沟灌条件下SPAC系统水热传输模拟

论文摘要

沟灌SPAC系统水热传输的数值模拟,对摸清SPAC中水热能量输送与转换的定量关系,揭示隔沟交替灌溉的节水机理及水热能量传输特性等具有重要的理论意义和生产实际意义。本研究在前期研究现状的基础上,以大田玉米为试验材料,采用隔沟交替灌溉（AFI）和常规沟灌（CFI）两种沟灌方式,通过对地面光温分布、土壤水热参数、根系分布、作物生理指标等试验测定,分析了作物生长期间的地面光温分布规律以及土壤表面阻力、冠层阻力、空气动力学阻力与环境因素的关系,建立了各阻力模型,进一步构建了地面光温分布模型、土壤蒸发二维模型、根系吸水二维模型和土壤水热传输模型,揭示了AFI与CFI条件下土壤蒸发机制、根系形态对土壤水分的响应机制和水热传输特性,从整体上与相互反馈关系上建立了SPAC水热传输二维动态模型,实现了SPAC系统水热变化的动态模拟。研究取得的主要结果和结论如下:（1）东西行向播种时地面太阳总辐射量高于南北行向。同一播种行向时,AFI在非灌水区域地面所接受的太阳总辐射量高于灌水区域,因此AFI地面所接受的太阳总辐射量高于CFI。地表温度变化曲线同太阳辐射变化趋势非常一致,东西行向播种时地表温度高于南北行向。同一行向播种时,AFI的地面温度高于CFI,最大温差为4.23℃,最小温差为0.06℃。根据地面结构与太阳入射角度的几何关系建立地面太阳总辐射传输和地表温度分布模型,较好地模拟了沟灌田间太阳辐射和地面温度变化,拟合度在0.84以上。（2）改进了S-W模型,将AFI条件下土壤蒸发分为灌水区域和非灌水区域两部分,建立了沟灌条件下土壤蒸发二维模型和作物蒸腾模型。在Camillo（1986）和Anadranistakis et al（2000）模型基础上,建立了适于AFI灌水与非灌水区域的土壤表面阻力模式。提出了非充分供水条件下由冠层内温差表示的气孔阻力响应函数,在Jarvis（1976）模型基础上,建立了充分供水和非充分供水条件下的冠层阻力模型,模型待定系数经最小二乘法反复迭代,确定最优解。土壤蒸发模0实拟.3测值3值与和的实0.测807.8值;8有C倍F很,I的好C F的MI一A的E致作、性物?,蒸??A腾?F I和量的?模??土?分拟壤别结蒸为果发为0模.0实拟9、测值0值与.3的1实和测0. 80值5.9间倍0。的。A MFAI的E、作??物??蒸和腾??量??分模别拟为结0果.1为1、（3）AFI条件下,根系直径、体积密度、根尖数和表面积对土壤水热环境形成了自身的响应机制,受旱根区复水后根系生长速率加快,死亡速率变缓,根系形态出现“补偿效应”。AFI的细根根尖数和表面积较CFI增大,根系下扎更深,有利于根系吸水。根长密度在侧向和垂向土层深度上均呈指数递减分布。在玉米抽雄期之前,AFI的根长密度在垄位两侧不对称分布,受降雨影响,在玉米抽雄期之后,根长密度逐渐呈对称分布。CFI的根长密度在垄位两侧呈对称分布。建立了根长密度二维分布模型,AFI和CFI的根长密度模拟结果与实测值比较一致,二者的相关性决定系数在0.80以上。根据根长密度的动态分布和Feddes et al（1978）模型,建立了水分胁迫条件下的根系吸水二维动态模型。（4）有限元法对模拟区域的划分减小了复杂边界和非均质土壤引起的误差,有限元法的Galerkin方程提高了模拟精度,较好地模拟了AFI与CFI条件下土壤水热在时间上和空间上的传输过程,模拟结果与实测值有很好的相关性,土壤水分运动模拟值为实测值的0.96倍;而土壤温度的模拟值与实测值基本吻合,模拟值为实测值的0.98倍。本研究的主要创新点:①根据光学几何原理,考虑地面处于遮阴区和日晒区以及土壤湿润方式,建立的沟灌地面太阳总辐射传输模型和地表温度分布模型,较好地模拟了地面不同点位处光温分布规律。②确定了适合新乡轻砂壤土在AFI和CFI条件下的土壤表面阻力计算方法。所建立的冠层阻力模型中,水分亏缺条件下的气孔阻力响应函数由冠层温度表示,数据获取方便、快捷,优于土壤水分表示法,而且能够计算冠层阻力的日变化值,实用性强。③考虑沟灌地表复杂边界条件、土壤水分的非均匀性和地面小气候变化,改进了S-W模型,建立了沟灌条件下的二维土壤蒸发模型和作物蒸腾模型,蒸发蒸腾量的模拟值与实测值间的MAE、RMSE小于1,di在0.87以上。④揭示了活根/死根根系形态对沟灌土壤水分环境的响应机制。所建的根长密度分布模型,考虑了根系的空间分布以及根系伸展、下扎长度随时间变化,模拟精度较高,具有动态性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、意义与目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隔沟交替灌溉的研究现状
• 1.2.2 沟灌条件下土壤蒸发模型研究
• 1.2.3 作物蒸腾量计算
• 1.2.4 根系形态及其研究方法
• 1.2.5 根系吸水模型研究
• 1.2.6 沟灌SPAC 水热传输研究进展与存在问题
• 1.2.7 模型的数值模拟方法
• 1.3 沟灌条件下SPAC 系统水热传输模拟尚需进一步研究的主要问题
• 1.4 研究目标与研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 模型的评价指标
• 第二章 试验方案与研究方法
• 2.1 试验区概况
• 2.2 实验区布置
• 2.3 研究方法与技术路线
• 2.4 试验测定项目及研究方法
• 第三章 沟灌条件下地面光温分布规律及其传输模型
• 3.1 沟灌条件下地面太阳总辐射分布
• 3.1.1 不同种植行向时太阳总辐射分布
• 3.1.2 不同沟灌方式下地面太阳总辐射分布
• 3.2 太阳辐射冠层透过率（Τ）
• 3.3 沟灌条件西下地表温度变化规律
• 3.3.1 不同种植行向条件下地表温度变化规律
• 3.3.2 不同沟灌方式下地表温度变化规律
• 3.4 沟灌条件下地面辐射传输模型
• 3.4.1 沟灌的土壤剖面结构及边界方程
• 3.4.2 地面总辐射计算
• 3.5 沟灌条件下地表温度分布模型
• 3.6 沟灌条件下地表光温分布模型的检验
• 3.7 小结
• 第四章 沟灌条件下蒸发蒸腾模拟
• 4.1 沟灌条件下土壤蒸发规律
• 4.1.1 土壤蒸发逐日变化规律
• 4.1.2 气象因素对土壤蒸发的影响
• 0）与LAI 的关系'>4.1.3 相对土壤蒸发量（E/ET₀）与LAI 的关系
• 0 与表层土壤含水量的关系'>4.1.4 E/ET₀与表层土壤含水量的关系
• 4.2 沟灌条件下玉米冠层的蒸腾变化规律
• 4.2.1 影响沟灌条件下玉米冠层蒸腾量的主要气象因素
• 4.2.2 玉米的不同生长阶段冠层蒸腾变化
• 4.2.3 玉米蒸腾速率与环境因素的关系
• 4.2.4 玉米蒸腾速率与环境因素的相关性
• 4.3 沟灌条件下土壤蒸发与作物蒸腾模拟
• 4.3.1 S-W 模型
• 4.3.2 土壤表面阻力、空气动力学阻力和冠层边界层阻力项的确定
• 4.4 沟灌条件下玉米冠层阻力模型
• 4.4.1 气孔阻力变化规律
• 4.4.2 冠层阻力模型的建立
• 4.5 模型检验
• 4.6 小结
• 第五章 沟灌条件下玉米根系形态及根系吸水模型研究
• 5.1 沟灌条件下玉米根系形态研究
• 5.1.1 AFI 的根系形态变化
• 5.1.2 常规沟灌的根系形态变化
• 5.1.3 不同径级的根系形态变化
• 5.1.4 沟灌条件下的玉米根系分布
• 5.2 沟灌条件下玉米根系吸水模型
• 5.2.1 根长密度在侧向和垂向的分布
• 5.2.2 根长密度的二维空间分布
• 5.2.3 根长密度二维模型
• 5.2.4 二维根长密度分布的模拟结果
• 5.2.5 二维根系吸水模型
• 5.3 小结
• 第六章 沟灌条件下SPAC 水热传输模拟
• 6.1 玉米根区的土壤水分变化
• 6.1.1 AFI 的根区土壤含水量变化
• 6.1.2 CFI 的根区土壤水分变化
• 6.1.3 灌水前后土壤剖面的水分变化
• 6.2 玉米根区的土壤温度变化
• 6.2.1 不同种植行向时土壤温度变化
• 6.2.2 AFI 与CFI 在0-1 m 土层的温度变化
• 6.2.3 沟灌条件下土壤温度日变化
• 6.3 SPAC 水热传输动态模拟模型
• 6.3.1 土壤水热传输的模拟模型
• 6.3.2 冠层汇源处的能量平衡
• 6.3.3 土壤面的能量分配
• 6.4 土壤水热传输模型的数值求解方法
• 6.4.1 有限元法的Galerkin 方程
• 6.4.2 模拟区域的划分与基函数构造
• 6.4.3 SPAC 水热传输模型的模拟程序框架
• 6.5 沟灌条件下SPAC 水热传输模型的模拟结果与检验
• 6.5.1 模型模拟程序界面
• 6.5.2 沟灌条件下蒸发蒸腾量的逐日变化模拟结果
• 6.5.3 沟灌条件下土壤及冠层汇源面处的能量通量模拟结果
• 6.5.4 沟灌条件下土壤水分运动模拟结果
• 6.5.5 沟灌条件下土壤温度模拟结果
• 6.6 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 论文不足之处及有待进一步研究的主要问题
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介