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基于波文比-能量平衡法的滴灌控制器设计与研究

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自动化技术与应用 2015年第9期34卷 64-69页

作者：张祎李聪南京农业大学工学院江苏南京210031 国电南瑞科技股份有限公司江苏南京210000

设计新型智能滴灌控制器利用波文比-能量平衡法计算出作物蒸散量,将传统的凭经验灌溉模式转变为精准滴灌控制策略;系统对灌溉量决策模型、控制系统硬件搭建和软件设计进行了研究;同时研究温室各个环境因子对蒸散量的变化的影响,通过环... 详细信息

设计新型智能滴灌控制器利用波文比-能量平衡法计算出作物蒸散量,将传统的凭经验灌溉模式转变为精准滴灌控制策略;系统对灌溉量决策模型、控制系统硬件搭建和软件设计进行了研究;同时研究温室各个环境因子对蒸散量的变化的影响,通过环境的变化来定性判断滴灌量的大小,对实际生产起到指导作用;蒸散量对比试验证明,利用这种方法实现精确灌溉,不但操作简单,而且装置成本低廉,适合推广使用,具有实用价值。

关键词：波文比-能量平衡法智能滴灌精准灌溉节水

绿洲荒漠交界处波文比能量平衡法适用性的气候学分析

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干旱区地理 2001年第3期24卷 259-264页

作者：黄妙芬广东汕头教育学院汕头515041

对广泛使用的计算蒸散和显热通量的气候学方法———波文比能量平衡法在绿洲荒漠交界处的适用性从气候学角度进行分析。结果表明 ,波文化一能量平衡法在干旱区绿洲的平衡层内是适用的 ,在平衡层外及荒漠上空却失效。因而 ,应用波文比能... 详细信息

对广泛使用的计算蒸散和显热通量的气候学方法———波文比能量平衡法在绿洲荒漠交界处的适用性从气候学角度进行分析。结果表明 ,波文化一能量平衡法在干旱区绿洲的平衡层内是适用的 ,在平衡层外及荒漠上空却失效。因而 ,应用波文比能量平衡法估算绿洲上的蒸发与显热时 ,测点的位置是至关重要的。

关键词：波文比-能量平衡法气候学绿洲荒漠蒸发显热

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葡萄园灌溉施肥决策支持系统开发

葡萄园灌溉施肥决策支持系统开发

作者：宋天媛西北农林科技大学

学位级别：硕士

葡萄是近年来陕西关中地区大力发展的特色经济水果。由于葡萄的生长发育期处于高频率的夏旱和伏旱发生期,干旱已成为提高葡萄生产力的主要限制因素。在气候变化背景下,若只采用传统的静态水资源配置和灌溉制度方案可能造成作物减产和水... 详细信息

葡萄是近年来陕西关中地区大力发展的特色经济水果。由于葡萄的生长发育期处于高频率的夏旱和伏旱发生期,干旱已成为提高葡萄生产力的主要限制因素。在气候变化背景下,若只采用传统的静态水资源配置和灌溉制度方案可能造成作物减产和水资源浪费。因此,在分析气候变化条件下葡萄需水量及水分盈亏变化规律的基础上,以Python为编程语言开发葡萄园灌溉施肥决策支持系统,为关中平原地区科学制定灌溉策略、提高水资源利用效率提供理论依据和技术支持,对于改变我国传统的灌溉方式、实现农业信息化和智能化管理,服务乡村振兴具有重要意义。本研究取得的主要成果如下:(1)葡萄全生育期多年平均相对湿度和日照时数随年际变化呈下降趋势,平均温度和风速随年际变化呈上升趋势。葡萄需水量在2015年发生突变后呈现显著上升趋势,15 a为需水量变化的第一主周期。在葡萄生育期内,作物需水量呈增后减的变化趋势,各水文年型需水量在果实膨大期差异达到最大。各水文年葡萄生育期内均存在不同程度的干旱风险,应尤其关注湿润年和平水年6月份葡萄水分亏缺情况,以确保葡萄需水关键期供水充足。(2)葡萄园灌溉施肥决策支持系统基于Windows 10操作系统、Python编程语言、Py Charm集成开发环境开发。软件采用Django框架,架构采用MVC(Model View Controller)模式。基于总体功能要求,系统分为三个模块:参数获取及数据处理模块、葡萄灌溉施肥决策支持模块和灌溉辅助决策模块。(3)参数获取及数据处理模块包括用户输入参数,降雨量、波文比观测系统数据的获取和筛选,获取参数后采用ORM框架通过模型实现对目标数据库的读写操作。葡萄灌溉需水量采用波文比能量平衡法、水量平衡法等方法计算,系统提供不同生育期施肥量建议。灌溉辅助决策模块包括基于茎秆最大日收缩量土壤水分模型的灌溉辅助决策和基于天气预报的灌溉辅助决策,其中基于茎秆最大收缩量土壤水分模型进行辅助灌溉决策提高系统的决策精度,基于天气预报的灌溉辅助决策在保证葡萄需水的条件下节约灌溉用水。(4)开发了简洁美观、互动性强的系统界面。整体设计以用户为主导,用户易于理解和操作。系统测试方面,系统功能已基本实现,初步通过功能测试、易用性测试、性能测试。在未校正情况下系统模拟土壤含水率与实际土壤含水率之间的决定系数R为0.869,均方根误差RMSE为0.007,一致性系数d为0.954,平均绝对误差MAE为0.006,系统精度良好。

关键词：陕西关中地区水分盈亏波文比-能量平衡法水量平衡法灌溉施肥决策

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波文比仪与蒸渗仪测定作物蒸发蒸腾量对比

农业工程学报 2009年第2期25卷 12-17页

作者：强小嫚蔡焕杰王健西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 中国农业科学院农田灌溉研究所新乡453003

为了更准确地估算作物蒸发蒸腾量,该文结合波文比仪和大型称重式蒸渗仪,对波文比-能量平衡法估算的冬小麦蒸发蒸腾量(ETb)和蒸渗仪实测的冬小麦蒸发蒸腾量(ETl)进行了分析研究。结果表明,波文比计算值(ETb)和蒸渗仪实测值(ETl)的变化趋... 详细信息

为了更准确地估算作物蒸发蒸腾量,该文结合波文比仪和大型称重式蒸渗仪,对波文比-能量平衡法估算的冬小麦蒸发蒸腾量(ETb)和蒸渗仪实测的冬小麦蒸发蒸腾量(ETl)进行了分析研究。结果表明,波文比计算值(ETb)和蒸渗仪实测值(ETl)的变化趋势基本一致,相关性比较好。波文比计算值(ETb)和蒸渗仪实测值(ETl)的日变化曲线都呈单峰型,早晚小,中午大,夜间多为负值,波文比计算值的日变化比较稳定,蒸渗仪实测值的日变化比较敏感。风速较大时,蒸渗仪实测值日变化随风速的增大而减小的趋势比较明显,波文比计算值日变化受大的风速影响较小;风速较小时,波文比计算值和蒸渗仪实测值的日变化与风速呈很弱的负相关关系。波文比计算值日变化和太阳净辐射日变化的关系比较密切,蒸渗仪实测值日变化和太阳净辐射日变化的关系不是很明显。波文比计算值更能稳定地反映出冬小麦蒸发蒸腾量的日变化规律。

关键词：蒸发蒸腾量作物大型称重式蒸渗仪波文比-能量平衡法

用微气象方法估算淮河流域能量平衡（HUBEX／IOPl998／99）的统计分析和比较研究

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Advances in Atmospheric Sciences 2003年第2期20卷 285-292页

作者：朱治林孙晓敏张仁华 InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch ChineseAcademyofSciencesBeijing100101

利用1998和1999年HUBEX强化观测期在安徽寿县用微气象方法(波文比-能量平衡法和涡度相关法)观测的资料，分析了该地区的能量平衡特征，同时与其他地区的结果进行了初步比较，结果表明：(1)用涡度相关方法测定的感热和潜热之和(H+E)ec与... 详细信息

利用1998和1999年HUBEX强化观测期在安徽寿县用微气象方法(波文比-能量平衡法和涡度相关法)观测的资料，分析了该地区的能量平衡特征，同时与其他地区的结果进行了初步比较，结果表明：(1)用涡度相关方法测定的感热和潜热之和(H+E)ec与下垫面有效能量(Rn-G)的一致性比较好，但用波文比方法估算的潜热通量Ebr比用涡度相关法测定的潜热通量Eec略高(约10％)。(2)大部分净辐射能用于了地表蒸发，1998和1999年，净辐射通旦的平均日总量分别是13．89MJm^-2d-1和11．83MJ m^-2 d^-1；两年的平均波文比分别是0．14(杂草)和0．06(稻田)。(3)波文比在日出和日落时数值大且不稳定，白天比较小且比较稳定，另外，1999年在稻田上观测到明显的局地平流现象。(4)通过与我国其他地区的观测资料比较，淮河流域稻田的波文比最小(0．06)，在内蒙古草原观测的波文比值最大(0．57)。波文比值的大小主要与土壤水分有关。

关键词：微气象方法淮河流域统计分析波文比-能量平衡法涡度相关法感热潜热下垫面净辐射

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科尔沁沙地农田玉米耗水规律研究

中国沙漠 2002年第4期22卷 354-358页

作者：李玉霖张铜会崔建垣中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃兰州730000

首先采用波文比—能量平衡法分析了科尔沁沙地农田玉米 (ZeamaysL .)不同发育阶段晴天的能量分配特征 ,在此基础上估算了玉米的蒸散量 ,并对估算结果和蒸渗仪测定结果进行比较 ,最后运用作物蒸散量和参考作物蒸散量计算了玉米的作物系... 详细信息

首先采用波文比—能量平衡法分析了科尔沁沙地农田玉米 (ZeamaysL .)不同发育阶段晴天的能量分配特征 ,在此基础上估算了玉米的蒸散量 ,并对估算结果和蒸渗仪测定结果进行比较 ,最后运用作物蒸散量和参考作物蒸散量计算了玉米的作物系数。结果表明 :①在玉米的整个生长过程中 ,能量交换以水分蒸散耗热为主 ;②根据试验年份的降雨分布情况 ,该地区的自然降水不能满足玉米对水分需求 ,玉米各生育阶段水分亏缺比较严重 ;③科尔沁地区玉米 4个生长阶段 (苗期、营养期、生殖期、成熟期 )的作物系数分别为 0 5 2、0 90、1 13和 0 6 4;

关键词：耗水规律参考作物蒸散量作物系数科尔沁沙地玉米波文比-能量平衡法

基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统研究

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节水灌溉 2011年第12期 33-36页

作者：张祎汪小旵李聪李鹏飞南京农业大学工学院南京210031 江苏省智能化农业装备重点实验室南京210031

为解决中小规模温室大棚的滴灌问题,设计出一套由作物蒸散量模型计算作物灌溉量的智能化滴灌控制系统。系统采用温湿度传感器测量不同高度上的温湿度差,利用波文比-能量平衡法计算出作物的蒸散量,并将蒸散量换算为灌溉量,通过单片机设... 详细信息

为解决中小规模温室大棚的滴灌问题,设计出一套由作物蒸散量模型计算作物灌溉量的智能化滴灌控制系统。系统采用温湿度传感器测量不同高度上的温湿度差,利用波文比-能量平衡法计算出作物的蒸散量,并将蒸散量换算为灌溉量,通过单片机设定程序控制电磁阀的开关时间即控制灌溉量多少。对比试验证明,该方法方便、可靠,可应用于温室大棚的精确灌溉。

关键词：蒸散量波文比-能量平衡法智能滴灌单片机

基于作物蒸散量模型的智能滴灌控制器设计与研究

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基于作物蒸散量模型的智能滴灌控制器设计与研究

作者：张祎南京农业大学

学位级别：硕士

滴灌技术能够较精确地控制灌水量,把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中,因此在农业生产中得到广泛应用。但目前的滴灌系统大多由人工按照经验进行控制,难以把握作物的精确用水需求,而现代化的全自动滴灌系统价格昂贵,一般中小面... 详细信息

滴灌技术能够较精确地控制灌水量,把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中,因此在农业生产中得到广泛应用。但目前的滴灌系统大多由人工按照经验进行控制,难以把握作物的精确用水需求,而现代化的全自动滴灌系统价格昂贵,一般中小面积的灌溉用户难以承受。针对这一问题,本研究设计出一套由作物蒸散量模型计算作物灌溉量的智能化滴灌控制系统。采用温湿度传感器测量不同高度上的温湿度差,利用波文比-能量平衡法计算出作物的蒸散量,并将蒸散量换算为灌溉量,通过单片机设定程序控制电磁阀的开关时间即控制灌溉量多少。同时完成了波文比计算值和称重法真实值的对比试验验证,表明两者趋势基本一致,曲线相关性达到R2=0.9672。主要研究内容如下： 1.建立灌溉量控制的决策模型,利用波文比-能量平衡法测出不同高度的空气温度、湿度差及净辐射值就可以推算出这一时间内的作物蒸散量,进而推导出作物的灌溉量,精确补充作物散失的水分。 2.完成智能滴灌控制器的设计,包括电源供电模块、数据采集转化模块、微处理器控制模块、液晶显示模块、人机交互按键模块和输出驱动模块几个部分。温度湿度传感器以及光敏电阻采集到空气温度湿度和光敏电压信号,经过A/D转换成相应的数字信号传送到单片机中,利用灌溉量决策模型计算出作物蒸散量显示到液晶屏上。微处理器将蒸散量换算成滴灌时间,通过驱动电路控制电磁阀的开闭,实现精确灌溉。系统另设人机交互界面,实现在自动模式条件下按照理论计算蒸散量精确滴灌,在手动模式条件下用户任意设定滴灌时间进行灌溉。 3.设计滴灌均匀性试验表明,不同时间条件下滴箭出水量均匀性都较好,一分组相对误差范围为1.68%～9.73%,二分组相对误差范围为0.48%～8.56%,三分组相对误差范围为0.65%～3.59%。可以看出三分组的误差最小,均匀性最好,平均相对误差为1.57%,而一分组的误差最大,平均相对误差为5.75%。根据三组实验整体来说,滴灌均匀性相对误差绝对值都在10%以内,基本符合均匀性条件需要,可以作为计算整体黄瓜滴灌量的依据。 4.完成温室实际作物对比试验,通过分析蒸散量日变化规律以及环境因子对蒸散量的影响,从中可以看出滴灌量基本变化趋势是从早上8点左右开始增加直到中午12点左右最大,之后随着净辐射值的下降滴灌量减小,直至傍晚不需要滴灌,相较于温度湿度而言,净辐射是影响作物滴灌量变化的主要因素。在此基础上,完成波文比计算值与真实称重值的对比试验,试验表明两者趋势基本一致,曲线相关性达到R2=0.9672,说明能够采用波文比-能量平衡法计算作物灌溉量,用于温室大棚的精确灌溉。

关键词：蒸散量波文比-能量平衡法智能滴灌单片机

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基于波文比的半湿润地区葡萄园蒸发蒸腾估算

基于波文比的半湿润地区葡萄园蒸发蒸腾估算

作者：余昭君西北农林科技大学

学位级别：硕士

葡萄是陕西关中地区正在大力发展的特色经济水果,是农民致富增收的重要产业之一。但是关中地区地处我国半干旱半湿润地区,水资源较为短缺,降水时空分布不均,降雨多集中于夏季,春季降雨较少,对生育期内生态系统的良性运转以及葡萄产量与... 详细信息

葡萄是陕西关中地区正在大力发展的特色经济水果,是农民致富增收的重要产业之一。但是关中地区地处我国半干旱半湿润地区,水资源较为短缺,降水时空分布不均,降雨多集中于夏季,春季降雨较少,对生育期内生态系统的良性运转以及葡萄产量与品质的提高都造成了严重的阻碍。因此,准确掌握葡萄园内土壤水分状况以及需水量,从而确定合理的灌溉制度,为半湿润地区葡萄园水分管理提供理论依据,对于维持葡萄良好的生长环境,提高葡萄的产量与品质具有重要意义。本研究于2018年4月1日至8月23日在陕西省咸阳市杨凌区君度·唯尔葡萄庄园开展,基于波文比法(BREB)探究了我国半湿润地区葡萄园适用的蒸发蒸腾量测定与模拟方法,取得了以下主要结果:(1)根据水热平衡中不同分量之间存在的方向性制约关系和波文比测量系统中温湿度传感器的精度,确定波文比采集数据取舍范围,进行数据筛选;以水量平衡法的蒸散量结果为参考,对比分析波文比-能量平衡法的估算结果发现,利用波文比法可以较好地反映葡萄园蒸发蒸腾量变化规律,监测结果具有较高精度。(2)分析了葡萄园下垫面水热通量在不同生育阶段和典型天气条件下的分配特征及潜热通量对相关气象因素的响应,并运用BP神经网络对葡萄园潜热通量进行预测,根据预测模型,分析比较潜热通量对环境因子变化的敏感性。水热通量的日变化特征表现为单峰二次曲线,从上午7:00左右开始增长,中午12:30左右达到峰值后开始减小,夜间基本不变。感热通量在全部生育期都占了地表能量的绝大部分,潜热通量较小,所占比例随生育期时间逐渐增大,在果实膨大期达到最大后开始减小。雨天,水热平衡各分量都比晴天小,潜热通量略大于显热通量;而阴天潜热通量的日变化波动明显比其他天气条件下都大。BP神经网络根据气象因子模拟出的潜热通量与波文比法的计算值相关性较高,同时,潜热通量的变化对净辐射和土壤热通量的改变最为敏感,而对风速u变化的敏感程度较低。(3)探究了葡萄生育期蒸发蒸腾规律,采用单、双作物系数法估算半干旱半湿润地区葡萄蒸散量(ET),将计算结果与波文比-能量平衡法进行对比分析其在半湿润气候区葡萄园的适用性。从全生育期来看,葡萄蒸发蒸腾量的变化特征呈现较为明显的季节性,在萌芽期和新梢期,日均蒸发蒸腾量分别为1.32 mm/d、1.25 mm/d;葡萄开花期每日蒸发蒸腾量的平均值为1.22 mm/d;在果实膨大期累积蒸发蒸腾总量达到91.56 mm/d;在着色与成熟期,随着温度不断升高,葡萄蒸发蒸腾量的日平均值不断增大,达到2.34 mm/d。葡萄的基础作物系数K在生育初期处于较低水平,均值为0.13,在生育中期增幅较大,后维持在较大值,K为0.34,至后期逐渐减小至0.32。土壤蒸发系数K整体上在发育初期较大,初期均值为0.72,在中期达到最小值0.34,后期为0.39。单、双作物系数法与波文比能量平衡法两种方法计算的结果具有较好的一致性,而单、双作物系数法相比而言,后者的估算结果可靠程度更高,因此,双作物系数法可以为本地区葡萄的蒸发蒸腾量估算提供更为准确的参考。(4)采用P-M模型与S-W模型对半湿润地区葡萄的蒸发蒸腾量进行了初步的模拟,以波文比-能量平衡法为实际值,比较了模型估算值和实测值的大小,分析了P-M模型与S-W模型在我国半湿润地区葡萄蒸发蒸腾量估算的适用性。实测的葡萄全生育期蒸发蒸腾总量平均值为1.69 mm/d,P-M模型模拟平均值为2.65 mm/d,对2018年葡萄园的蒸发蒸腾量存在一定程度上的高估,二者的决定系数R为0.68,平均绝对误差MAE为0.63,均方根误差为0.53 mm/d。S-W模型估算均值为1.79,R为0.73,MAE为0.51,均方根误差为0.61 mm/d。从整体上看,S-W模型估算效果更好,偏差相对较小,但对生育期内葡萄的蒸发蒸腾量存在一定的高估。

关键词：半湿润地区波文比-能量平衡法作物系数蒸发蒸腾模拟水热通量