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基于SPAC系统的水动力学建模及应用研究

李坡  
【摘要】:智能灌溉是农业节水的关键,而智能灌溉的核心是开发能用于模拟土壤-作物-大气系统(SPAC,Soil-Plant-Atmosphere Continuum)水动力学的决策软件。通过对SPAC系统中土壤水动力学的研究,可有助于了解土壤水运动特性,从而在农业生产中实施节水灌溉,增加用水效率,节约农业成本。本文通过研究SPAC系统理论、水动力学原理、数值模拟和实验验证方法,系统研究了SPAC系统中水动力学问题。首先,本文基于HYDRUS-1D模型,对三种典型土壤(砂壤土,壤土和黏壤土)的灌溉水入渗量、入渗速率、表面径流与土壤湿润深度进行了系统的数值仿真,以确定最大的灌溉速率,并模拟灌溉后及灌溉结束24小时之后的土壤剖面含水量变化。结果表明:砂壤土剖面的含水量变化比较快,灌溉水入渗速率和深度明显大于其他两种土壤,而壤土和黏壤土由于灌溉水入渗能力比较差,土壤剖面的含水量变化比较慢,通过仿真可知:砂壤土、壤土和黏壤土的灌溉速率分别为5cm/h、1.0cm/h和0.3cm/h左右为宜。此外,灌溉决策时须考虑灌溉后由于土壤含水量重分布引起的土壤湿润锋面变化。其次,本文通过引入国际农粮组织(FAO)提出的计算潜在土壤表面蒸发和植物蒸腾的双作物系数法,开发了基于气象资料和作物生长阶段的日蒸腾蒸发量计算模块,并与HYDRUS-1D模型相结合,建立了新的SPAC系统水动力学模型,对荷兰农场两个冬小麦试验进行模拟仿真。计算结果表明:模拟的在不同时间和不同深度的土壤含水量和实际测量值相吻合。蒸腾蒸发量模拟结果合理;降雨量影响土壤的蒸发和植物的蒸腾;土壤含水量受根系吸水影响明显。表明本文提出的SPAC系统水动力学模型能合理、正确,可直接用于作物生产中的水分管理。最后,介绍了智能灌溉控制系统的工作原理和硬件结构,并对两种情况下的智能灌溉的控制策略进行讨论。对本文模拟的三种典型土壤,建立了土壤湿润深度与灌溉量的简化方程,确定自动灌溉的灌溉原则并对具体作物进行仿真;对水力特征参数未知的土壤,提出了先建立土壤系统的传递函数,后通过模糊数学的方法来建立智能模糊控制器以达到节水灌溉的方法。


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