第五章 喷灌作物冠层截留水量及其消耗的数学模拟1

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1、第五章喷灌作物冠层截留水量及其消耗的数学模拟组员：李玉翔王章鹏王兴成郝丽琼目的了解冠层能量平衡模型（Cupid）模拟基于Cupid模型对喷灌条件下华北平原两种主要作物——冬小麦和夏玉米冠层截留过程进行数值模拟，旨在为精确评价及进一步提高喷灌水利用率提供参考依据。5.1概述在田间试验条件下确定喷灌作物冠层截留水量及截留损失，由于影响喷灌作物截留过程的因素较多，田间试验结果仅反映特定条件下截留损失规律，为准确及时评价喷灌技术在我国不同生态类型区的应用适宜性，有必要对喷灌作物冠层截留过程进行数学模拟。5.1

2、概述在冠层截留数学模拟方面，国内外研究主要集中在对降雨条件下的林冠截留进行数学模拟，构建的冠层截留模型大致可归纳为三种形式：经验模型（Jackson,1975;曹群根，1991；罗天祥，1995；曾德慧等，1995）半经验半理论模型（Rutter，1971;Gash,1979）理论模型（Murphy等，1975；刘家冈，1985；裴铁和郑远长，1996）作物冠层截留喷灌模型McNaughton(1981)——空气平流原理——喷灌玉米冠层净截留损失模型Norman和Campbell(1983)——农田能

3、量平衡原理——土壤—植物—大气耦合模型Thompson(1993a)——Cupid+弹道理论——喷灌水滴蒸发与植物冠层能量平衡联合模拟模型（Cupid--DPE）5.2模型简介基于能量平衡原理，Cupid模型将农田环境视为土壤—植物—大气连续系统，进而对系统内各组分的交互作用加以综合分析。该模型以植物生理特性：如叶面积指数、株高、植物冠层中最低层叶片高度、株行距、叶水势、蒸腾、叶气孔导度、冠层阻力和根长密度分布。灌溉参数：灌水量、历时气象因子:直接辐射、漫射辐射、光合有效辐射、空气温湿度、风速、土壤温

4、度、含水率。5.2模型简介土壤水热特性：地表反射率、热发射率、空气动力学糙率、土壤水分特征曲线、土壤导水率、热导率。试验点地理参数：经度、纬度、海拔、方位。以上五个方面作为输入变量，在结合农田边界条件（冠层顶部和植物根区底部）来预测农田水热收支。功能：对灌溉水量田间损失进行定量预测，使灌溉水利用率作出精确评价Cupid模型将农田环境按空间位置划分为4层（由上至下）①植物冠层上部层：从模型上边界至冠层顶部②冠层层③地上层：介于冠层底部和地表之间④地下层：地表至模型下边界冠层层细分为若干个亚层亚层数=冠层

5、总叶面积指数（TOTLAI）/单层叶面积指数（DF）Cupid主要的特点（1）多层结构:将土壤—植被—大气垂直连续体分成多个薄层（2）时空尺度：最小空间尺度为叶片，每层叶片按10°间隔分为9大倾角类型，最小时间尺度为15min（3）辐射传输：分直射和漫射两种类型。（4）温湿度廓线：可以同时求出地上和土壤温湿度廓线5.2.1农田能量平衡方程公式如下:5.2.1农田能量平衡方程:作物冠层获得的净辐射通量（数值上等于向下与向上总辐射差），H：感热通量，：潜热通量，：汽化潜热，取值为2496J/g;G：土壤热

6、通量,5.2.2农田热流运动基本方程Cupid模型以地面为分界线，将农田热流运动具体划分为两部分：（一）地表以上部分（由作物及其周围大气环境组成）（二）地下部分（由作物主要根系活动层内土壤构成）农田热流运动主要表现为垂直方向运动Cupid模型流程图：详见课本P1425.2.2农田热流运动基本方程此模型实际为一维热流运动方程，基本方程为：详见课本P1435.2.3农田水分运动基本方程Cupid模型同样以地面为分界线，将农田水分运动划分为地上部分及地下部分。对于地上部分，基本方程为：详见课本P1435.2

7、.3农田水分运动基本方程对于地下部分，基本方程为：详见课本P1435.2.4冠层截留量与截留损失估算方程Cupid模型将作物叶片截留后的水分运移路径分为4部分：①蒸发到冠层内部及周围的空气中，进而提高冠层内空气相对湿度；②滴落到更下一层叶片上或土壤中；③滞留在叶片上或作物的其他部位（如叶鞘与茎秆结合处的杯状区域内）④沿茎秆流到土壤中；5.2.4冠层截留量与截留损失估算方程基于上述水分运移路径的分类，参照作物叶片截留辐射原理，模型将冠层内某一亚层（第j层）的截留水量占降雨或喷灌水量比例（截留系数）用下式

8、表示：详见课本P1445.2.4冠层截留量与截留损失估算方程棵间水量占喷灌水量的比例计算：详见课本P1445.2.4冠层截留量与截留损失估算方程亚层存储能力计算：详见课本P1445.2.4冠层截留量与截留损失估算方程作物冠层截留损失（冠层毛截留损失）就等于各亚层截留水分蒸发量的累计值。截留蒸发量和棵间土壤蒸发量通过Penman-Monteith公式计算：详见课本P144计算详见课本P144蒸腾量的计算详见课本P144详见课本P1445.2.5模型初始和边