土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介課件

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性模型的分類典型模型介紹土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模2土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性土壤水分研究在水文學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的重要作用，眾多學(xué)者對(duì)土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，有必要建立土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型，以模擬土壤水分在不同自然及人為條件下的動(dòng)態(tài)變化及分布規(guī)律，進(jìn)而對(duì)農(nóng)田及天然植被耗水過(guò)程、污染物遷移過(guò)程進(jìn)行模擬分析

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模3土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的類型研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)模型原理：系統(tǒng)模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?、概念模型（水量平衡模型）和機(jī)理模型（水動(dòng)力學(xué)模型）是否考慮土壤水分動(dòng)態(tài)變化的不確定性：確定性模型和隨機(jī)性模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的類型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬4研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)其相應(yīng)的空間尺度范圍分別為1～10m2、102～106m2、>106m2土體尺度，一般不考慮氣象、土壤、作物等因素的空間變異性，模型和研究方法較多樣而對(duì)于區(qū)域尺度，則需要考慮以上因素的空間變化，所采用的方法主要是水量平衡分析土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬5土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的系統(tǒng)模型、概念模型和機(jī)理模型(1)系統(tǒng)模型一般不著重考慮土壤水分動(dòng)態(tài)變化的機(jī)理，而是根據(jù)土壤水分變化與其主要影響因素的關(guān)系或土壤水分序列自身的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立各種各樣的經(jīng)驗(yàn)性模擬模型，主要包括：(a)統(tǒng)計(jì)回歸模型：通過(guò)對(duì)土壤水分與降水等影響因素的關(guān)系進(jìn)行分析，建立反映其相互關(guān)系的回歸模型進(jìn)行水分動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)報(bào)。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的系統(tǒng)模型、概念模型和機(jī)理模型土壤水動(dòng)力學(xué)S6(b)時(shí)間序列分析模型：利用時(shí)間序列分析方法研究土壤水分序列的動(dòng)態(tài)變化特性，將土壤水分的變化分解為趨勢(shì)項(xiàng)、周期項(xiàng)和隨機(jī)項(xiàng)，各項(xiàng)疊加即可對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬。(c)指數(shù)消退模型：通過(guò)對(duì)土壤水分消退規(guī)律的分析可以建立土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的指數(shù)消退模型。(d)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型：利用ANN結(jié)構(gòu)來(lái)反映氣象、作物等因素對(duì)土壤水分變化的影響，建立土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的ANN模型。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介(b)時(shí)間序列分析模型：利用時(shí)間序列分析方法研究土壤水分序7(2)概念模型水量平衡模型是一種概念性模型，根據(jù)一定時(shí)段內(nèi)土壤水分的輸入和輸出來(lái)模擬作物根系層土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

農(nóng)田水量平衡的基本方程：ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R

水量平衡模型考慮了農(nóng)田水分收、支對(duì)土壤水分的影響，但對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)考慮不夠深入。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介(2)概念模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介8(3)水動(dòng)力學(xué)模型在Darcy定律和連續(xù)方程基礎(chǔ)上建立土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程——Richards方程，同時(shí)考慮土壤蒸發(fā)、作物蒸騰與根系吸水等界面過(guò)程，可建立農(nóng)田土壤水動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)考慮問(wèn)題的復(fù)雜程度，可以有單純的不考慮作物影響的SW模型，SPAC水分傳輸模型、SPAC水熱傳輸模型、GSPAC水熱傳輸模型、土壤凍融過(guò)程下的水熱傳輸模型以及土壤中的水熱鹽耦合運(yùn)移模型等等。與土壤水量平衡模型相比，偏微分方程形式的土壤水動(dòng)力學(xué)模型可以更細(xì)致地描述土壤水的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)化，得到土壤水分動(dòng)態(tài)的時(shí)空分布規(guī)律。實(shí)際情況下，多采用數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行求解土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介(3)水動(dòng)力學(xué)模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)9土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的確定性模型和隨機(jī)性模型（1）確定性模型影響農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)變化的因素（氣象、土壤等）在時(shí)間、空間上均有一定的隨機(jī)特性。如果不考慮上述因素的隨機(jī)性，則模型屬于確定性模型，目前常用的水量平衡模型和水動(dòng)力學(xué)模型多為確定性模型，適用于下墊面（土壤、作物等）均勻、氣象要素確定的情況。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的確定性模型和隨機(jī)性模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土10（2）隨機(jī)性模型考慮農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)變化的因素（氣象、土壤等）在時(shí)間、空間上的隨機(jī)特性，建立的模型。對(duì)于時(shí)域隨機(jī)性，首先用適當(dāng)?shù)碾S機(jī)過(guò)程模型來(lái)描述降水、騰發(fā)等的隨機(jī)變化特性。然后建立描述土壤水量平衡或水分運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)微分（差分）方程模型或狀態(tài)空間模型，可以求解得到土壤水分動(dòng)態(tài)的概率分布。對(duì)于空間變異性有兩種處理方法，a.分布式模型方法，b.利用概率分布函數(shù)描述有關(guān)模型輸入及參數(shù)的空間變異特性。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介（2）隨機(jī)性模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介11模型推導(dǎo)：土壤水分的減少是由蒸散發(fā)和深層滲漏造成的，而一般情況下下邊界水分通量比蒸散發(fā)量要小。在土壤水分脅迫條件下，蒸散發(fā)量與土壤含水量之間近似為線性關(guān)系。基于此，假設(shè)土壤水分消退階段水分消退率與貯水量W成正比，即

積分得到：W(t)＝W1

exp[－k(t－t1)]考慮降水及灌水的影響，土壤水分變化的遞推關(guān)系（以天為單位）可表示為Wt+1＝Wt·exp(－kΔt)＋P＋I(xiàn)典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介模型推導(dǎo)：典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型土壤水動(dòng)力學(xué)S12土壤水分消退指數(shù)的確定方法模型的主要參數(shù)為土壤水分消退指數(shù)k。在無(wú)降水及灌水的時(shí)段內(nèi)，k可由土壤水分觀測(cè)資料推求：k＝ln(W1/W2)/(t2－t1)典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分消退指數(shù)的確定方法典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型13指數(shù)消退模型在冬小麥田間土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用利用北京永樂(lè)店試驗(yàn)站6試驗(yàn)小區(qū)冬小麥田間土壤水分觀測(cè)資料，計(jì)算出相應(yīng)的土壤水分消退指數(shù)(如圖)，擬合得到：土壤水分消退指數(shù)k動(dòng)態(tài)變化（冬小麥返青后）典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介指數(shù)消退模型在冬小麥田間土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用土壤水分消退14土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果利用以上計(jì)算出不同時(shí)段的土壤水分消退指數(shù)k，并利用以上土壤水分動(dòng)態(tài)變化的遞推關(guān)系式即可進(jìn)行土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)不同小區(qū)1m土層貯水量（W）實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值的比較

典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果不同小區(qū)1m土層貯水量（W）實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)15模型特點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單、參數(shù)較少，使用方便；主要局限性：模型中土壤消退系數(shù)地域、時(shí)域性較強(qiáng)。因此在應(yīng)用這一模型時(shí)，可先根據(jù)其它年份的試驗(yàn)資料或部分測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)資料推求土壤水分消退指數(shù)，再用于相似條件下的土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介模型特點(diǎn)：典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型土壤水動(dòng)力學(xué)S16典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificialneuralnetwork,ANN）理論—

是人工智能研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。ANN是模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能特征的一種非線性信息并行處理系統(tǒng)，是由大量的處理單元（人工神經(jīng)元）相互連接而成的網(wǎng)絡(luò)。ANN具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織等特性，目前已在系統(tǒng)預(yù)測(cè)、系統(tǒng)優(yōu)化、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

BP(back-propagation)網(wǎng)絡(luò)模型—

是一種基于誤差反向傳播的多層前饋型網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最為廣泛的ANN模型之一。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（art17BP-ANN結(jié)構(gòu)：三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：輸入層：Xn隱含層：Hq輸出層：Ym誤差：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練（模型率定）：

輸入信息的正向傳播過(guò)程和誤差的反向傳播過(guò)程

。步驟：（1）隨機(jī)產(chǎn)生初始權(quán)重和閾值

（2)逐層處理計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)的輸出（3）計(jì)算輸出與實(shí)測(cè)值間的誤差（4）根據(jù)誤差調(diào)整權(quán)重和閾值土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介BP-ANN結(jié)構(gòu)：三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：誤差：典型模型2——土壤水分18W2-W1=P+I–(ET+Q)ΔtET=KsKcET0

Q=f(W)輸入：時(shí)間t時(shí)段長(zhǎng)Δt階段降水灌水總量PI階段平均氣溫T時(shí)段初貯水量W1輸出：時(shí)段末貯水量W2典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型輸入輸出變量的確定：土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介W2-W1=P+I–(ET+Q)Δt輸19預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水20C1：F4：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介C1：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動(dòng)力學(xué)S21ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R騰發(fā)量：ET=KsETm，ETm=KcET0

ET0：Penman-Monteith公式Kc：Ks：典型模型3——水量平衡模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R典型模型3——水量平衡22ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R根系層底部水分交換量：簡(jiǎn)化法（近似認(rèn)為Q=0）零通量面法經(jīng)驗(yàn)方法：典型模型3——水量平衡模型參數(shù)：根據(jù)實(shí)測(cè)資料率定

Wj，n（土壤供水系數(shù)）

Kcm，tm，c（作物系數(shù)）

a，d（下界面通量）土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R典型模型3——水量平衡23典型模型3——水量平衡模型(a)A1小區(qū)（灌水4次）(b)B1小區(qū)（灌水3次）(c)C1小區(qū)（灌水2次）(d)D1小區(qū)（灌水2次）模擬結(jié)果：北京永樂(lè)店試驗(yàn)站1999年土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型3——水量平衡模型(a)A1小區(qū)（灌水4次）24典型模型3——水量平衡模型永樂(lè)店試驗(yàn)站冬小麥返青后騰發(fā)量ET、土壤水利用量Su與降水灌溉總量的關(guān)系土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型3——水量平衡模型永樂(lè)店試驗(yàn)站冬小麥返青后騰發(fā)量ET25典型模型4——機(jī)理模型具體模型已講，求解方法（數(shù)值模擬方法）待續(xù)土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型4——機(jī)理模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型26土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向目前農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)模擬模型多是對(duì)土體尺度進(jìn)行的，其中部分考慮土壤質(zhì)地、土壤水分特性等參數(shù)空間變異性的模型可以用于農(nóng)田或區(qū)域尺度。從理論和應(yīng)用的角度來(lái)看，土壤水分模擬和預(yù)報(bào)模型都需要進(jìn)一步的研究。主要表現(xiàn)在：土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向目前農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)模擬模型多是對(duì)土27土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(1)(1)非均勻植被下土壤水分模擬與預(yù)報(bào)：已有的研究考慮了土壤特性等的空間變異性，而對(duì)植被的非均勻性則考慮較少。傳統(tǒng)的間、套作種植制度、不同的土地利用方式等都會(huì)帶來(lái)植被的非均勻性，這種情況下不同的作物之間在水分消耗、產(chǎn)量形成等方面存在相互影響（王仰仁等，2003）。需要進(jìn)一步對(duì)非均勻植被條件下的農(nóng)田蒸散發(fā)、土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(1)(1)非均勻植被下土壤水28土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(2)(2)土壤水分隨機(jī)模擬模型研究：目前的隨機(jī)模型一般只考慮影響土壤水分變化的部分因素，如土壤參數(shù)的空間變異性或降水、蒸發(fā)的隨機(jī)性（Bierkens，2001），綜合考慮主要隨機(jī)因素的模型還不多。需要考慮不同隨機(jī)因素間的相互關(guān)系，建立全面反映隨機(jī)因素影響的隨機(jī)模擬模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(2)(2)土壤水分隨機(jī)模擬模29土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(3)(3)考慮優(yōu)先流的農(nóng)田土壤水分模擬模型：優(yōu)先流對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)變化有重要影響，目前對(duì)優(yōu)先流的機(jī)理及模型已進(jìn)行了一定的研究（?im?nek等，2003），需要進(jìn)一步將有關(guān)研究成果應(yīng)用于農(nóng)田水分模擬模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(3)(3)考慮優(yōu)先流的農(nóng)田土30土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(4)(4)土壤凍融過(guò)程中水、熱、鹽耦合運(yùn)移模型及其應(yīng)用：鹽分的存在對(duì)于土壤凍結(jié)溫度有很大影響，進(jìn)而會(huì)影響土壤凍結(jié)過(guò)程及水分遷移，同時(shí)水分遷移過(guò)程也伴隨著鹽分的遷移。利用水、熱、鹽耦合運(yùn)移模型（如Flerchinger（2000）開(kāi)發(fā)的SHAW模型）可以對(duì)不同條件下凍土水、熱、鹽遷移規(guī)律進(jìn)行深入分析，為季節(jié)性凍土區(qū)土壤次生鹽漬化的防治提供理論依據(jù)土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(4)(4)土壤凍融過(guò)程中水、31土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(5)(5)土壤水分運(yùn)動(dòng)與其它水文過(guò)程的綜合研究：在水文循環(huán)中，土壤水處于中心地位，對(duì)其它水文過(guò)程（如入滲、產(chǎn)流、蒸發(fā)、地下水運(yùn)動(dòng)等）、污染物運(yùn)移過(guò)程均有重要影響。加強(qiáng)土壤水動(dòng)態(tài)模型與其它相關(guān)模型的綜合有助于促進(jìn)水文模型研究、深化土壤水研究，例如地下水－土壤－植物－大氣連續(xù)體（GSPAC）水熱鹽運(yùn)移模型（VanDam等，2008）地表水流與飽和－非飽和土壤水流的耦合模型（Furman，2008）土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(5)(5)土壤水分運(yùn)動(dòng)與其它32土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(6)(6)氣候變化對(duì)農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化與消耗規(guī)律的影響研究。氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)及耗水特性會(huì)產(chǎn)生一定的影響（劉曉英等，2004），需要建立適合氣候變化響應(yīng)分析的農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)模擬模型，分析不同氣候變化情景下的農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化與消耗規(guī)律，為氣候變化條件下的農(nóng)田灌溉用水管理提供技術(shù)支撐土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(6)(6)氣候變化對(duì)農(nóng)田水分33土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(7)(7)林地水分動(dòng)態(tài)模擬模型：目前對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型已進(jìn)行了大量研究，但林地水分動(dòng)態(tài)模擬的相關(guān)研究相對(duì)薄弱（程根偉等，2004）。需要考慮林地與作物的相同和相異之處，在各種農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的基礎(chǔ)上建立林地水分動(dòng)態(tài)模擬模型，分析林地水分轉(zhuǎn)化與消耗規(guī)律，為林地生態(tài)用水分析及生態(tài)保護(hù)提供理論基礎(chǔ)土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(7)(7)林地水分動(dòng)態(tài)模擬模34土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性模型的分類典型模型介紹土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模36土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性土壤水分研究在水文學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的重要作用，眾多學(xué)者對(duì)土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，有必要建立土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型，以模擬土壤水分在不同自然及人為條件下的動(dòng)態(tài)變化及分布規(guī)律，進(jìn)而對(duì)農(nóng)田及天然植被耗水過(guò)程、污染物遷移過(guò)程進(jìn)行模擬分析

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的必要性土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模37土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的類型研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)模型原理：系統(tǒng)模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?、概念模型（水量平衡模型）和機(jī)理模型（水動(dòng)力學(xué)模型）是否考慮土壤水分動(dòng)態(tài)變化的不確定性：確定性模型和隨機(jī)性模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型的類型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬38研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)其相應(yīng)的空間尺度范圍分別為1～10m2、102～106m2、>106m2土體尺度，一般不考慮氣象、土壤、作物等因素的空間變異性，模型和研究方法較多樣而對(duì)于區(qū)域尺度，則需要考慮以上因素的空間變化，所采用的方法主要是水量平衡分析土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬39土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的系統(tǒng)模型、概念模型和機(jī)理模型(1)系統(tǒng)模型一般不著重考慮土壤水分動(dòng)態(tài)變化的機(jī)理，而是根據(jù)土壤水分變化與其主要影響因素的關(guān)系或土壤水分序列自身的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立各種各樣的經(jīng)驗(yàn)性模擬模型，主要包括：(a)統(tǒng)計(jì)回歸模型：通過(guò)對(duì)土壤水分與降水等影響因素的關(guān)系進(jìn)行分析，建立反映其相互關(guān)系的回歸模型進(jìn)行水分動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)報(bào)。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的系統(tǒng)模型、概念模型和機(jī)理模型土壤水動(dòng)力學(xué)S40(b)時(shí)間序列分析模型：利用時(shí)間序列分析方法研究土壤水分序列的動(dòng)態(tài)變化特性，將土壤水分的變化分解為趨勢(shì)項(xiàng)、周期項(xiàng)和隨機(jī)項(xiàng)，各項(xiàng)疊加即可對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬。(c)指數(shù)消退模型：通過(guò)對(duì)土壤水分消退規(guī)律的分析可以建立土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的指數(shù)消退模型。(d)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型：利用ANN結(jié)構(gòu)來(lái)反映氣象、作物等因素對(duì)土壤水分變化的影響，建立土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的ANN模型。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介(b)時(shí)間序列分析模型：利用時(shí)間序列分析方法研究土壤水分序41(2)概念模型水量平衡模型是一種概念性模型，根據(jù)一定時(shí)段內(nèi)土壤水分的輸入和輸出來(lái)模擬作物根系層土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

農(nóng)田水量平衡的基本方程：ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R

水量平衡模型考慮了農(nóng)田水分收、支對(duì)土壤水分的影響，但對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)考慮不夠深入。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介(2)概念模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介42(3)水動(dòng)力學(xué)模型在Darcy定律和連續(xù)方程基礎(chǔ)上建立土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程——Richards方程，同時(shí)考慮土壤蒸發(fā)、作物蒸騰與根系吸水等界面過(guò)程，可建立農(nóng)田土壤水動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)考慮問(wèn)題的復(fù)雜程度，可以有單純的不考慮作物影響的SW模型，SPAC水分傳輸模型、SPAC水熱傳輸模型、GSPAC水熱傳輸模型、土壤凍融過(guò)程下的水熱傳輸模型以及土壤中的水熱鹽耦合運(yùn)移模型等等。與土壤水量平衡模型相比，偏微分方程形式的土壤水動(dòng)力學(xué)模型可以更細(xì)致地描述土壤水的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)化，得到土壤水分動(dòng)態(tài)的時(shí)空分布規(guī)律。實(shí)際情況下，多采用數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行求解土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介(3)水動(dòng)力學(xué)模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)43土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的確定性模型和隨機(jī)性模型（1）確定性模型影響農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)變化的因素（氣象、土壤等）在時(shí)間、空間上均有一定的隨機(jī)特性。如果不考慮上述因素的隨機(jī)性，則模型屬于確定性模型，目前常用的水量平衡模型和水動(dòng)力學(xué)模型多為確定性模型，適用于下墊面（土壤、作物等）均勻、氣象要素確定的情況。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的確定性模型和隨機(jī)性模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土44（2）隨機(jī)性模型考慮農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)變化的因素（氣象、土壤等）在時(shí)間、空間上的隨機(jī)特性，建立的模型。對(duì)于時(shí)域隨機(jī)性，首先用適當(dāng)?shù)碾S機(jī)過(guò)程模型來(lái)描述降水、騰發(fā)等的隨機(jī)變化特性。然后建立描述土壤水量平衡或水分運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)微分（差分）方程模型或狀態(tài)空間模型，可以求解得到土壤水分動(dòng)態(tài)的概率分布。對(duì)于空間變異性有兩種處理方法，a.分布式模型方法，b.利用概率分布函數(shù)描述有關(guān)模型輸入及參數(shù)的空間變異特性。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介（2）隨機(jī)性模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介45模型推導(dǎo)：土壤水分的減少是由蒸散發(fā)和深層滲漏造成的，而一般情況下下邊界水分通量比蒸散發(fā)量要小。在土壤水分脅迫條件下，蒸散發(fā)量與土壤含水量之間近似為線性關(guān)系?；诖耍僭O(shè)土壤水分消退階段水分消退率與貯水量W成正比，即

積分得到：W(t)＝W1

exp[－k(t－t1)]考慮降水及灌水的影響，土壤水分變化的遞推關(guān)系（以天為單位）可表示為Wt+1＝Wt·exp(－kΔt)＋P＋I(xiàn)典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介模型推導(dǎo)：典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型土壤水動(dòng)力學(xué)S46土壤水分消退指數(shù)的確定方法模型的主要參數(shù)為土壤水分消退指數(shù)k。在無(wú)降水及灌水的時(shí)段內(nèi)，k可由土壤水分觀測(cè)資料推求：k＝ln(W1/W2)/(t2－t1)典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分消退指數(shù)的確定方法典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型47指數(shù)消退模型在冬小麥田間土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用利用北京永樂(lè)店試驗(yàn)站6試驗(yàn)小區(qū)冬小麥田間土壤水分觀測(cè)資料，計(jì)算出相應(yīng)的土壤水分消退指數(shù)(如圖)，擬合得到：土壤水分消退指數(shù)k動(dòng)態(tài)變化（冬小麥返青后）典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介指數(shù)消退模型在冬小麥田間土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用土壤水分消退48土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果利用以上計(jì)算出不同時(shí)段的土壤水分消退指數(shù)k，并利用以上土壤水分動(dòng)態(tài)變化的遞推關(guān)系式即可進(jìn)行土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)不同小區(qū)1m土層貯水量（W）實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值的比較

典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果不同小區(qū)1m土層貯水量（W）實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)49模型特點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單、參數(shù)較少，使用方便；主要局限性：模型中土壤消退系數(shù)地域、時(shí)域性較強(qiáng)。因此在應(yīng)用這一模型時(shí)，可先根據(jù)其它年份的試驗(yàn)資料或部分測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)資料推求土壤水分消退指數(shù)，再用于相似條件下的土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型

土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介模型特點(diǎn)：典型模型1——土壤水分指數(shù)消退模型土壤水動(dòng)力學(xué)S50典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificialneuralnetwork,ANN）理論—

是人工智能研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。ANN是模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能特征的一種非線性信息并行處理系統(tǒng)，是由大量的處理單元（人工神經(jīng)元）相互連接而成的網(wǎng)絡(luò)。ANN具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織等特性，目前已在系統(tǒng)預(yù)測(cè)、系統(tǒng)優(yōu)化、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

BP(back-propagation)網(wǎng)絡(luò)模型—

是一種基于誤差反向傳播的多層前饋型網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最為廣泛的ANN模型之一。土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（art51BP-ANN結(jié)構(gòu)：三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：輸入層：Xn隱含層：Hq輸出層：Ym誤差：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練（模型率定）：

輸入信息的正向傳播過(guò)程和誤差的反向傳播過(guò)程

。步驟：（1）隨機(jī)產(chǎn)生初始權(quán)重和閾值

（2)逐層處理計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)的輸出（3）計(jì)算輸出與實(shí)測(cè)值間的誤差（4）根據(jù)誤差調(diào)整權(quán)重和閾值土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介BP-ANN結(jié)構(gòu)：三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：誤差：典型模型2——土壤水分52W2-W1=P+I–(ET+Q)ΔtET=KsKcET0

Q=f(W)輸入：時(shí)間t時(shí)段長(zhǎng)Δt階段降水灌水總量PI階段平均氣溫T時(shí)段初貯水量W1輸出：時(shí)段末貯水量W2典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型輸入輸出變量的確定：土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介W2-W1=P+I–(ET+Q)Δt輸53預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水54C1：F4：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介C1：典型模型2——土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動(dòng)力學(xué)S55ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R騰發(fā)量：ET=KsETm，ETm=KcET0

ET0：Penman-Monteith公式Kc：Ks：典型模型3——水量平衡模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R典型模型3——水量平衡56ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R根系層底部水分交換量：簡(jiǎn)化法（近似認(rèn)為Q=0）零通量面法經(jīng)驗(yàn)方法：典型模型3——水量平衡模型參數(shù)：根據(jù)實(shí)測(cè)資料率定

Wj，n（土壤供水系數(shù)）

Kcm，tm，c（作物系數(shù)）

a，d（下界面通量）土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R典型模型3——水量平衡57典型模型3——水量平衡模型(a)A1小區(qū)（灌水4次）(b)B1小區(qū)（灌水3次）(c)C1小區(qū)（灌水2次）(d)D1小區(qū)（灌水2次）模擬結(jié)果：北京永樂(lè)店試驗(yàn)站1999年土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型3——水量平衡模型(a)A1小區(qū)（灌水4次）58典型模型3——水量平衡模型永樂(lè)店試驗(yàn)站冬小麥返青后騰發(fā)量ET、土壤水利用量Su與降水灌溉總量的關(guān)系土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型3——水量平衡模型永樂(lè)店試驗(yàn)站冬小麥返青后騰發(fā)量ET59典型模型4——機(jī)理模型具體模型已講，求解方法（數(shù)值模擬方法）待續(xù)土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介典型模型4——機(jī)理模型土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型60土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向目前農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)模擬模型多是對(duì)土體尺度進(jìn)行的，其中部分考慮土壤質(zhì)地、土壤水分特性等參數(shù)空間變異性的模型可以用于農(nóng)田或區(qū)域尺度。從理論和應(yīng)用的角度來(lái)看，土壤水分模擬和預(yù)報(bào)模型都需要進(jìn)一步的研究。主要表現(xiàn)在：土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向目前農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)模擬模型多是對(duì)土61土壤水動(dòng)態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(1)(1)非均勻植被下土壤水分模擬與預(yù)報(bào)：已有的研究考慮了土壤特性等的空間變異性，而對(duì)植被的非均勻性則考慮較少。傳統(tǒng)的間、套作種植制度、不同的土地利用方式等都會(huì)帶來(lái)植被的非均勻性，這種情況下不同的作物之間在水分消耗、產(chǎn)量形成等方面存在相互影響（王仰仁等，2003）。需要進(jìn)一步對(duì)非均勻植被條件下的農(nóng)田蒸散發(fā)、土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究土壤水動(dòng)力學(xué)SWD土壤水分動(dòng)態(tài)模擬模型簡(jiǎn)介土壤水動(dòng)態(tài)