Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Водный баланс и энергетический баланс растительного покрова 14
1.1. Водный баланс и его составляющие 14
1.2. Энергетический баланс растительного покрова и его составляющие 15
1.3. Процесс испарения, эвапотранспирация и её типы 16
Глава 2. Методика расчета пространственного распределения эвапотранспирации и индекса водного стресса растений 20
2.1. Метод расчета составляющих радиационного баланса растительного покрова 20
2.1.1. Метод расчета суммарной радиации 20
2.1.2. Метод расчета альбедо растительности и отраженной коротковолновой радиации 40
2.1.3. Метод расчета излучения растительного покрова и противоизлучения атмосферы 42
2.2. Метод расчета турбулентного потока тепла над растительным покровом 46
2.3. Метод автоматизированного поиска "холодного" и "горячего"пикселей для расчета турбулентного потока тепла над растительным покровом 57
2.4. Метод расчета потока тепла в почву 58
2.5. Методы расчета эвапотранспирации 59
2.5.1. Метод расчета эталонной эвапотранспирации для люцерны 59
2.5.2. Калибровка модели METRIC с помощью эталонной эвапотранспирации люцерны 63
2.5.3. Метод расчета мгновенной эвапотранспирации 64
2.5.4. Метод расчета суточной эвапотранспирации 65
2.5.5. Метод расчета сезонной эвапотранспирации 67
Глава 3. Основные источники данных для проведения валидации методики автоматизированного расчета эвапотранспирации 69
3.1. Спутниковые данные Landsat и ASTER GDEM 69
3.2. Данные актинометрических измерений 73
3.3. Массивы срочных метеорологических данных 74
3.4. Данные потоковых станций сети FLUXNET 75
Глава 4. Основные результаты, валидация автоматизированного расчета эвапотранспирации 77
4.1. Результаты расчета суммарной радиации 77
4.2. Результаты расчета составляющих радиационного баланса растительности 94
4.3. Результаты расчета эвапотранспирации 97
Глава 5. Варианты практического применения методики автоматизированного расчёта эвапотранспирации 105
5.1. Апробация модели роста и развития растений AquaCrop 105
5.2. Исследование взаимосвязи транспирации и ассимиляции CO2 в посевах С3 и С4 культур 112
5.3. Апробация методики разделения эвапотранспирации на транспирацию и физическое испарение с поверхности почвы 114
5.4. Модельная оценка пространственного распределения устьичной проводимости растений 119
5.5. Технология рационального использования водных ресурсов с автоматизированным расчетом норм и сроков полива посевов сельскохозяйственных культур на орошаемом поле 121
Глава 6. Компоненты программы для автоматизированного расчета эвапотранспирации 131
6.1. Язык программирования Python и библиотеки, используемые для реализации программы 131
6.2. Геоинформационная система GRASSGIS 132
6.3. Основные пакеты программы автоматизированного расчета эвапотранспирации 135
Заключение 138
Список литературы 140
Приложения 154
- Процесс испарения, эвапотранспирация и её типы
- Метод расчета эталонной эвапотранспирации для люцерны
- Результаты расчета суммарной радиации
- Технология рационального использования водных ресурсов с автоматизированным расчетом норм и сроков полива посевов сельскохозяйственных культур на орошаемом поле
Процесс испарения, эвапотранспирация и её типы
Испарение - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества. Суммарным испарением, или эвапотранспирацией называют сумму испарения растительности, или транспирации, и испарения с поверхности почвы, или физического испарения.
Испарение с почвы и транспирация происходят одновременно, и составляют величину эвапотранспирации, или суммарного испарения. Когда доля растительности небольшая, эвапотранспирация определяется преимущественно испарением с поверхности почвы, но когда растительность хорошо развита и имеет почти полное проективное покрытие, транспирация становится основным процессом. Интенсивность транспирации зависит от типа сельскохозяйственной культуры, фазы развития.
При изучении эвапотранспирации выделяют следующие её типы: эталонная (ЕТ0), потенциальная (ЕТР) и реальная (ЕТГ) эвапотранспирации [2].
Эталонная эвапотранспирация (ET0) – эвапотранспирация гипотетической поверхности с заданными характеристиками растительности. Концепция эталонной эвапотранспирации была введена для изучения максимально возможного испарения эталонной растительности независимо от типа растения и фазы развития. Факторы, влияющие на эталонную эвапотранспирацию являются только климатическими и метеорологическими. Следовательно, эталонная эвапотранспирация представляет собой погодный фактор. Эталонная эвапотранспирация выражает испаряемость эталонной культуры в определенном месте, в определенное время года, не учитывает почвенные характеристики и характеристики сельскохозяйственной культуры. Продовольственной и сельскохозяйственной организацией объединенных наций (ООН) – FAO (Food and Agriculture Organization) были проведены исследования водопотребления зерновых культур для создания методики потребления воды зерновыми. Было принято решение модифицировать метод Пэнмана-Монтейса для расчета эталонной эвапотранспирации. За эталонную была выбрана гипотетическая культура с высотой растений 0,12 м, имеющей суммарное сопротивление поверхности 70 cм-1 и альбедо растительности 0,23.
Потенциальная эвапотранспирация (ETp) – это тип эвапотранспирации, который определяет максимально возможную эвапотранспирацию, но уже для конкретной культуры. То есть является аналогом испаряемости, но уже для определенной сельскохозяйственной культуры.
Реальная эвапотранспирация (ETr) – это эвапотранспирация с учетом всех стрессов, которые происходят на сельскохозяйственном поле.
Для учета водного стресса растительности может быть использован индекс CWSI [3,4].
Метод расчета эталонной эвапотранспирации для люцерны
По данным наземных метеорологических измерений или в совокупности со спутниковыми данными эталонная эвапотранспирация для люцерны (ETrf) рассчитывается согласно модифицированной формуле Пенмана-Монтейса для высокой растительности [45, 72]. где ET,f - эталонная эвапотранспирация люцерны, мм/день; Rn -рассчитанный радиационный баланс для растительности, МДжм"2-день"1; G -поток тепла в почву, МДжм"2день-1; Та -температура воздуха, С; и2-скорость ветра на высоте 2 м, мс"1; es- давление насыщения водяного пара, кПа; еа - упругость водяного пара, кПа; - наклон кривой отношения насыщения водяного пара к температуре воздуха, кПа С"1; у -психрометрическая постоянная, кПа0С_1; Сп - числитель, который изменяется в зависимости от типа эталонной поверхности и временного шага (Кмм-с Мг день1 или Кмм с Мгчас1); Cd - знаменатель, который изменяется в зависимости от типа эталонной поверхности и временного шага (см1); единица измерения для коэффициента 0.408 -м ммМДж1.
В таблице 2.5 представлены значения Сп и Q. Значение параметра Сп учитывает шаг, с которым рассчитывается эталонная эвапотранспирация и аэродинамические параметры шероховатости (т.е. тип эталонной поверхности). Значение параметра Q учитывает временной шаг, суммарное сопротивление поверхности и аэродинамические параметры шероховатости.
В стандартизированном методе для расчета среднесуточной температуры воздуха (Ta, C), используется максимальная (Ta(max), C) и минимальная (Ta(min),C) температуры воздуха:
Атмосферное давление (P, кПа) может быть как измерено, так и получено по формуле в зависимости от высоты местности (z, м) [73]:
Психрометрическая постоянная (у, кПа/С) рассчитывается в зависимости от атмосферного давления (Р, кПа): у = 0.000665 Р (2.138)
Наклон кривой отношения насыщения водяного пара к температуре воздуха ( , кПа0С_1) рассчитывается в зависимости от температуры воздуха
Для суточного периода давление насыщения водяного пара (es, кПа) рассчитывается, исходя из максимальной (Ттах, С) и минимальной (Tmin, С) температуры воздуха:
Упругость водяного пара (еа, кПа) может быть рассчитана для суточного периода из давления насыщения с учетом максимальной (RHmax, %) и минимальной (RHmin, %) относительной влажности воздуха: е0(Т ) RH—+e0(TTa) RH еа = 10 ш (2.142) Радиационный баланс Rm может быть рассчитан по данным метеостанции в зависимости от типа облачности и количества по алгоритму, рассмотренному в части 2.1.
Поток тепла в почву по данным метеостанции для часового шага (Ghr, МДжм час1) рассчитывается в зависимости от радиационного баланса. Для дневных измерений Ghr daytime и ночных измерений Ghr nighttime поток тепла в почву рассчитывается как:
G hr,daytime=0MR n (2.143)
G hr,nighttime = 0.2R n (2.144)
Для суточного шага (Gday, МДжм день"1) при расчете эталонной эвапотранспирации поток тепла в почву близок к нулю, поэтому им часто пренебрегают.
Gday = 0 (2.145)
Для месячного шага поток тепла в почву (Gmonth i, МДжм"2месяц-1) рассчитывается исходя из среднемесячной температуры воздуха за предыдущий месяц (TmonthM, С) и за следующий месяц (TmonthJ+1, С):
G -O.OTt -r J (2.146)
Если температура за следующий месяц неизвестна, то поток тепла в почву может быть рассчитан в зависимости от среднемесячной температуры в текущем месяце (TmonthJ, С):
Gmo =0.l4(rmow,,-rmow ) (2.147)
Скорость ветра на высоте 2 м (и2, мс"1) может быть рассчитана по логарифмическому закону, исходя из скорости на высоте z в метрах (щ, мс").
Результаты расчета суммарной радиации
Для валидации метода расчета суммарной радиации были использованы данные радиационных измерений проекта World Bank s ESMAP Solar Resource Mapping. Суммарная радиация измерялась помощью пиранометра Kipp&Zonen CMP21. Были выбраны станции YerevanAgro и Islamadab, так как они близко расположены к метеорологическим станциям стандартной сети: Ереван/Звартноц (WMO ID = 37788) и Исламабад (WMO ID = 41571), а также программа наблюдений на станциях совпадает с программой на территории России. Для участков, на которых находились станции Yerevan Agro и Islamadab с портала геологической службы США были получены ЦМР ASTER GDEM. Для расчетов множественных отражений было выбрано значение альбедо равное 0,2, соответствующее отражению растительной поверхности.
Для определения суммарной радиации была написана специальная компьютерная программа, позволяющая рассчитывать карты суммарной радиации с часовым интервалом, отталкиваясь от данных ЦМР; данных о дате, времени и облачности из метеонаблюдений и данных фактора мутности Линке, автоматически загружаемых из системы NOAA CLASS [94]. Компьютерная программа была написана на языке Python с использованием библиотек для быстрой работы с массивами и таблицами - numpy, pandas; для выполнения астрономических вычислений - ephem; для работы с файлами NetCDF - netcdf, netCDF4; для работы с геоданными - gdal; для подключения модулей ГИС GRASS GIS - GRASS GIS Python script package.
На рис. 4.1. и рис. 4.2. представлены диаграммы рассеяния между расчетными (модельными) и измеренными значениями суммарной радиации для двух станций. «Линия 1:1» представляет гипотетическую линию, которая получается в том случае, когда измеренные и модельные значения абсолютно совпадают.
В таблице 4.2 представлены результаты статистического анализа сравнения модельных и измеренных значений суммарной радиации. На рис. 4.3 и рис. 4.4. представлены примеры рассчитанных карт пространственного распределения суммарной радиации на участках ЦМР со станциями YerevanAgro и Islamabad. На участке со станцией YerevanAgro представлен расчет за 13 часов 2 июня 2017 года, на участке со станцией Islamabad - за 13 часов 13 июля 2016 года. Среднеквадратическая ошибка получилась равной 107,6 Втм-2 и 83,9 Втм-2 для двух станций.
Для апробации расчета пространственного распределения суммарной радиации на территории РФ по данным ЦМР ASTER GDEM, фактору мутности Линке и наземным метеорологическим наблюдениям были выбраны 15 станций в различных зонах России. В таблице 4.3. представлены: идентификационные номера, названия станций, соответствующие названия карт ЦМР ASTER GDEM и координаты точки, по которой с тематической карты были извлечены данные для представления в виде временного изменения рассчитываемых величин. Были проведены ежечасные расчеты суммарной радиации, радиационного баланса и эталонного суммарного испарения за период с 01.06.2018 по 31.08.2018. Радиационный баланс и эталонное суммарное испарение для точки были рассчитаны по методике ФАО-56.
На рисунке 4.5. приведена карта высот (в метрах) соответствующая станции 34231 Лиски по ЦМР ASTGTM2_N50E039, карта представлена в искусственных цветах.
Все расчеты производились с интервалом 1 час с использованием соответствующих ЦМР. Таким образом для проведения расчетов по 15 точкам было построено 662475 тематических карт, в том числе промежуточных, необходимых для расчета суммарной радиации.
На рисунках 4.6. (а,б,в); 4.7. (а,б,в); 4.8. (а,б,в) представлены графики изменения ежечасной суммарной радиации (Rs, Втм-2), среднесуточного радиационного баланса (Rn, МДжм-2день-1) и эталонного суммарного испарения (ET0, ммдень-1), рассчитанные по 15 метеорологическим станциям из таблицы 4.3.
Технология рационального использования водных ресурсов с автоматизированным расчетом норм и сроков полива посевов сельскохозяйственных культур на орошаемом поле
Определение оптимального водного режима почв и соответствующих норм и сроков полива посевов в вегетационный период с применением информационных технологий является актуальным вопросом сельского хозяйства. Орошение — один из важнейших факторов повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Основными функциями воды в жизни растений являются ее участие в процессе фотосинтеза, обеспечение терморегуляции растительного организма, перенос элементов питания.
Водный режим сельскохозяйственных культур зависит от метеорологических условий и содержания влаги в почве. Максимальный эффект от орошения в значительной степени зависит от правильности выбора норм и сроков полива, которые могут определяться различными методами.
Информационные системы и методы планирования орошения существуют в России и за рубежом. Авторами Ольгаренко, Капустина и др. [125,126] в качестве комплексного показателя, характеризующего агроклиматические условия, принят коэффициент природного увлажнения, который косвенно учитывает связь энергетического и водного балансов на растительной поверхности сельскохозяйственных культур, без учета суммарного испарения. Другие методы в отечественных исследованиях используют суммарное испарение, которое рассчитывается в зависимости от дефицита влажности в приземном слое воздуха, по среднесуточной температуре воздуха и биофизическим коэффициентам [127]. Для повышения точности расчета водопотребления по биоклиматическому методу В. П. Остапчик [128] предложил вместо данных о дефиците влажности вводить данные о суточном испарении с водной поверхности. К недостаткам определения режима орошения посевов биоклиматическими методами относятся четко выраженная их локальность, отсутствие учета биологических и сортовых особенностей растений. Также широко распространено определение влагообеспеченности растений через уравнение водного баланса [129]. Однако определение продуктивной влаги в почве является трудоемким и не репрезентативным, так как точечные данные не всегда способны охарактеризовать пространственную неоднородность сельскохозяйственного поля. Показатель влагообеспеченности сельскохозяйственных посевов должен быть реализован доступными и современными техническими средствами, с возможностью автоматизации расчетов и дальнейшего применения в совокупности с данными дистанционного зондирования Земли для определения пространственной неоднородности влагообеспеченности посевов.
Информационная технология – основа современных информационных систем любого назначения. С этой целью была поставлена задача разработать структуру информационной технологии для автоматизации управления нормами и сроками полива конкретных посевов сельскохозяйственных культур.
В разработанной технологии автоматизированного управления водным режимом посевов реализуются следующие информационные процессы: сбор (мониторинг), хранение (базы данных), передача и обработка информации (методы, модели, алгоритмы). Предлагаемая информационная технология может быть использована для управления водным режимом в масштабе поля с конкретной культурой. В создании структуры технологии заложены законы сохранения энергии и массы на растительной поверхности. Математические модели, основанные на этих фундаментальных законах описывают расчет величины суммарного испарения в процессах энерго- и массобмена в системе "почва – растение - приземный слой воздуха" с использованием энергетического баланса растительной поверхности. В предложенной структуре информационной технологии типы суммарного испарения является основными величинами, с использованием которых возможно отслеживать потребность растений в воде за весь вегетационный период с временным шагом сутки.
Для сбора метеорологической информации может быть использован прибор АМПАК, также с помощью специального программного обеспечения АМПАК может рассчитывать значения эвапотранспирации на каждом поле с периодом 90 сек. Более того возможна автоматизация управления режимом орошения нескольких полей с одного компьютерного центра (рис. 5.15).
АМПАК рассчитывает эвапотранспирацию как остаточный член уравнения энергетического баланса. Входными данными являются метеорологические параметры, собираемые АМПАКом в автоматическом режиме, а также параметры растительного покрова, которые вносятся пользователем в компьютер с помощью клиентского приложения. Клиентское приложение содержит таблицы экспериментальных метеорологических данных, параметров эксперимента, коэффициентов развития культур, которые собираются в специальной базе данных эксперимента [130].
В Агрофизическом институте на основе методики ФАО — 56, уравнения Пенмана-Монтейса и уравнения энергетического баланса создана методика для принятия решения о нормах и сроках полива. Эта методика включает в себя расчеты эталонного, потенциального и реального суммарных испарений с конкретных посевов.
Нормой полива (ПН, м3га-1) считается то количество воды, которое необходимо растению для оптимального развития. Поливную норму чаще всего считают постоянной для какой-либо культуры, учитывая только климатические факторы, отбрасывая погодные, хотя погодные факторы могут играть ключевую роль при определении использования воды растениями. Поливная норма в наших исследованиях определяется за сутки с учетом погодных факторов по разнице между потенциальным (ЕТР) и реальным суммарным испарениями (ЕТГ) с конкретного посева: ПН = 10 (кг - КГГ) (5.23)
Индекс водного стресса CWSI, основанный на измерении дневного хода температуры растительного покрова используется для диагностики состояния посевов. Отношение реального испарения к потенциальному можно использовать как индекс водного стресса CWSI : cwsi =1-ЕТГ /ЕТР (5.24)
Время полива определяется критическим значением индекса водного стресса, при этом он может меняться в зависимости от типа культуры, погодных факторов.
В пос. Водный на опытном поле люцерны ВНИИОЗ в период с 16-23 мая 2013 года был проведен полевой эксперимент определения водопотребления люцерны по данными АМПАКа. Вода, внесенная 17 мая в размере 200 м3га-1 (20 мм), неравномерно расходовалась на суммарное испарение за 4 дня. Неравномерное распределение расхода поливной воды можно объяснить изменчивостью погодных условий за данный промежуток времени, что показывает как реальное суммарное испарение зависит от погодного фактора (ЕТ0). При этом разница между этими величинами будет тем больше, чем меньше доступной растениям влаги в почве. За исследуемый межполивной период разница эталонного и реального суммарного испарения составила от 1,2 до 4,8 мм, что при пересчете в поливную норму составила 105 м3га-1. На рисунке 5.16 можно проследить "оазисный" эффект, который создается на орошаемых полях. Орошение понижает температуру подстилающей поверхности, тем самым создавая приземную инверсию при положительном радиационном балансе. В таком случае явный поток тепла меняет направление, тем самым увеличивая суммарное испарение.