第五章噴灌作物冠層截留水量及其消耗的數(shù)學模擬

1、第五章噴灌作物冠層截留水量及其消耗的數(shù)學模擬目的n了解冠層能量平衡模型（Cupid）模擬n基于Cupid模型對噴灌條件下華北平原兩種主要作物冬小麥和夏玉米冠層截留過程進行數(shù)值模擬，旨在為精確評價及進一步提高噴灌水利用率提供參考依據(jù)。5.1 概述 n在田間試驗條件下確定噴灌作物冠層截留水量及截留損失，由于影響噴灌作物截留過程的因素較多，田間試驗結(jié)果僅反映特定條件下截留損失規(guī)律，為準確及時評價噴灌技術在我國不同生態(tài)類型區(qū)的應用適宜性，有必要對噴灌作物冠層截留過程進行數(shù)學模擬。5.1 概述n在冠層截留數(shù)學模擬方面，國內(nèi)外研究主要集中在對降雨條件下的林冠截留進行數(shù)學模擬，構(gòu)建的冠層截留模型大致可歸納為

2、三種形式：n經(jīng)驗模型經(jīng)驗模型（Jackson,1975;曹群根，1991；羅天祥，1995；曾德慧等，1995）n半經(jīng)驗半理論模型半經(jīng)驗半理論模型（Rutter，1971;Gash,1979）n理論模型理論模型（Murphy等，1975；劉家岡，1985；裴鐵和鄭遠長，1996）作物冠層截留噴灌模型nMcNaughton(1981)空氣平流原理噴灌玉米冠層凈截留損失模型nNorman和Campbell(1983)農(nóng)田能量平衡原理土壤植物大氣耦合模型nThompson(1993a)Cupid+彈道理論噴灌水滴蒸發(fā)與植物冠層能量平衡聯(lián)合模擬模型（Cupid-DPE）5.2 模型簡介n基于能量平衡原

3、理，Cupid模型將農(nóng)田環(huán)境視為土壤植物大氣連續(xù)系統(tǒng)，進而對系統(tǒng)內(nèi)各組分的交互作用加以綜合分析。該模型以n植物生理特性：如葉面積指數(shù)、株高、植物冠層中最低層葉片高度、株行距、葉水勢、蒸騰、葉氣孔導度、冠層阻力和根長密度分布。n灌溉參數(shù)：灌水量、歷時n氣象因子:直接輻射、漫射輻射、光合有效輻射、空氣溫濕度、風速、土壤溫度、含水率。5.2 模型簡介n土壤水熱特性：地表反射率、熱發(fā)射率、空氣動力學糙率、土壤水分特征曲線、土壤導水率、熱導率。n試驗點地理參數(shù)：經(jīng)度、緯度、海拔、方位。n以上五個方面作為輸入變量，在結(jié)合農(nóng)田邊界條件（冠層頂部和植物根區(qū)底部）來預測農(nóng)田水熱收支。 n功能：對灌溉水量田間損失

4、進行定量預測，使灌溉水利用率作出精確評價 Cupid模型n將農(nóng)田環(huán)境按空間位置劃分為4層（由上至下）n植物冠層上部層：從模型上邊界至冠層頂部n冠層層n地上層：介于冠層底部和地表之間n地下層：地表至模型下邊界n冠層層細分為若干個亞層n亞層數(shù)=冠層總?cè)~面積指數(shù)（TOTLAI）/單層葉面積指數(shù)（DF）Cupid主要的特點n（1）多層結(jié)構(gòu):將土壤植被大氣垂直連續(xù)體分成多個薄層n（2）時空尺度：最小空間尺度為葉片，每層葉片按10間隔分為9大傾角類型，最小時間尺度為15minn（3）輻射傳輸：分直射和漫射兩種類型。n（4）溫濕度廓線：可以同時求出地上和土壤溫濕度廓線5.2.1 農(nóng)田能量平衡方程n公式如下:

5、5.2.1 農(nóng)田能量平衡方程n :作物冠層獲得的凈輻射通量（數(shù)值上等于向下與向上總輻射差）， nH ：感熱通量， n ：潛熱通量， n ：汽化潛熱，取值為2496J/g;nG ：土壤熱通量,5.2.2 農(nóng)田熱流運動基本方程nCupid模型以地面為分界線，將農(nóng)田熱流運動具體劃分為兩部分：n（一）地表以上部分（由作物及其周圍大氣環(huán)境組成）n（二）地下部分（由作物主要根系活動層內(nèi)土壤構(gòu)成）n農(nóng)田熱流運動主要表現(xiàn)為垂直方向運動nCupid模型流程圖：詳見課本P1425.2.2 農(nóng)田熱流運動基本方程n此模型實際為一維熱流運動方程，基本方程為：詳見課本P1435.2.3 農(nóng)田水分運動基本方程nCupid模

6、型同樣以地面為分界線，將農(nóng)田水分運動劃分為地上部分及地下部分。n對于地上部分，基本方程為：詳見課本P1435.2.3 農(nóng)田水分運動基本方程n對于地下部分，基本方程為：詳見課本P1435.2.4 冠層截留量與截留損失估算方程nCupid模型將作物葉片截留后的水分運移路徑分為4部分：n蒸發(fā)到冠層內(nèi)部及周圍的空氣中，進而提高冠層內(nèi)空氣相對濕度；n滴落到更下一層葉片上或土壤中；n滯留在葉片上或作物的其他部位（如葉鞘與莖稈結(jié)合處的杯狀區(qū)域內(nèi)）n沿莖稈流到土壤中；5.2.4 冠層截留量與截留損失估算方程n基于上述水分運移路徑的分類，參照作物葉片截留輻射原理，模型將冠層內(nèi)某一亞層（第j層）的截留水量占降雨或

7、噴灌水量比例（截留系數(shù)）用下式表示：詳見課本P1445.2.4 冠層截留量與截留損失估算方程n棵間水量占噴灌水量的比例計算：詳見課本P1445.2.4 冠層截留量與截留損失估算方程n亞層存儲能力計算：詳見課本P1445.2.4 冠層截留量與截留損失估算方程n作物冠層截留損失（冠層毛截留損失）就 等于各亞層截留水分蒸發(fā)量的累計值。n截留蒸發(fā)量和棵間土壤蒸發(fā)量通過Penman-Monteith公式計算：詳見課本P144 計算詳見課本P144蒸騰量的計算詳見課本P144 詳見課本P1445.2.5 模型初始和邊界條件n 5.2.5.1 初始條件n空氣溫度、水氣壓、土壤溫度及含水率均勻分布時農(nóng)田熱流和

8、水分運動的初始條件：5.2.5 模型初始和邊界條件5.2.5.2 邊界條件nThompson等在應用Cupid模型時認為，一維模型地表以上部分的邊界狀態(tài)應該處于受灌水事件影響較小的空間位置，對于固定式噴灌系統(tǒng)，模型上邊界位置（沿z軸方向）取距地表20m較為合適。對于地下部分，由于地面以下1m處的土壤溫度、含水率及土壤水勢變化已經(jīng)非常緩慢，因此Thompson等（1994）將模型的下邊界位置定于地下1m處。5.2.5.2 邊界條件n（1）地表以上部分：5.2.5.2 邊界條件n(2)地下部分：5.2.5.2 邊界條件n :根據(jù)土壤水分特征曲線由 反求；n :根據(jù)其與地表水汽壓之間的函數(shù)關系，由水

9、汽壓反求得到：5.3 模型參數(shù)n5.3.1 空氣熱傳導參數(shù)n 空氣渦度熱傳導率采用紊流傳導方程計算得到，公式如下：詳見課本P1465.3.2 水汽熱傳導參數(shù)n水汽熱傳導率采用Baver等（1972）提出的模型計算得到。模型公式為：詳見課本P1475.3.3 土壤熱傳導參數(shù)n土壤熱傳導率受土壤含水率、土壤質(zhì)地及干容重等多種因素的影響，確定起來比較復雜。將土壤熱導率與土壤體積含水率的對應關系列于下表：5.3.4 土壤水力參數(shù)n土壤水分特征曲線和非飽和導水率采用van Genuchten(1980)模型：5.3.4 土壤水力參數(shù)n根據(jù)沙箱法實測結(jié)果利用RETC軟件擬合出模型的參數(shù)：5.3.5 土壤物

10、理參數(shù)n模型有關的土壤物理參數(shù)：5.3.6 作物生理參數(shù)n模型有關的作物生理參數(shù)見下表：5.4 模型驗證n5.4.1 冠層附近空氣溫度5.4.1 冠層附近空氣溫度5.4.1 冠層附近空氣溫度n結(jié)論：從圖中可以看出，對于兩種作物噴灌試驗，模擬計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致。在數(shù)值上，對于冬小麥試驗，噴灌期間的氣溫模擬值要稍高于實際值（噴灌處理）0.71.4（平均0.8），較實際地面灌處理氣溫低2.24.5（平均3.4）。對于夏玉米試驗，噴灌期間的氣溫模擬值高于實際測量值（噴灌處理）0.51.6（平均0.9）。5.4.2 冠層附近空氣相對濕度5.4.2 冠層附近空氣相對濕度5.4.2 冠層附

11、近空氣相對濕度n結(jié)論：從圖中可以看出，噴灌過程中，受截留水量蒸發(fā)的影響，噴灌較地面灌處理空氣相對濕度高5%17%(平均11%)。另外，灌水結(jié)束后噴灌處理空氣相對濕度的恢復同樣歷經(jīng)一個消退時段（對于冬小麥試驗，時間為13：5415：30）。模擬計算結(jié)果與噴灌處理實測數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，而且在數(shù)值上兩者擬合較好。5.4.3 作物冠層截留水量5.4.3 作物冠層截留水量n從表中可以看出，模擬計算得到的噴灌水量各分量（樹間水量、莖稈下流水量和截留量）與實測值非常接近（相對誤差2%18%）。n說明利用Cupid模型模擬計算噴灌水量各分量具有較高精度。5.4.4 作物冠層截留損失n噴灌與地面灌冬小麥冠

12、層-環(huán)境水量損失各組分的模擬值與實際值對比5.4.4 作物冠層截留損失5.4.4 作物冠層截留損失n結(jié)論：Cupid模型模擬的冬小麥蒸騰和截留蒸發(fā)速率計算與實測結(jié)果的變化趨勢基本一致。數(shù)值上，計算值較實測值稍高，尤其在噴灌期間。n原因：（1）模型中蒸騰蒸發(fā)計算過程中空氣動力學阻力及葉片阻力（葉片干燥時，包括邊界層阻力和氣孔阻力;潮濕時指邊界層阻力）的設定與實際存在一定差異。（2）模擬計算的土壤蒸發(fā)量在噴灌期間較灌前有所下降5.4.4 作物冠層截留損失n噴灌與地面灌夏玉米冠層-環(huán)境水量損失各組分的模擬值與實際值對比5.4.4 作物冠層截留損失5.4.4 作物冠層截留損失nCupid模型模擬計算噴

13、灌和地面灌作物-環(huán)境水量損失結(jié)果5.4.4 作物冠層截留損失n結(jié)論：n從上表中可以看出，相對地面灌，噴灌噴灌冬小麥冠層凈截留損失為0.24mm（僅占灌水量的1.2%）。對于夏玉米而言，凈截留損失為1.81mm，扣除土壤蒸發(fā)抑制量，則全部水量損失為0.79mm.5.4.4 作物冠層截留損失n從下表中可以看出，各次灌水的凈截留損失模擬值與實測值基本接近。5.5 模型應用n5.5.1 噴灌水量對截留損失的影響 n 噴灌條件下作物冠層截留損失的田間試驗及模擬研究結(jié)果表明，相對于冬小麥（冠層凈截留損失不足0.5mm），噴灌夏玉米仍產(chǎn)生一定量的截留損失。為尋求減小截留損失的途徑，本研究以2005年8月25

14、日的氣象數(shù)據(jù)為模擬所需的基本資料，結(jié)果如下： 5.5.1 噴灌水量對截留損失的影響 5.5.1 噴灌水量對截留損失的影響 5.5.1 噴灌水量對截留損失的影響 n雖然噴灌水量小的處理冠層蒸發(fā)量相對較小，但以不灌處理為對照，相應的蒸騰抑制量也較小。5.5.1 噴灌水量對截留損失的影響n各處理噴灌水量不同，但最終產(chǎn)生的凈截留損失并無顯著差異，說明噴灌水量對凈截留損失的影響不明顯。5.5.2 噴灌強度對截留損失的影響n從表中可以看出，隨著噴灌強度的增大，凈截留損失呈逐漸減小趨勢，但減小幅度不明顯，說明不同噴灌強度對截留損失結(jié)果又一定影響。5.5.3 灌水起始時間對截留損失的影響n不同灌水時間產(chǎn)生的凈截留損失差異很小，說明不同灌水時間對截留損失的影響較小。5.5.3 灌水起始時間對截留損失的影響n不灌水處理、白天和夜晚噴灌處理夏玉米蒸騰蒸發(fā)日變化過程模擬結(jié)果5.5.3 灌水起始時間對截留損失的影響n夜晚噴灌產(chǎn)生的截留蒸發(fā)水量明顯低于白天噴灌5.5.3 灌水起始時間對截留損失的影響5.5.4 初始土壤含水率對截留損失的影響n從表中可以看出，初始土壤含水率較高狀態(tài)下噴灌產(chǎn)生的凈截留損