推動多元農業灌溉技術
- 農業科技計畫 @ 農業部
計畫名稱推動多元農業灌溉技術的計畫主持人是譚智宏, 執行機關是財團法人農業工程研究中心, 研究領域是農田水利類, 研究性質是應用研究, 計畫編號是110農科-4.4.2-利-b2, 研究目的是發展農林漁牧（不含食品加工與包裝）, 中央款是7026000, 配合款是1700, 計畫總經費是7027700, 執行成果摘要是本計畫推動多元化農業灌溉技術相關議題之探討與研討，期能將灌溉用水地面及地下水聯合運用，並且朝向多元化智慧農業灌溉技術方向發展，有效率使用有限水資源。是故本年度之目標如下：「運用科技新知與演算方法，瞭解農業地下水資源使用特性」方面：進行智慧地下水水情之研究，應用AI強化學習之農業水資源與地下水智慧決策....
| 計畫年度 | 110 |
| 計畫類別 | 科技 |
| 計畫名稱 | 推動多元農業灌溉技術 |
| 計畫編號 | 110農科-4.4.2-利-b2 |
| 計畫屬性 | 科學技術類 |
| 研究性質 | 應用研究 |
| 研究方法 | 學術補助 |
| 研究領域 | 農田水利類 |
| 研究目的 | 發展農林漁牧（不含食品加工與包裝） |
| 主管機關 | 行政院農業委員會農田水利署 |
| 執行機關 | 財團法人農業工程研究中心 |
| 計畫主持人 | 譚智宏 |
| 中央款 | 7026000 |
| 配合款 | 1700 |
| 計畫總經費 | 7027700 |
| 執行成果摘要 | 本計畫推動多元化農業灌溉技術相關議題之探討與研討，期能將灌溉用水地面及地下水聯合運用，並且朝向多元化智慧農業灌溉技術方向發展，有效率使用有限水資源。是故本年度之目標如下：「運用科技新知與演算方法，瞭解農業地下水資源使用特性」方面：進行智慧地下水水情之研究，應用AI強化學習之農業水資源與地下水智慧決策，並以料探勘技術於農業活動地下水資源使用特性分析。完成之重要成果如下：提出以k-NN搭配月移動視窗法將TCWB1T1的降雨資料降尺度，使長時間預報有足夠的降雨量資料，減緩誤差累積的速度。並透過傅立葉分析，模擬出抽水的相對影響值，改善沒有實際抽水量資料的桃園工業區資料不足的問題，讓決策者除了能透過系集預報評估風險，也得到一方便決策之決定性預報。最後使用TCWB1T1的降尺度雨量、觀測井的地下水位與PRS，輸入SVM預報未來180天之地下水位預報。建構農業水資源與地下水管理的AI強化學習模式，提供農業水資源智慧決策分析工具，以達成農業灌溉水資源最佳化配置及不確定性研究，在面臨極端氣候、水資源稀缺的環境中，能夠減少水資源之浪費並且達到最妥善之配置。利用2016年1月至2017年7月雲林縣虎尾鎮之農業地下水井時序列資料，輔以地下水抽補推估以及資料探勘技術文獻之蒐集，進行不同標的農業抽水行為型態之分類與評估分析，並分析農業抽水型態之可能影響因子。此外，亦透過資料探勘技術分析雲林虎尾區域農業活動地下水資源之使用特徵，藉此瞭解農業的抽水行為及需求，可做為農業地下水資源評估管理之參考依據。「研析農業用水水質狀況，確保提供量足質優的灌溉用水」方面：對於灌溉水質劣化關鍵因子進行分析與因應對策研擬，並強化農田灌溉水質汙染溯源技術以及探討灌溉水品質分級機制。完成之重要成果如下：收集與彙整台灣地區農業環境風險較高的地區，並擇定桃園石門灌區進行灌溉水品質現況與周圍環境所存在的威脅調查。篩選出可能造成石門灌區灌溉水水質劣化的相關關鍵因子，頗析出其影響程度。並設定各項灌溉水危害因子各項參數之分級標準及權重，並計算與繪製灌溉水污染潛勢危害地圖。此方法未來可運用於其他地區進行灌溉水污染潛勢危害評估。並於本次計畫提出石門灌區灌溉水污染潛勢危害的因應對策和水體品質提升的相關策略。以北臺灣桃園地區之大園工作站所轄管之灌區範圍為研究區域，借助前期計畫所規劃之水質監測系統及蒐整之相關農業水土資料，進一步討論測站佈放點位及監控範圍之有效性；另針對目前總量管制區之劃設與灌區內農地列管狀況，深入探討其劃設辦法之適當性，以及國土計畫功能分區之合理性。綜整上述之資料分析，比對跨部會政策及管制作為，提出一具體有效精進管理辦法之建議，進而提升台灣整體農業生產體系。故整合農地水土監測資料、總量管制、污染溯源等各項議題，加以分析過往歷史水質監測數據，規劃適宜之農業灌溉用水監測點位及污染溯源方式。利用農水署各管理處灌溉水質監視數據進行灌溉水質分級機制之研析與探討，確立NIWQI指標(現行IWQI指標之修正方案)於實務上之可行性，藉由NIWQI指標之應用掌握灌溉水質風險較高區域，有效分配檢測量能，加強灌溉水質品質描述，並為了後續可能存在之資訊公開需求，簡化運算及分級呈現方式，以利管理單位及ㄧ般民眾掌握灌溉水質品質。「整合資訊提供即期之乾旱預警作業，活用農業水資源可彈性調度特性方」方面：應用機器學習整合水庫蓄水量與降雨量乾旱指標於即期乾旱預警作業，另以新竹管理處竹東圳灌區2個水利小組為例，運用水利小組義務勞動人力建構即時回饋與灌溉服務關聯模式研究。使用氣象局雨量測站，以變動尺度SPI的方式進行乾旱分析，對比過去固定尺度SPI監測乾旱的方式，變動尺度SPI能提早偵測與完整描述一水文年內的乾旱情形，也能配合監測水庫水位變化。此外，也將此變動尺度SPI之成果以R Shiny建立全台灣區域乾旱監測網，可查詢當前與歷史乾旱情形，並進行比對，方便使用者了解現況作出適當決策。由於竹東圳灌區二期作係屬於豐水期，在頭前溪流量充足的情況下，此時期之竹東圳皆保持全線引水續灌。因此，綜整110年7月1日～110年10月30日之灌溉用水供水現況、有效降雨、支線水位等數據後，本研究僅篩選回報供水不足共8筆結果（如表4）來探討。其中，不論是在本田或整田期間，這8筆資料皆為颱風侵台時期，支線水閘門會在颱風登陸前關閉，即便農民覺得降雨充足、有效雨量充沛，亦會反應供水不足。經與新竹管理處討論後，為避免竹東圳側流量過大導致溢流淹水，竹東圳必須遵守颱風時期的水閘門啟閉原則，可認定颱風期間為特殊情形。而其餘259筆數據，不論在整田、本田、抽穗期、是否降雨之情況，其供水現況皆為充足。因此，本研究之兩項研究假設原則皆成立：(1).竹東圳（支線）水位若符合灌溉計畫，水利小組灌區之供水現況會充足。(2).在有效降雨充足的情況下，調降竹東圳支線配水，水利小組灌區之供水現況仍可維持充足。前述研究結果經與管理處討論後亦與真實供水現況吻合，儘管寶山、寶山第二水庫皆滿庫的情況況下，竹東圳灌區在二期作的供水上皆算穩定且充足，本研究之回饋機制基本可行。「推動智慧管理建立農業用水多元化管理調配機制」方面：則進行如下研究：基於土壤水分移動模式之灌溉策略對旱作需水量推估影響之研究：研究所獲得的重要成果包括，(1)完成各土層之土壤物理特性試驗並取得各土層之土壤水分特性曲線，以利更精準的區別不同土層之RAM，用水量計算更為精確。(2)利用土壤水分移動模式分析出較適當之代表土層，與日本土地改良事業計畫設計基準所計算之日用水量、農民實際灌溉量以及東勢本圳之灌溉用水量進行比較評析，找出較精準的灌溉水量。(3)以代表土層25cm土層之土壤水分移動模式進行模擬灌溉，結果顯示透過土壤水分移動模式分析之灌溉方案並配合扣除降雨所推估之日用水量與水權計算日用水量進行差異比較及分析，若作為果樹保守估計之用水量，用水量已足夠。 以立地環境資料決定水田灌溉時機：作物生長期間所需之灌溉水量係與作物生長階段有關，水稻田灌溉用水量佔總農業用水量之70%，如何提高灌溉效率為值得深入探討之議題，本研究參考前人研究以水田資料建立水稻生長模式並利用該模式與研究中田間蒐集的土壤水分與水文資料，作為決定是否進行田區灌溉之條件進而完成水田灌溉時機模式，以模式與田間資料的整合達到水田用水效率提升的目標。曾文-烏山頭水庫灌區灌溉制度調整對灌溉用水調配效能影響之研究：以缺水最嚴重之曾文-烏山頭水庫灌區為研究區域，考量區域降雨特性、水稻產量、糧食自給率與土壤鹽化問題等因素，將曾文-烏山頭水庫灌區之雙期作田調整為單期作田及配合政策旱作物輪作等不同耕作方式，與將水稻種植期距往後調整並採取水稻全育期採用7日、10日輪灌及水稻抽穗開花期後採用7日、10日輪灌等不同灌溉制度調整情境下，評析其對灌溉用水量、節水效能、水資源生產力及糧食自給率之影響，以因應極端氣候缺水衝擊與解決水稻生產過剩問題及提升糧食自給率，有效提升農業灌溉用水調配效能。研究結果顯示就不同耕作方式之節水效益而言，若將一期作水稻停灌休耕其節水率為100%，約可節餘2億7000萬噸水量，惟將負擔休耕補償費用，若轉作(或輪作)為玉米政策作物，其節水率可達80%，約可節餘2億2000萬噸水量，一期作休耕及轉作之節水效益較二期作為高。就不同灌溉制度而言，在產量與節水量之考量下，若將一期作水稻延後至2月16日開始種植且於抽穗開花期後採7日輪灌，其節水率約29%，可節餘約7456萬噸水量。就水資源生產力(元/m3)而言，玉米之水資源生產力高於水稻。本研究亦已建立不同作物耕作方式及灌溉制度調整情境下之配水計畫，可供未來嘉南管理處不同缺水環境下灌溉配水之應用。模擬不同灌溉制度對灌溉用水量之影響-以雲林管理處為例：以雲林農田水利處灌區為例，透過現地相關問題的調查，重新檢討該地區的灌溉制度，進而對現階段灌溉制度調整做出建議。研究結果顯示傳統灌溉用水量的計算方式，以坵塊為單元進行精密輪灌的方式，在純水田或純旱作區，較容易達到供需平衡。唯在現階段水旱輪植的情況下，供需水量平衡本就不易，加上農地重劃後農民可以自由選擇作物，及都市化後兼業農用水管理的型態，因此造成供需差異逐漸擴大。未來若能透過農事小組與水利小組的整合，改以單區進行集團式的系統化供水與作物栽培，不僅能適當調節農村勞力，減緩供需水量的落差，亦可因應市場的變化，及時調整農地利用的型態。旱作不同灌溉方法之作物需水量差異分析研究：嘉南管理處灌溉技術推廣中心試驗田進行高粱採慣行灌溉及穿孔管管路灌溉二種不同灌溉方法現地試驗，分析不同灌溉方法之灌溉需水量及產量差異。110年春作台南七號高粱於4月1日種植，秋作台南八號高粱於9月14日種植。試驗田區埋設30公分及60公分張力計，監測穿孔管灌區田間土壤水分作為灌溉起始基準。研究結果得知:試驗田坋質壤土有效水分為23.3%，高粱允許土壤水分消耗比例為0.55，訂定高粱管路灌溉區土壤水分灌溉臨界點為19.7%，土壤水分特性曲線得知30公分張力計讀數達80cbar即機動性啟動灌溉，灌溉水量足以讓60公分張力計達到田間容水量張力為原則。台南七號春作高粱於2021/4/1種植，7/8收割，生長日數為96天，現地試驗結果得知慣行農法區及穿孔管管路節水灌溉區之灌溉水量分別為115.4公厘及101.4公厘，穿孔管管路節水灌溉區較慣行農法節水約12.2%。進行作物農藝性狀及產量調查，結果得知春作高粱管路節水灌溉區及慣行灌溉區產量分別為2957.1公斤/公頃及4137.5公斤/公頃，顯示管路節水灌溉區較慣行灌溉區作物產量增加約39%。收集試驗田農業氣象等灌溉管理資料，作物需水模式進行田間水收支平衡分析作物需水量。結果得知2021春作高粱潛勢蒸發散量，有效雨量及灌溉需水量分別為427.7公厘，243.5公厘及184.3公厘。計畫統籌協助與整理暨成果發表：依據計畫核定完成交辦事項；另於11/30假本中心辦理完成「110年度農田水利科技計畫成果發表研討會」。本次研討會依計畫不同分為兩場次遴選4篇成果論文發表，半天一場次，計有近60人參加。 |
計畫年度110 |
計畫類別科技 |
計畫名稱推動多元農業灌溉技術 |
計畫編號110農科-4.4.2-利-b2 |
計畫屬性科學技術類 |
研究性質應用研究 |
研究方法學術補助 |
研究領域農田水利類 |
研究目的發展農林漁牧（不含食品加工與包裝） |
主管機關行政院農業委員會農田水利署 |
執行機關財團法人農業工程研究中心 |
計畫主持人譚智宏 |
中央款7026000 |
配合款1700 |
計畫總經費7027700 |
執行成果摘要本計畫推動多元化農業灌溉技術相關議題之探討與研討，期能將灌溉用水地面及地下水聯合運用，並且朝向多元化智慧農業灌溉技術方向發展，有效率使用有限水資源。是故本年度之目標如下：「運用科技新知與演算方法，瞭解農業地下水資源使用特性」方面：進行智慧地下水水情之研究，應用AI強化學習之農業水資源與地下水智慧決策，並以料探勘技術於農業活動地下水資源使用特性分析。完成之重要成果如下：提出以k-NN搭配月移動視窗法將TCWB1T1的降雨資料降尺度，使長時間預報有足夠的降雨量資料，減緩誤差累積的速度。並透過傅立葉分析，模擬出抽水的相對影響值，改善沒有實際抽水量資料的桃園工業區資料不足的問題，讓決策者除了能透過系集預報評估風險，也得到一方便決策之決定性預報。最後使用TCWB1T1的降尺度雨量、觀測井的地下水位與PRS，輸入SVM預報未來180天之地下水位預報。建構農業水資源與地下水管理的AI強化學習模式，提供農業水資源智慧決策分析工具，以達成農業灌溉水資源最佳化配置及不確定性研究，在面臨極端氣候、水資源稀缺的環境中，能夠減少水資源之浪費並且達到最妥善之配置。利用2016年1月至2017年7月雲林縣虎尾鎮之農業地下水井時序列資料，輔以地下水抽補推估以及資料探勘技術文獻之蒐集，進行不同標的農業抽水行為型態之分類與評估分析，並分析農業抽水型態之可能影響因子。此外，亦透過資料探勘技術分析雲林虎尾區域農業活動地下水資源之使用特徵，藉此瞭解農業的抽水行為及需求，可做為農業地下水資源評估管理之參考依據。「研析農業用水水質狀況，確保提供量足質優的灌溉用水」方面：對於灌溉水質劣化關鍵因子進行分析與因應對策研擬，並強化農田灌溉水質汙染溯源技術以及探討灌溉水品質分級機制。完成之重要成果如下：收集與彙整台灣地區農業環境風險較高的地區，並擇定桃園石門灌區進行灌溉水品質現況與周圍環境所存在的威脅調查。篩選出可能造成石門灌區灌溉水水質劣化的相關關鍵因子，頗析出其影響程度。並設定各項灌溉水危害因子各項參數之分級標準及權重，並計算與繪製灌溉水污染潛勢危害地圖。此方法未來可運用於其他地區進行灌溉水污染潛勢危害評估。並於本次計畫提出石門灌區灌溉水污染潛勢危害的因應對策和水體品質提升的相關策略。以北臺灣桃園地區之大園工作站所轄管之灌區範圍為研究區域，借助前期計畫所規劃之水質監測系統及蒐整之相關農業水土資料，進一步討論測站佈放點位及監控範圍之有效性；另針對目前總量管制區之劃設與灌區內農地列管狀況，深入探討其劃設辦法之適當性，以及國土計畫功能分區之合理性。綜整上述之資料分析，比對跨部會政策及管制作為，提出一具體有效精進管理辦法之建議，進而提升台灣整體農業生產體系。故整合農地水土監測資料、總量管制、污染溯源等各項議題，加以分析過往歷史水質監測數據，規劃適宜之農業灌溉用水監測點位及污染溯源方式。利用農水署各管理處灌溉水質監視數據進行灌溉水質分級機制之研析與探討，確立NIWQI指標(現行IWQI指標之修正方案)於實務上之可行性，藉由NIWQI指標之應用掌握灌溉水質風險較高區域，有效分配檢測量能，加強灌溉水質品質描述，並為了後續可能存在之資訊公開需求，簡化運算及分級呈現方式，以利管理單位及ㄧ般民眾掌握灌溉水質品質。「整合資訊提供即期之乾旱預警作業，活用農業水資源可彈性調度特性方」方面：應用機器學習整合水庫蓄水量與降雨量乾旱指標於即期乾旱預警作業，另以新竹管理處竹東圳灌區2個水利小組為例，運用水利小組義務勞動人力建構即時回饋與灌溉服務關聯模式研究。使用氣象局雨量測站，以變動尺度SPI的方式進行乾旱分析，對比過去固定尺度SPI監測乾旱的方式，變動尺度SPI能提早偵測與完整描述一水文年內的乾旱情形，也能配合監測水庫水位變化。此外，也將此變動尺度SPI之成果以R Shiny建立全台灣區域乾旱監測網，可查詢當前與歷史乾旱情形，並進行比對，方便使用者了解現況作出適當決策。由於竹東圳灌區二期作係屬於豐水期，在頭前溪流量充足的情況下，此時期之竹東圳皆保持全線引水續灌。因此，綜整110年7月1日～110年10月30日之灌溉用水供水現況、有效降雨、支線水位等數據後，本研究僅篩選回報供水不足共8筆結果（如表4）來探討。其中，不論是在本田或整田期間，這8筆資料皆為颱風侵台時期，支線水閘門會在颱風登陸前關閉，即便農民覺得降雨充足、有效雨量充沛，亦會反應供水不足。經與新竹管理處討論後，為避免竹東圳側流量過大導致溢流淹水，竹東圳必須遵守颱風時期的水閘門啟閉原則，可認定颱風期間為特殊情形。而其餘259筆數據，不論在整田、本田、抽穗期、是否降雨之情況，其供水現況皆為充足。因此，本研究之兩項研究假設原則皆成立：(1).竹東圳（支線）水位若符合灌溉計畫，水利小組灌區之供水現況會充足。(2).在有效降雨充足的情況下，調降竹東圳支線配水，水利小組灌區之供水現況仍可維持充足。前述研究結果經與管理處討論後亦與真實供水現況吻合，儘管寶山、寶山第二水庫皆滿庫的情況況下，竹東圳灌區在二期作的供水上皆算穩定且充足，本研究之回饋機制基本可行。「推動智慧管理建立農業用水多元化管理調配機制」方面：則進行如下研究：基於土壤水分移動模式之灌溉策略對旱作需水量推估影響之研究：研究所獲得的重要成果包括，(1)完成各土層之土壤物理特性試驗並取得各土層之土壤水分特性曲線，以利更精準的區別不同土層之RAM，用水量計算更為精確。(2)利用土壤水分移動模式分析出較適當之代表土層，與日本土地改良事業計畫設計基準所計算之日用水量、農民實際灌溉量以及東勢本圳之灌溉用水量進行比較評析，找出較精準的灌溉水量。(3)以代表土層25cm土層之土壤水分移動模式進行模擬灌溉，結果顯示透過土壤水分移動模式分析之灌溉方案並配合扣除降雨所推估之日用水量與水權計算日用水量進行差異比較及分析，若作為果樹保守估計之用水量，用水量已足夠。 以立地環境資料決定水田灌溉時機：作物生長期間所需之灌溉水量係與作物生長階段有關，水稻田灌溉用水量佔總農業用水量之70%，如何提高灌溉效率為值得深入探討之議題，本研究參考前人研究以水田資料建立水稻生長模式並利用該模式與研究中田間蒐集的土壤水分與水文資料，作為決定是否進行田區灌溉之條件進而完成水田灌溉時機模式，以模式與田間資料的整合達到水田用水效率提升的目標。曾文-烏山頭水庫灌區灌溉制度調整對灌溉用水調配效能影響之研究：以缺水最嚴重之曾文-烏山頭水庫灌區為研究區域，考量區域降雨特性、水稻產量、糧食自給率與土壤鹽化問題等因素，將曾文-烏山頭水庫灌區之雙期作田調整為單期作田及配合政策旱作物輪作等不同耕作方式，與將水稻種植期距往後調整並採取水稻全育期採用7日、10日輪灌及水稻抽穗開花期後採用7日、10日輪灌等不同灌溉制度調整情境下，評析其對灌溉用水量、節水效能、水資源生產力及糧食自給率之影響，以因應極端氣候缺水衝擊與解決水稻生產過剩問題及提升糧食自給率，有效提升農業灌溉用水調配效能。研究結果顯示就不同耕作方式之節水效益而言，若將一期作水稻停灌休耕其節水率為100%，約可節餘2億7000萬噸水量，惟將負擔休耕補償費用，若轉作(或輪作)為玉米政策作物，其節水率可達80%，約可節餘2億2000萬噸水量，一期作休耕及轉作之節水效益較二期作為高。就不同灌溉制度而言，在產量與節水量之考量下，若將一期作水稻延後至2月16日開始種植且於抽穗開花期後採7日輪灌，其節水率約29%，可節餘約7456萬噸水量。就水資源生產力(元/m3)而言，玉米之水資源生產力高於水稻。本研究亦已建立不同作物耕作方式及灌溉制度調整情境下之配水計畫，可供未來嘉南管理處不同缺水環境下灌溉配水之應用。模擬不同灌溉制度對灌溉用水量之影響-以雲林管理處為例：以雲林農田水利處灌區為例，透過現地相關問題的調查，重新檢討該地區的灌溉制度，進而對現階段灌溉制度調整做出建議。研究結果顯示傳統灌溉用水量的計算方式，以坵塊為單元進行精密輪灌的方式，在純水田或純旱作區，較容易達到供需平衡。唯在現階段水旱輪植的情況下，供需水量平衡本就不易，加上農地重劃後農民可以自由選擇作物，及都市化後兼業農用水管理的型態，因此造成供需差異逐漸擴大。未來若能透過農事小組與水利小組的整合，改以單區進行集團式的系統化供水與作物栽培，不僅能適當調節農村勞力，減緩供需水量的落差，亦可因應市場的變化，及時調整農地利用的型態。旱作不同灌溉方法之作物需水量差異分析研究：嘉南管理處灌溉技術推廣中心試驗田進行高粱採慣行灌溉及穿孔管管路灌溉二種不同灌溉方法現地試驗，分析不同灌溉方法之灌溉需水量及產量差異。110年春作台南七號高粱於4月1日種植，秋作台南八號高粱於9月14日種植。試驗田區埋設30公分及60公分張力計，監測穿孔管灌區田間土壤水分作為灌溉起始基準。研究結果得知:試驗田坋質壤土有效水分為23.3%，高粱允許土壤水分消耗比例為0.55，訂定高粱管路灌溉區土壤水分灌溉臨界點為19.7%，土壤水分特性曲線得知30公分張力計讀數達80cbar即機動性啟動灌溉，灌溉水量足以讓60公分張力計達到田間容水量張力為原則。台南七號春作高粱於2021/4/1種植，7/8收割，生長日數為96天，現地試驗結果得知慣行農法區及穿孔管管路節水灌溉區之灌溉水量分別為115.4公厘及101.4公厘，穿孔管管路節水灌溉區較慣行農法節水約12.2%。進行作物農藝性狀及產量調查，結果得知春作高粱管路節水灌溉區及慣行灌溉區產量分別為2957.1公斤/公頃及4137.5公斤/公頃，顯示管路節水灌溉區較慣行灌溉區作物產量增加約39%。收集試驗田農業氣象等灌溉管理資料，作物需水模式進行田間水收支平衡分析作物需水量。結果得知2021春作高粱潛勢蒸發散量，有效雨量及灌溉需水量分別為427.7公厘，243.5公厘及184.3公厘。計畫統籌協助與整理暨成果發表：依據計畫核定完成交辦事項；另於11/30假本中心辦理完成「110年度農田水利科技計畫成果發表研討會」。本次研討會依計畫不同分為兩場次遴選4篇成果論文發表，半天一場次，計有近60人參加。 |