面向农药精确施用的多模型协同耦合研究

For the serious problems as environmental pollution and pesticide residues with the application of chemical pesticides for the plant diseases and insect pests control, the project will couple different simulation models to efficiently and continuously gather the whole information of pesticide application. Accurate placement of pesticide droplets on to plant is a key step in controlling diseases and insect pests in forestry production systems. Spraying stimulation model will be established to research droplets impact on plant surfaces. Droplet's depositing and coverage are complex and are determined by a multitude of interactions between factors such as size and density of spray droplets, relative humidity and turbulence of the air through which the droplets travel, and the physical characteristics of the target plant leaves, branches and stems that go to make up the architecture of their canopy. Based on wind tunnel measurements, the project will determine initial droplet properties (droplet size, velocity, trajectory, density and fluid properties) and droplet impact characteristics (retention and splash). There are, however, concerns over the effect of pesticides on the environment and public health. This project will combine three dimensional (3-D) computer modelling techniques, physical measurements of droplet movement and impact on a canopy in a wind tunnel and risk management techniques to maximise the effectiveness of pesticides and enable risks to public health and the environment from forestry spraying activities to be minimised. Finally, precision pesticide application will contribute to the protection and improvement of the ecological environment and help realize sustainable development.

针对林木病虫害防治过程中使用化学农药存在的过度使用、环境污染与农药残留等问题，本项目研究林木病虫害防治过程中药剂、施药器械、施药技术与环境因素之间的交互效应，构建喷雾模型，研究雾滴在主要气象条件影响下的粉碎、雾化、运输、沉积、反弹等一系列过程的运动机理，对于不同类型喷头在操作参数和气象条件下的防治效果和环境影响进行可视化模拟，把特定植物作为一个离散组件模型模式，利用风洞试验获取不同风速下雾滴在植物叶片上的立体穿透、有效沉积、均匀散布、无效飘移、反弹粉碎等数据，通过多模型耦合协同，以提高农药利用水平和环境友好为核心，进行科学合理的农药精确防治决策和环保决策，不仅制定喷施气象条件、施药器械、施药技术的最优化参数组合，还提供农药飘移暴露、累积效应、敏感区域保护、环境风险评估等，对于从农药精确使用单点研究发展到区域应用、生产规划有积极的意义，有利于实现林业可持续发展，从而促进人与自然的和谐统一。

喷施农药能迅速有效地控制病虫害的爆发和蔓延，施药时，不仅要考虑对病虫害的致死效果，还要预测环境风险，评估农药施用对周围不同对象的影响。实际应用过程中，喷头性能、喷雾流量、气象条件、植物生长阶段、植株冠层结构、叶片表面特性对农药的分配有决定性的影响，这些因素之间的交互效应也对农药药效的发挥有着巨大影响。防治植物病虫害，总希望有更多的药剂沉积到生物靶标上，流失到大气和土壤中的药剂则越少越好。项目建立了低速风洞并进行了试验，构建了基于寿命周期评价理论的农药施用效果评价预测体系，对真实的农药喷施过程进行了数学抽象，建立了包含距离、风速、喷头类型和药剂类型等因素在内的多变量非线性雾滴飘移特性模型。进行了生物农药的活性试验，分析施药器械结构参数和喷施参数对生物农药白僵菌活性的影响，以小菜蛾为对象，开展防治药效试验，检测具体防治效果，研究农药、器械、技术与防治效果之间的交互效应。分析农药配比、喷施器械、喷施技术、气象环境等因素下的农药雾化分配过程以及防治药效的影响，开发了基于互联网+的农药精确喷施决策系统，进行农药精确防治决策和环保决策。设计了农药精确施用与目标植物模型协同系统，把农药精确施用模型与目标植物模型、环境模型进行有机耦合，研究病虫害防治过程中喷施农药的实景建模和多模型耦合，通过改变参数的输入来感受器械选择、参数控制对喷头雾化效果、沉积飘移等做出实时的反应，以雾滴的粒径尺寸、沉积飘移、速度分布和运动轨迹试验数据作为基础信息，根据粒子系统原理，实现雾滴轨迹的模拟，通过驱动数据库，结合人机交互性以及系统的安全维护性，运用调用数据库的方法对喷头雾化性能和沉积飘移进行仿真模拟，能图文并茂地实现在不同输入参数下雾滴雾化情况、沉积效果、飘移影响的可视化显示，为植保机械的设计应用、喷施操作技术的确定、气象环境的选择、相应环境污染的评估分析提供理论依据和技术指导。