[發明專利]基于邊界層阻力測量技術的溫室作物需水量計算方法

有效

• 申請號: 201910367311.4
• 申請日: 2019-05-05
• 公開（公告）號: CN110083954B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 葛建坤
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06Q50/02
• 代理公司: 鄭州明華專利代理事務所(普通合伙) 41162
• 代理人: 高麗華

1.一種基于邊界層阻力測量技術的溫室作物需水量計算方法，其特征在于：

第一步：根據Penman-Monteith方程，溫室作物需水量計算公式為：

式中，

ET——旱作物表面的蒸騰蒸發速率；

λ——水的蒸發潛熱；

Δ——溫度-飽和水汽壓關系曲線上切線斜率；

R_n——為地表凈輻射；

G——為土壤熱通量；

c_p——干燥空氣常壓下的比熱；

ρ_a——空氣密度；

e_a——葉表面氣溫為Ta時的飽和水汽壓；

e_d——外部空氣的實際水汽壓；

r_a——空氣動力學阻力；

γ*——修正濕度常數；

γ——濕度表常數；

r_c——冠層氣孔擴散阻力；

第二步：確定冠層氣孔擴散阻力r_c：

根據熱傳輸原理，葉片與周圍空氣間的顯熱交換通量為：

式中，

T_l——作物葉片溫度；

T_a——作物周圍的空氣溫度；

葉片與其周圍空氣間的潛熱交換通量為：

式中，

e₀——葉片氣孔內的飽和水汽壓；

根據e₀-e_a＝Δ(T_l-T_a)，可導出

e₀-e_d＝Δ(T_l-T_a)+(r_a-r_d) (5)

將式(3)、(4)、(5)三式代入能量平衡方程：R_n＝H+λE+G，經化簡后可推導出r_c的計算公式如下所示：

或

式中，

LATD——表示作物葉溫與空氣溫度的差值；

LATD＝T_l-T_a (8)

VPD——表示空氣的飽和水汽壓差；

VPD＝e_a-e_d (9)

R'_n——表示作物冠層獲得的總凈輻射；

R'_n＝R_n-G (10)

第三步：確定空氣動力學阻力r_a；

r_a＝r_b+r_g

式中，

r_b——表示葉片層流邊界層阻力；

r_g——表示冠層上方湍流邊界層阻力；

其中，葉片層流邊界層阻力r_b通過邊界層擴散阻力傳感器測量并計算得出；

定義傳感器上金屬圓片的熱傳遞系數為：

式中，

α——金屬圓片的熱傳遞系數；

Q——加熱圓片的恒定電功率；

S——金屬圓片的表面積；

ΔT——加熱圓片與未加熱參考圓片的溫差；

熱傳遞系數α和邊界層阻力r_b之間存在著很強的相關性，可以用以下的空氣溫度的隱函數來表示：

α×r_b＝f(T_i) (12)

根據熱量平衡原理，金屬片上不存在水分蒸發，只存在顯熱的變化，因此兩個金屬片上的能量平衡方程分別表示為：

對加熱圓片：

對不加熱圓片，Q＝0，于是有：

式中，

R_nw，R_nn——分別為加熱圓片和未加熱圓片上得到的輻射，由于他們在同一水平面上，可認為它們得到的輻射量一樣，即R_nw＝R_nn；

c_p——空氣的定壓比熱；

ρ_a——空氣密度，是空氣溫度的函數，可由下式表示：

ρ_a＝1.2837-0.0039T_a (15)

r_bw，r_bn——分別為加熱圓片和未加熱圓片的邊界層阻力，這里假設r_bw＝r_bn＝r_b；

T_w，T_n，T_a——分別為加熱圓片、未加熱圓片和室內空氣溫度；

將公式(13)和(14)相減，整理后得邊界層阻力的計算公式為：

湍流邊界層阻力r_g通過采用Thom和Oliver公式計算：

式中，

z——計算高度；

u_z——高度z處的風速；

d——零平面偏移高度；

z₀——冠層粗糙度；

其中，冠層粗糙度z₀表示冠層從氣流中吸收動量的效率尺度；零平面位移高度d表示把整個冠層簡化為一個大葉片層時的有效高度，可以分別由以下公式來確定：

d＝0.64h (19)

z₀＝0.13h (20)

h——作物高度；

將式(18)、(19)、(20)合并以后，得到作物冠層上方湍流層阻力計算公式為：

最后，將葉片層流邊界層阻力(r_b)及冠層上方湍流邊界層阻力(r_g)相加，即可計算出空氣動力學阻r_a，再將空氣動力學阻r_a代入公式(6)或者公式(7)即可求出r_c，通過Penman-Monteith方程得出溫室作物需水量。