Прикладные динамические модели влаго- и теплообмена на сельскохозяйственном поле

- 2 -
СТЛАВШИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ .................................................. 6
I. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЕМЕНА В
СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ-ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ АТМОСФЕРЫ. II
1.1. Агроэкосистема как объект моделирования и управления .......................................... II
1.2. Системный подход - основа исследования сложных систем............................................. 14
1.3. Современное состояние в моделировании продукционного процесса ................................. 16
1.3.1. Блок-схема моделируемой системы ................ 17
1.3.2. Классификация моделей продукционного процесса ................................................... 18
1.3.3. Прикладные динамические модели продуктивности посевов в общей системе моделей продукционного процесса ......................................... 24
1.4. Модели влаго- и теплообмена в системе почва-
растение-приземный слой атмосферы ................ 27
1.4.1. Влагообмен в почве ................................ 29
1.4.2. Теплообмен в почве ................................ 34
1.4.3. Влаго- и теплообмен в растительном покрове 37
1.4.4. Водный режим растений ............................. 42
1.5. Основные требования к математическому описанию
процессов влаго- и теплообмена в прикладных динамических моделях и к их программной реализации на ЭШ................................... 44
Стр.
П. РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВПАГО-И ТЕПЛООБМЕНА НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПОЛЕ НА ОСНОВЕ ПОСЛОЙНО-БАЛАНСОВОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА 47
2.1. Послойно-балансовый динамический подход к описанию процессов влаго- и теплообмена................................. 47
2.2. Описание влаго- и теплообмена сельскохозяйственного поля для целей управления продукционным процессом ......................................... 51
2.2.1. Разработка подмодели влагообмена в почве .... 52
2.2.2. Моделирование поглощения влаги корнями растений ................................................... 56
2.2.3. Моделирование водного режима растений.............. 60
2.2.4. Разработка подмодели теплообмена в почве .... 62
2.2.5. Разработка подмодели влаго- и теплообмена в растительном покрове .................................... 65
2.3. Построение замкнутой модели влаго- и теплообмена сельскохозяйственного поля.......................... 71
2.3.1. Аэродинамический режим посева...................... 72
2.3.2. Радиационный режим посева ......................... 75
2.3.3. Замыкание модели влаго- и теплообмена сельскохозяйственного поля .................................. 82
2.4. Моделирование внешних метеорологических воздействий ............................................... 88
2.4.1. Вычисление суммарной солнечной радиации для целей моделирования ..................................... 89
2.4.2. Расчет средних дневных и ночных температур,
удельных влажностей воздуха и скоростей ветра
- 17 -
I.3.1. Блок-схема моделируемой агроэкосистемы
Первым шагом любого системного исследования является описание качественной структуры модели. Для её изображения применяются графики, таблицы, блок-схемы, язык потоковых диаграмм, предложенный Форрестером [юз] . Близкий язык для изображения потоков вещества и энергии предложен в работе [47] . Отметим, что с языком потоковых .диаграмм ассоциируется как система их интерпретации, так и алгоритмический язык (язык имитационного моделирования DYNAMO). Получение на основе выделенной системы - оригинала соответствующей модели системы является следующим шагом в системном исследовании .
При рассмотрении агроэкооистемы большинство исследователей ставит своей задачей установление связей между гидрометеорологическими условиями и продуктивностью сельскохозяйственных культур. Влияние популяций вредителей на продуктивность учитывается лишь в немногих моделях [21, 49, 75, 128] . В соответствии с поставленной задачей при моделировании агроэкосистемы в ней ограничиваются рассмотрением лишь одной живой компоненты - фитоценоза, а из всего многообразия факторов внешней среды принимают в рассмотрение лишь те, которые оказывают существенное влияние на процессы влаго- и теплообмена, а также на процессы обмена кислородом, углекислым газом и элементами минерального питания.
Можно указать несколько блок-схем, лежащих в основе математического моделирования продуктивности агроэкосистем С9, 20, 22, 45, 76, 90, 116, 1413 . Приведем в качестве иллюстрации одну из наиболее полных блок - схем продукционного
- 18 -
процесса в агроэкосистеме, предложенную в работе 17б1 .
Она состоит из следующих основных блоков (рис.1.1): I. фотосинтеза и дыхания, накопления первичных ассимилятов в процессе нетто-фотосинтеза; 2. перераспределения ассимилятов по органам растения, роста, развития, формирования архитектоники корневой системы и растительного покрова (РП);
3. блока погоды, характеризующегося метеоданными, в качестве которых выступают метеопараметры, измеряемые гидрометеослужбой; 4. микроклимата растительного покрова (распределения по высоте РП таких параметров, как температура воздуха и листьев, влажность воздуха, ветер, радиация); 5. водного режима почвы и РП, включающего поглощение воды корнями и устьичную регуляцию транспирации растений; 6. теплового режима почвы и РП; 7. режима минерального питания, включающего физико-химические превращения и биологические трансформации элементов питания, транспорт питательных элементов; 8. взаимодействия культурных растений с сорняками, вредителями, болезнями; 9. газового режима почвы и растительного покрова.
1.3.2. Классификация моделей продукционного процесса
Классификацию моделей можно проводить по какому-либо одному или по группе признаков. Полагая в основу классификации моделей продукционного процесса способы описания, модели можно разделить на эмпирические и теоретические [9, 23, 58, 75, 90, 108] . В рамках первого из указанных подходов на основе методов многомерной статистики строятся зависимости между урожаем и основными факторами внешней среды (метеорологическими, гидрологическими и др.). В настоящее время такие