11.5 HP chafu Modeling

Matumizi ya maji ya mazao na matumizi ya virutubisho ni sehemu ya kati ya aquaponics. Sehemu ya HP ni ngumu, kama matumizi safi ya maji na virutubisho kufutwa si tu kufuata uhusiano badala rahisi linear kama, kwa mfano ukuaji wa samaki. Ili kujenga mfano kamili wa kazi, simulator kamili ya chafu inahitajika. Hii inahusisha mifumo ndogo ya mfano wa fizikia chafu ikiwa ni pamoja na controllers ya hali ya hewa na biolojia mazao kufunika michakato ya maingiliano na stressors

Hata hivyo, kutoka kwa mtazamo wa HP, hali ya hewa ya chafu ni dereva kuu kwa mfumo kamili wa aquaponic, ikiwa ni pamoja na, karibu na mizani ya virutubisho, mizunguko ya maoni ya joto inayozalishwa na samaki na cosub2/Sub ya ziada inayotolewa kwa mimea kama ilivyoripotiwa na Körner et al. (2017) (Mchoro 11.15).

Katika mfano huu, utamaduni wa samaki hutoa joto kupitia michakato ya kimetaboliki. Kiasi cha joto kinachozalishwa na samaki huhesabiwa moja kwa moja kutokana na matumizi ya oksijeni yaani kazi ya joto na mara kwa mara kwa ajili ya uzalishaji wa joto kwa kitengo kimoja oksijeni inayotumiwa (yaani 13608 J gsup-1/sup samaki). Joto kutokana na kuvunjika kwa suala la kikaboni (Qsubbio/sub), kwa mfano nyasi na malisho kubaki, pia huchangia usawa wa joto. Ugavi wa nishati kwa mfumo wa maji unaweza kuhesabiwa kwa uzalishaji wa joto kupitia samaki uliohesabiwa kutoka kiwango cha wastani cha matumizi ya oksijeni (FSUBO2, TWB/Sub). Uzalishaji wa ziada wa joto unaweza kuhesabiwa kwa kuvunjika kwa kibiolojia kwa nyasi (Mchoro 11.16).

Uzalishaji wa sub2/ndogo kutoka kwa mfumo wa majini (Dsubcosub2/sub/sub, g hsup-1/sup), i.e. utoaji wa mazingira ya anga (d, g hsup-1/sup), inaweza kuhesabiwa kwa joto la maji (TsubH2O/sub, K) kutoka utoaji wa oksijeni kwenye mfumo (Dsubosub2/sub/sup, g hsup-1/sup) kwenye msingi wa maji joto (TsubH2 O, b/sub, K) na thamani ya Qsub10/sub ya kupumua samaki (Qsub10, R/Sub). Mahusiano yafuatayo yanatumiwa:

Kielelezo 11.15 Tabia ya ziada ya symbiotic ya mfumo wa aquaponic

$d_ {O_2} = f_ {samaki}\ f_ {O_2} W_ {O_2} $

$d_ {CO_2} =\ frac {[CO_2]} {[O_2]}\ d_ {O_2}\ Q_ {10, R} (T_ {H2O, b}) /10$ (11.16)

na malisho kiasi kwa samaki (fsubfish/ndogo, g hsup-1/sup), kiwango cha matumizi ya oksijeni katika joto la msingi (FSUBO2/sub, kilo [Osub2/sub] kgsup-1/sup [kulisha]), sehemu ya kupoteza kulisha Wsubo2/sub (sup-/sup) na usawa wa wingi wa Osub2/sub/cosub2/sup (sup).

Ili kuhesabu msingi wa aquaponics, i.e. mtiririko wa mchakato (unahitajika kwa mishale, →) chafu macroclimate → microclimate → evapotranspiration → matumizi ya virutubisho, simulators mbalimbali za chafu ambazo zilitengenezwa zamani zinaweza kutumika na pamoja na aquaculture kwa mfumo wa aquaponic . Mifano zote za chafu ni pamoja na mfano wa ukuaji wa mazao. Ubora wa mfano, hata hivyo, unaweza kutofautiana sana kutoka kwa mifano rahisi ya regression, kwa mfano Boote na Jones (1987), kupitia mifano ya deterministic, kwa mfano Heuvelink (1996), kwa mfano mifano ya mimea ya miundo (FSPM), kwa mfano Buck-Sorlin et al. (2011). Kama ukuaji wa mazao ya sasa na maendeleo ya mifano ni sahihi na kuwa na uwezo mdogo uingizaji (Poorter et al. 2013), mifano ni mara kwa mara walioajiriwa katika usimamizi wa mazao, lakini kisha hasa kwa ajili ya kupanga masuala katika simulators chafu, kwa mfano Vanthoor (2011) na Körner na Hansen (2011). Utabiri usahihi ni kuhatarishwa na vyanzo vingi vya kutokuwa na uhakika, kama vile modeling

Mtini. 11.16 Aquaculture mfumo kutekelezwa katika chafu na unyevu, joto na viwango CO2 ya hewa (Rhsubair/sub Tsubair/sub, Cosub2, hewa/ndogo), joto kutoka (Q) mazingira ya samaki (samaki), kuvunjika kibiolojia (bio) na fluxes joto ($$), kuchukuliwa kutoka Körner et al. (2017)

makosa, tofauti kati ya mimea, tofauti kati ya greenhouses na hali isiyo ya uhakika ya hali ya hewa. Kama kwa utabiri, usahihi pia hutofautiana sana kwa hali. Hata hivyo, kulisha mtandaoni habari za sensor katika mfano wa mmea kunaweza kufanya utabiri wa mfano wa mimea kuwa wa kuaminika zaidi na muhimu kwa mkulima.

Simulators chafu walikuwa maendeleo katika na kwa maeneo kadhaa, kwa mfano Virtual Grower (Frantz et al. 2010), KASPRO (De Zwart 1996), Greenergy Nishati Ukaguzi Tool (Körner et al. 2008), Virtual Green (Körner na Hansen 2011), Hortex (Rath 1992, 2011) na jumuishi aquaponic chafu mfano (Goddek na Körner 2019). Katika ngazi ya utafiti, baadhi ya mifano (yaani mifano ya simulation pamoja na teknolojia fulani za chafu) zimeandaliwa ambazo zinaweza kutumika kuongeza uwekezaji na marekebisho ya miundo kwenye kitengo cha uzalishaji na mchakato wa uzalishaji. Hata hivyo, mifumo mingi inahusisha mazingira ya programu yaliyofungwa ambayo yanaweza kutumika tu na watengenezaji, na wengi wao hupo tu katika hali ya utafiti na hawana maendeleo zaidi na kukubalika kutoka sekta hiyo. Hata hivyo, bado hakuna msingi wa kawaida wa kugawana mfano na maendeleo ya mfano wa ushirikiano. Matokeo yake, wengi modellers na timu modeling kazi katika kutengwa kuendeleza mifano yao wenyewe na kanuni. Ukosefu wa utaratibu huo ni kwamba mifano ya simulation ya chafu hutengenezwa kwa sambamba katika mazingira tofauti ya utafiti, ambayo hushindwa katika ukuaji wa vyama vya ushirika na maendeleo.

Simulators zote za mtindo wa chafu za HP ni mkusanyiko wa mifano ndogo ambayo hutegemea lengo la kuunganisha mwingiliano wa mimea na vifaa vya chafu. Tofauti ya jumla ya sehemu mbili katika mifano ya chafu na pia katika udhibiti na mipango ni risasi na mazingira ya mizizi. Badala ngumu na kutofautishwa mbinu mfano yamefanyika kwa hali ya hewa chafu (Bot 1993; de Zwart 1996), na ukuaji wa mazao ya chafu imekuwa intensively inatokana katika miaka ya 1990 kwa ajili ya mazao kuu chafu kama vile nyanya (Heuvelink 1996), tango (Marcelis 1994) na lettuce (Liebig na Alscher 1993). Hata hivyo, ili kuhesabu matumizi ya maji na virutubisho ya mazao, microclimate, yaani. hali ya hewa karibu na viungo vya mmea, inahitaji kujulikana (Challa na Bakker 1999). Hili ni suala linaloendelea katika mfano wa chafu, kama vigezo vya microclimate, kama vile joto la jani la kati, vinatofautiana sana na hutegemea vigezo na vigezo vingi. Toleo moja la jani joto mfano kutumika katika dari mazao kwa ajili ya joto mazao (TsubC/sub) jumuishi juu ya tabaka wima (z) na Körner et al. (2007) kuunganisha kufyonzwa irradiative fluxes wavu (Rsubn, a/sub, WMSU2/sup), safu ya mipaka na upinzani stomata (rsubs/sub, kwa mtiririko huo, smsup-1/ sup) na upungufu wa shinikizo la mvuke kwenye uso wa majani (VPDsubs/sub, Pa) katika kamba inavyoonekana hapa, yaani.

$Tc (Z) -t_a =\ frac {\ frac {1} {\ Rho_ac_p} (r_b (Z) +r_s (Z)) R_ {n, a} (z) -\ frac {\ gamma} VPD_s (z)} {1+\ frac {\ gamma} +\ frac {r_s {r_s {r_s z}} {r_b (z)} +\ frac1 {\ Rho_ac_P/4\ sigma Ta^3} (r_b (z) +r_s (z)} $ (11.17)

na joto la hewa la chafu (Tsuba/Sub, K), mvuke shinikizo hewa wiani (ρsuba/ndogo, g msup-2/sup), Stefan-Boltzmann mara kwa mara (σ, WMSUP-2/sup Ksup-4/sup), uwezo maalum wa joto wa hewa (csubp/sup, J gsup-1/sup), mara kwa mara kwa mara kwa mara kwa mara (γ Pa Ksup-1/sup) na mteremko kati ya mvuke ulijaa shinikizo na joto chafu hewa (δ, Pa Ksup-1/sup).

Joto la jani ni sehemu ya kati ya mtindo wa microclimate, ina mizunguko ya maoni kwa vigezo kadhaa vya pembejeo na hasa upinzani wa stomata (mara nyingi pia hutumiwa kama usawa wake, conductance), na hesabu inahitaji hatua kadhaa za simulation kwa usawa. Kwa HP, kama sehemu ya mfumo wa aquaponic, hata hivyo, kuimarisha maji na fluxes ya virutubisho ni muhimu zaidi. Mizani yote ya maji na virutubisho katika mfumo uliofungwa wa kitanzi hudhibitiwa kulingana na kiwango cha evapotranspiration ya mazao etsubc/Sub (Chap 8). Kwa kawaida etsubc/sub ni mahesabu kama joto latent ya uvukizi, yaani katika suala nishati (λE, WMSU2/Sup), na inaweza kuwa kwa mujibu wa jani joto walionyesha katika safu tofauti dari

$\ lambda E (z) = (\ frac {\ frac {\ delta} {\ gamma} R_ {n, a} (z) +\ frac {\ rho _AC_p} {\ gamma} (\ frac1 {r_b (z)} +\ frac1 {\ rho _ac_P/4\ sigma Ta^3} VPD_s ()} {1+\ frac {\ delta} {\ gamma} +\ frac {r_s (z)} {r_b (z)} +\ frac {1} {\ rho _AC_P/4\ sigma Ta^3} (r_s (z) +r_b (z)}) $ (11.18)

Ili kuhesabu etsubc/sub (L msup-2/sup), λE inahitaji kuongezeka kwa lsubw/sub ya mara kwa mara (joto la mvuke wa maji; 2454 1994-103 J kgsup-1/sup) na uzito maalum wa maji (9.789 kN (msup-3/sup saa 20 ˚C).

Kielelezo 11.17 mfumo wa pembejeo-pato la chafu

Equation (11.18), hata hivyo, huhesabu tu mtiririko wa maji kupitia mazao, wakati njia rahisi zaidi ya kukadiria matumizi ya virutubisho ni kudhani kwamba virutubisho huchukuliwa up/kufyonzwa kama kufutwa katika maji ya umwagiliaji na kudhani kwamba hakuna kipengele maalum cha kemikali, upinzani wa kibaiolojia au kimwili uliopo. Katika hali halisi matumizi ya virutubisho ni jambo ngumu sana. Kwa hiyo, ili kudumisha usawa, virutubisho vyote vilivyochukuliwa na mazao kama yaliyomo katika ufumbuzi wa virutubisho vinahitaji kuongezwa tena kwenye mfumo wa hydroponiki (angalia Chap. 8. Hata hivyo, Eq. (11.18) huhesabu tu nk, wakati viwango vya juu sana vya uwezo vinaweza kusababisha transpiration ya juu kuliko mimea inayoweza kushughulikia, na kisha kupoteza maji uwezo kunaweza kuzidi matumizi ya maji. Kwa hiyo, dhana rahisi ya matumizi ya virutubisho haifai. Kama ilivyoelezwa katika [Chap. 10](/community/makala/sura 10-aerobic-na-anaerobic matibabu-kwa-aquaponic-sludge-reduction-na-mineralisation), virutubisho tofauti inaweza kuwa na mataifa tofauti na mabadiliko, kwa mfano pH, wakati upatikanaji wa mimea inategemea sana pH na uhusiano wa virutubisho kila mmoja. Aidha, microbiome katika ukanda wa mizizi ina jukumu muhimu, ambalo halijatekelezwa katika mifano bado. Baadhi ya mifano, hata hivyo, kutofautisha kati ya phloem na xylem njia. Kiasi kikubwa cha virutubisho, hata hivyo, si inatokana kwa undani kwa aquaponics madini kusawazisha na sizing ya mifumo, wakati njia rahisi ya kukadiria matumizi ya virutubisho ni dhana kwamba virutubisho ni kuchukuliwa up/kufyonzwa kama kufutwa katika maji ya umwagiliaji na kuomba juu alielezea nk hesabu mbinu .

Kwa madhumuni ya kudhibiti chafu ni kawaida kuchukuliwa kama sanduku nyeusi, ambapo nje ya hali ya hewa kuamua pembejeo usumbufu, COSub2/sub ugavi, inapokanzwa na uingizaji hewa ni pembejeo kudhibiti, na chafu macro- na microclimate kufafanua pato la mfumo (Kielelezo 11.17).

Ili kudhibiti chafu, vitendo vinaelekezwa ili kupunguza athari za haraka za utata, yaani. kuwa mbele ya mabadiliko yaliyotarajiwa na udhibiti wa smart. Kwa hiyo, vitendo vya kudhibiti kama vile maoni na feedforward hutumiwa (Chap. 8). Udhibiti bora, hata hivyo, unaweza kupatikana wakati wa kutumia mfano kamili wa chafu na kuchanganya na utabiri wa hali ya hewa (Körner na Van Straten, 2008) kufikia udhibiti bora wa hali ya hewa ya chafu, kama ilivyofanywa na Van Ooteghem (2007).