随着日光温室在高海拔低温地区的大规模建造和广泛应用,越冬期间地面灌溉水水温偏低这一问题成为遏制日光温室正常运行和农作物正常生长的关键所在。如何提高灌溉水水温、选择合理的升温设施、调控灌溉水升温时间和过程成为越冬期间日光温室种植亟待解决的理论和技术问题。本文以越冬期间日光温室灌溉水水温偏低这一客观问题为出发点,依托于山西省科学技术厅农业科技攻关计划项目《设施果蔬园艺产业化关键技术研究——低温区日光温室大棚冬季灌溉水升温设施与技术研究》,基于日光温室越冬期间实地跟踪测试以及室内试验数据,采用土壤水动力学、传热学等理论,分析了日光温室小气候和区域气象条件的变化特性、灌溉水水温的时空变化规律;选择出了升温效果好、占地面积小、水质有保障、管理运行安全可靠的升温设施;以选定的升温设施为对象,利用CFD软件FLUENT实现了灌溉水温度的预测,建立了不同天气条件、不同灌溉水初始水温、不同型式升温设施灌溉水水温实时预报模型,实现了灌溉水达到既定温度所需时间的预测;研究提出了越冬期不同时期适宜灌溉的最低水温和室内灌溉水升温时间;构建了越冬期日光温室灌溉水升温灌溉集成技术。其科学价值表现在灌溉、热传导、设施农业等理论的交融与集成等方面。研究成果可以有力地推动和丰富日光温室配套设施建设和灌溉管理科学的发展。其主要研究成果如下:(1)日光温室室内、外气温都呈现以24h为周期的余弦函数变化规律,但室内、外气温的振幅具有较大的差异。室内气温的振幅约为室外气温振幅的2.0~2.9倍。室内、外气温具有明显的线性相关关系,但在越冬期的不同时期,相关系数在0.75~0.96之间变化。室内气温在空间分布上,具有一定的不均匀性。温室室内垂直方向上,中位高度气温>棚顶处和地面处气温,白天垂直方向温差可达5.2~10℃,夜间温差较小,在3.0~5.4℃之间;水平长度(东西)方向上,白天气温中部>西部>东部,夜间气温东部>中部>西部,变化幅度在0.3~1.8℃之间;水平宽度(南北)方向上,白天气温中部>后墙>棚前,夜间气温后墙>中部>棚前,室内气温温差白天大于夜间,白天温差在3.2~5.8℃之间,而夜间温差仅为0.8~1.9℃。日光温室室内、外地温呈现以24h为周期的余弦函数变化规律,但温度波振幅随深度的增加逐步减小,到一定深度,振幅基本为零。0.4m深度以下室内地温和0.25m深度以下的室外地温振幅为0,其下层土壤温度基本没有明显的日变化。同层次的室内地温波振幅大于室外,这与室内气温变幅大于室外密切相关。(2)越冬期河流地面水冰盖的形成与否对水源地水温有较大影响。在非结冰期,河流地面水水温随气温的变化而变化,日间8:00~18:00约10个小时的时间内,气温明显高于水温;而在结冰期,水温始终高于气温,并且水温处于相对稳定的状态,基本维持在-3.0℃左右,产生上述水温特性的原因主要在于水体的比热较大、下层河床砂卵石介质对河流水的热量源源不断的补给、河流表面冰盖和薄层空气的隔热作用。(3)地下浅式升温池是越冬期间日光温室升温设施的理想选择。提升升温池内灌溉水主要的热量来源为室内空气、侧墙和池底的土壤以及太阳辐射。无论是在水体表面、侧墙处还是底部,地下浅式升温池对空气热量、土壤热量、太阳辐射的利用率均高于其他两种结构型式的升温池。在升温效果方面,地下浅式升温池明显优于其他两种结构型式的升温池。建议使用地下浅式升温池作为高海拔低温地区日光温室灌溉水升温的主要设施。(4)首次将CFD计算流体力学程序应用到越冬期日光温室灌溉水升温过程的模拟中,成功实现了日光温室定解条件与CFD计算流体力学定解模型的结合,实现了日光温室升温池水体温度和升温时间的预测。采用余弦函数拟合室内气温、地温的日变化规律作为输入边界条件,模拟值与实测值的相关系数在0.96以上,相对误差均值在5.46%以下,绝对误差的最大值在1.64℃以下,误差在可接受的范围内。模拟预测出整个越冬期灌溉水升温所需的时间在5~51小时之间。边界条件与气温、地温的平均值和变幅直接联系,初始条件与进棚水温直接联系,使得本模型可以推广应用于不同结构型式、不同材料的升温池在不同天气、不同初始水温条件下灌溉水温度变化过程的模拟,并且也可以应用于不同结构、不同土壤类型的日光温室中灌溉水升温过程的模拟,具有普遍广泛的应用前景。(5)提出了低温地区越冬期日光温室分段分期灌溉水管理模式。在越冬期间根据室内外气温、地温、水源地水温、进棚水温的时空分布特性,提出分期确定安全灌溉水温、升温时间、适宜灌水时间的灌水工作制度。越冬期分时段适宜灌溉水温如下:以半个月为单位,经升温池升温后的最低可灌温度,从12月中旬到3月中旬分别为8.5、10.8、9.8、9.1、8.0、7.5℃。其中1月份气温较低,植物所需的最低可灌温度相应较高,分别为10.8,9.8℃。以半个月为时段,灌溉水升温时间从12月中旬到3月中旬分别为5,51,47,38,24,8h,其中,1月气温较低,灌溉水需升温时间最长,分别为51h和47h。这种分段分期灌溉水管理模式为高海拔低温区越冬期日光温室灌溉管理提供了强有力的技术支持。(6)高海拔低温区实现越冬期安全灌溉是切实可行的。在高海拔低温地区设施农业输水、配水、灌水过程中科学利用地热和太阳能,可以实现越冬期的安全灌溉。取水过程中使用地面水转化为地下水的潜水井取水方式能有效的利用地热提升灌溉水水温,水温可提升6.7~9.0℃;在输配水、调节水池调节过程中,将输配水管线埋藏在冻土深度一定深度以下、增大调节水池的埋深、增设调节水池上方的保温设施可以有效利用地热维持或提升灌溉水水温;在日光温室内部,地下浅式升温池能够科学高效的利用太阳能和地热提升灌溉水水温,在整个越冬期的不同时期,可以用5~51h,将水温提升到作物要求的最低可灌温度。(7)构建了越冬期日光温室灌溉水升温集成技术。越冬期日光温室地面水适宜、安全灌溉需融合采用取水、输水、升温、灌水过程中的工程和管理技术,即多环节、多项技术的有机结合。构成集成技术的主要技术包括:在取水过程中的主要技术有增加渗径长度、增大潜水井深度等;在输配水、调节水过程中的主要技术有增大输配水管网的埋深、选用导热系数大的管材、增大调节水池的埋深、设置调节水池上方的保温设施等;升温池升温过程可采用的技术有高效吸收太阳能和地热技术、CFD模型预测升温过程技术等;灌水过程可采用的技术有滴灌技术、水肥一体化技术、安全灌溉最低水温技术等;灌溉管理可采用的技术有灌溉模式判定技术、室内升温池升温时间的确定技术等。本文在研究的过程中,未考虑日光温室内不同蔬菜种植种类对灌溉水温需求的差异以及未对作物生长过程指标进行监测。在后续的研究中,应进行日光温室内不同类型蔬菜种植,不同时期对最低灌溉水温度的要求和对作物生长过程指标进行监测。另外在输入灌溉水升温模型的边界条件时,采用余弦函数拟合室内气温和地温的日变化规律,这也是造成模型误差的原因之一,在以后的建模中,可尝试使用傅里叶展开式来拟合气温、地温的日变化规律,以求取得更高的模拟精度。