后通过GPRS模块110将检测到的信息由无线通信网络2传输至管理中心服务器3，管理中心服务器的计算机将对数据进行处理计算，并呈现在显示屏上供目标灌区管理人员查看。其中，上述各模块由电池电源模块104供电，所述电池电源模块由太阳能电池和备用锂电池构成，电压为24V。

步骤204、根据所述灌溉参数计算所述目标灌区的参考作物蒸散量。

该步骤中，为灌区管理部门配备管理终端服务器，基于国际粮农组织推荐的Penman-Monteith公式为终端计算机编写计算程序，能自行计算出参考作物蒸散量ET₀(mm)，计算方法详见式1；

式中△为饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率(kPa/℃)，可根据空气气温推求；G为土壤热通量，以日为时间尺度计算ET₀时，土壤热通量可忽略不计，即G＝0；R_n为冠层净辐射量(MJ/m2·d)，可通过观测得到，也可通过区域地理位置、当日日照时间、气温及相对湿度通过经验公式计算得到；γ为干湿温度计常数(kPa/℃)，可由当地海拔推求；T_mean为日平均温度(℃)，由测量装置直接测得；u₂为2米高处风速(m/s)，由测量装置直接测得；e_s为饱和水汽压(kPa)，可由空气气温计算得到；e_a为实际水汽压(kPa)，可由相对湿度和饱和水汽压计算得到。

步骤205、根据所述参考作物蒸散量计算所述目标灌区的需水量。

该步骤中，当土壤含水量低于预设含水量时，说明目标灌区需要进行灌溉，并启动获取目标灌区的需水量，目标灌区的需水量是根据目标灌区的参考作物蒸散量以及目标灌区内作物的作物系数的乘积获得的，为了更为准确的计算目标灌区的需水量还可以参考土壤水分修正系数，从而实现灌溉的准确性，实现精准灌溉的目的。

其中，获取所述目标灌区的需水量，包括：

通过公式ET_c＝K_w×K_c×ET₀计算目标灌区的需水量；

其中，ET_c为目标灌区的需水量，ET₀为目标灌区的参考作物蒸散量，K_w为土壤水分修正系数，K_c为作物系数；

通过公式计算土壤水分修正系数；

其中，K_w为土壤水分修正系数，AW为土壤含水量，W_p为凋萎含水量，W_j为毛管断裂含水量。

步骤206、获取所述目标灌区的有效降水量。

该步骤中，目标灌区的有效降水量根据目标灌区的土壤水分变化量和降水量基于水量平衡法获得的。

步骤207、根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。

该步骤中，目标灌区的灌溉一般可以分为初次灌溉和非初次灌溉，在不考虑深层次下渗的情况下，初次灌溉的灌水量一般是以灌溉后土壤含水量不超过田间持水量作为控制标准，即初次灌水量为田间持水量和预设持水量之间的差值。

而非初次灌溉，则需要根据上一次灌溉时间到本次灌溉时间之间积累的目标灌区有效降水量和目标灌区需水量确定灌水量。当目标灌区的有效降水量大于目标灌区需水量时，则不需要进行灌溉，当目标灌区的有效降水量小于目标灌区需水量时，本次灌水量则为目标灌区需水量与目标灌区的有效降水量的差值。

其中，所述根据目标灌区的需水量和目标灌区的有效降水量计算目标灌区的灌水量，包括：

通过公式计算目标灌区的灌水量；

其中，IW为目标灌区的灌水量，ET_c为目标灌区的需水量，P₀为所述目标灌区的有效降水量。

可选的，在所述获取目标灌区的土壤含水量之前，所述方法还包括：

根据所述目标灌区内作物的最大根系深度确定土壤层的厚度；

所述获取目标灌区内的土壤含水量，包括：

通过时域反射仪获取土壤含水量，其中，根据所述土壤层的厚度确定所述时域反射仪探头的布设数量，且所述时域反射仪探头布设间距为20cm。

本发明实施例中，通过根据目标灌区内作物的最大根系深度确定土壤层的厚度，从而更为精准的分布时域反射仪的探头，从而获取相对准确的目标灌区的土壤含水量，实现灌溉水的精确利用，避免了水资源不必要的浪费。

本发明实施例中，通过上述方法可以解决了现有的灌溉用水量准确率低的问题，并通过定量、定时的反映目标灌区内作物的需水情况，从而实现灌溉水的精确利用，避免了水资源不必要的浪费。

如图5所示，本发明实施例提供一种农田灌溉水量计算装置，所述装置50包括：

第一获取模块51，用于获取目标灌区的土壤含水量；

判断模块52，用于判断所述土壤含水量是否低于预设含水量；

第二获取模块53，用于若所述土壤含水量低于所述预设含水量，则获取所述目标灌区的需水量；

第三获取模块54，用于获取所述目标灌区的有效降水量；

计算模块55，用于根据所述目标灌区的需水量和所述目标灌区的有效降水量计算所述目标灌区的灌水量。

可选的，如图6所示，所述第二获取模块53包括：

第一获取单元531，用于获取所述目标灌区的灌溉参数；

第一计算单元532，用于根据所述灌溉参数计算所述目标灌区的参考作物蒸散量；

第二计算单元533，根据所述参考作物蒸散量计算所述目标灌区的需水量。

可选的，所述第二获取模块53包括：

通过公式ET_c＝K_w×K_c×ET₀计算所述目标灌区的需水量；

其中，ET_c为所述目标灌区的需水量，ET₀为所述目标灌区的参考作物蒸散量，K_w为土壤水分修正系数，K_c为作物系数；

通过公式计算所述土壤水分修正系数；

其中，K_w为土壤水分修正系数，AW为土壤含水量，W_p为凋萎含水量，W_j为毛管断裂含水量。

可选的，所述计算模块55包括：

通过公式计算所述目标灌区的灌水量；

其中，IW为所述目标灌区的灌水量，ET_c为所述目标灌区的需水量，P₀为所述目标灌区的有效降水量。

可选的，如图7所示，所述装置50还包括：

确定模块56，用于根据所述目标灌区内作物的最大根系深度确定土壤层的厚度；

所述第一获取模块51用于通过时域反射仪获取土壤含水量，其中，根据所述土壤层的厚度确定所述时域反射仪探头的布设数量，且所述时域反射仪探头布设间距为20cm。

本发明实施例中，装置50可以实现图1至图4所示实施例中提供的方法，即图1至图4实施例中提供的方法都可以由装置50实现，并且能达到相同的有益效果，为避免重复，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

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单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以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、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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以权利要求的保护范围为准。