当前世界环境

介绍

蒸散发是指农田和水体的地表水以蒸发和蒸腾两种形式损失的量。研究表明，地下淡水储量正在迅速枯竭。¹此外，由于不同类型的污染，如砷和其他重金属，自然盐度和pH值正在改变。²由于含盐量高，蒸发速率受到影响，引起了水循环的变化。^3.蒸散发(ET)造成的水分损失是造成作物水分胁迫的重要原因。必须提供足够的水，以消除作物的缺水压力，并减少由于田地被淹没而造成的水浪费。目前存在许多测定蒸散量的方法，但Penman-Monteith FAO 56 (PM FAO 56)是最被广泛接受的方法⁴来确定ET损失。PM粮农组织56模式主要依赖于五个气候因素，即大气温度、风速、相对湿度、太阳辐射和大气压力。作物类型、土壤性质、作物生长阶段也对蒸散发损失有影响，但影响可以忽略不计。土壤的pH值取决于其宏观和微观的矿物质组成，也受到种植在土壤上的作物的影响。参考蒸散发是指具有0.12米高度的均匀作物覆盖的广泛地表所记录的损失，充分和充分地遮蔽了地面。^{5 - 8}

PM - FAO - 56方法也被称为组合方法，它可以根据五个气象参数，即气温、风速、太阳辐射、相对湿度和大气压力，确定蒸散发损失。虽然测量结果会因地理位置和叶面积指数、冠层指数等因素的影响而有所差异，但测量的准确性非常好。PM方程⁹如图1所示。

等₀=参考蒸散量[毫米日^－1]，

R_n=作物表面净辐射[MJ m]²一天^－1]，

G =土壤热通量密度[MJ m-2 day-1];

T = 2米高度日平均气温[°C];

u₂= 2米高度风速[m s]^－1]，

e_年代=饱和蒸汽压[kPa];

e_一个=实际蒸汽压[kPa];

e_年代- e_一个= e⁰(T) =饱和蒸汽压差[kPa];

D = D =斜率蒸汽压曲线[kPa°C]^－1]，

g = g =心理测量常数[kPa°C]^－1］．

P =大气压力[kPa];

z =海拔高度[m];

e⁰(T) =温度T时的饱和蒸汽压[kPa];

λ =汽化潜热，2.45 [MJ kg-1];

C_p=恒压比热，1.013 10-3 [MJkg-1°C-1]，

ε =水蒸气/干空气的分子量比=0.622

在成功地确定由于蒸发蒸腾而损失了多少水时，重要的是要考虑到为补偿这种损失而供应的水质。建立了基于模糊逻辑的决策支持系统¹⁰为模型的控制模块提供必要的决策。Regions which receive high seasonal rainfall develop acidic soil with a pH of 5.5 and less due to leaching of minerals like Calcium, Magnesium, Potassium and Sodium. Again humid regions with higher evaporation rates than precipitation also lead to acidic soil.^{11 - 13}氢离子的毒性是植被正常生长的限制因素。¹⁴不同地区的土壤有自己的pH值，可以是酸性的，也可以是碱性的。在酸性土壤中补充酸性pH值范围内的水，反之亦然，会进一步恶化情况。中和作用或在浇水间隔和频率之间有足够的时间可以减少这种毒性。土壤pH值不能在短时间内改变。因此，调节水流可以显著缓解这种情况。

在接下来的章节中，我们将在材料和方法部分阐述基于模糊规则库设计的模型，讨论得到的结果，最后得出结论。

材料与方法

由于水的适当利用和保持有利的混合条件需要考虑两个因素，首先，通过向PM提供所需的气象数据来确定蒸散发损失⁹模型。一旦配置了ET估计块，就会生成不同的酸组合来模拟虚拟环境。函数块“detphwfd”的输出模拟了水流的实际场景。模糊控制器对不同的水-土壤pH混合组合运行一个规则库。模糊规则库考虑了不同的水源及其pH值，并保留了一个知识库来预测pH值最适合任何特定作物类型。这个详尽的知识库然后创建不同的阀门位置，以提供最佳的可能结果。控制器的精度在很大程度上取决于控制器的规则库有多全面。如下图1所示的流程图描述了过程动力学。

图1:过程动力学流程图 点击此处查看图

该算法对该操作进行了详细的说明。决定控制逻辑项的算法如下所示。

步骤1:通过PM粮农组织模型计算缺水情况。

步骤2:将此数据转发到控制块，并提供高斯和瑞利两个单独的干扰，以模拟实际环境，补偿其他因素。

步骤3:“detphwfd”功能生成从强酸性到强碱性不等的多种出水组合。

步骤4:第二个逻辑控制器指示最终控制元件根据进水性质调节开度，保持酸碱成分的适当混合。

步骤5:在酸性和碱性供水条件下观察阀门位置。

两种不同噪声分量的模型框图如图2和图3所示。

图2:高斯噪声影响下阀响应研究的仿真块 点击此处查看图

图3:存在瑞利噪声时的阀门开度研究 点击此处查看图

结果与讨论

记录仿真结果，以检验和验证是否满足预期目标。图4证实了从模拟气象数据集获得的输入响应。“detphwfd”的输出响应如图5所示，放大后的响应如图6所示，表明混合物的酸性响应明显优于碱性响应。产生这种输出的原因是在强酸和弱碱之间进行了滴定模拟。

图4蒸散发模式的响应 点击此处查看图

图5:“detphwfd”的输出响应 点击此处查看图

图6:放大的酸碱混合反应 点击此处查看图

从图7可以看出，阀门在遇到酸性流和碱性流的喘振时，分别发生放气和充气。在高酸度的情况下限制水流的原因是，通常位于热带到亚热带地区的农田富含微量营养素，这些微量营养素弥补了土壤的pH值，使其呈酸性。高流量的酸性水不会给土壤表面提供足够的时间来调整，像铝和其他物质会形成一个沉淀层，阻塞了吸收矿物质所必需的根区。由于控制器认为所研究的土壤类型本质上是酸性的，当水源本质上是碱性的时，这导致了一个自然的中和过程，因此阀门不受限制。

图7:酸和碱冲击下的阀门位置 点击此处查看图

结论

设计的模型有两个功能块，一个用于确定蒸散发损失，其次是阀门位置控制，根据确定许多水-土壤ph组合的规则基来调节水流。传感器记录的天气数据被馈送到PM蒸散发块，该块确定水分损失并因此需要补偿。当阀门开启补偿水分流失时，传感器测量水的pH值，控制器分别用酸性喘振和碱性喘振进行限制和充气，对阀门进行位置控制。因此，该模型能够监测和控制水流，使其保持所需的水平，并确定由于蒸发蒸腾造成的水分损失。土壤-水组合的pH值保持在6 - 7.5之间，这对任何种植都是最理想的。得到的结果令人满意，因此下一步将实现该控制器的原型模型进行现场验证。

确认

我们衷心感谢布尔德万大学AEIE系和贾达夫普尔大学FET电气工程系为我们提供的基础设施和后勤支持。如果没有上述部门的实验室协助，这项研究是不可能进行的。

资金

作者在研究、撰写和/或发表本文时未获得任何资金支持。

利益冲突

作者没有任何利益冲突。

参考文献

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