土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介課件

1、土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分動態(tài)模擬模型的必要性模型的分類典型模型介紹土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分動態(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)者對土壤水分變化規(guī)律進行深入研究，有必要建立土壤水分動態(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態(tài)變化及分布規(guī)律，進而對農(nóng)田及天然植被耗水過程、污染物遷移過程進行模擬分析 土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分動態(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?zāi)Ｐ停?、概念模型（水量平衡?/p>

2、型）和機理模型（水動力學(xué)模型）是否考慮土壤水分動態(tài)變化的不確定性：確定性模型和隨機性模型土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介研究尺度：土體、農(nóng)田、灌區(qū)其相應(yīng)的空間尺度范圍分別為110 m2、102106 m2、106 m2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力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分動態(tài)模擬的系統(tǒng)模型、概念模型和機理模型(1) 系統(tǒng)模型一般不著重考慮土壤水分動態(tài)變化的機理，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態(tài)變化規(guī)律，建

3、立各種各樣的經(jīng)驗性模擬模型，主要包括：(a) 統(tǒng)計回歸模型：通過對土壤水分與降水等影響因素的關(guān)系進行分析，建立反映其相互關(guān)系的回歸模型進行水分動態(tài)模擬與預(yù)報。土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介(b) 時間序列分析模型：利用時間序列分析方法研究土壤水分序列的動態(tài)變化特性，將土壤水分的變化分解為趨勢項、周期項和隨機項，各項疊加即可對土壤水分動態(tài)變化進行模擬。(c) 指數(shù)消退模型：通過對土壤水分消退規(guī)律的分析可以建立土壤水分動態(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)來反映氣象、作物等因素對土壤水分變化的影響，建立土壤水分動態(tài)模擬的ANN模型。土壤水動力學(xué)SWD

4、土壤水分動態(tài)模擬模型簡介(2) 概念模型水量平衡模型是一種概念性模型，根據(jù)一定時段內(nèi)土壤水分的輸入和輸出來模擬作物根系層土壤水分的動態(tài)變化。 農(nóng)田水量平衡的基本方程： W=W2-W1=P+I-ET-Q-R 水量平衡模型考慮了農(nóng)田水分收、支對土壤水分的影響，但對土壤水分運動考慮不夠深入。土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介(3) 水動力學(xué)模型在Darcy定律和連續(xù)方程基礎(chǔ)上建立土壤水運動的基本方程Richards方程，同時考慮土壤蒸發(fā)、作物蒸騰與根系吸水等界面過程，可建立農(nóng)田土壤水動力學(xué)模型。根據(jù)考慮問題的復(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

5、輸模型、GSPAC水熱傳輸模型、土壤凍融過程下的水熱傳輸模型以及土壤中的水熱鹽耦合運移模型等等。與土壤水量平衡模型相比，偏微分方程形式的土壤水動力學(xué)模型可以更細致地描述土壤水的運動與轉(zhuǎn)化，得到土壤水分動態(tài)的時空分布規(guī)律。實際情況下，多采用數(shù)值方法來進行求解土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分動態(tài)模擬的確定性模型和隨機性模型（1）確定性模型影響農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化的因素（氣象、土壤等）在時間、空間上均有一定的隨機特性。如果不考慮上述因素的隨機性，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。土壤水動力

6、學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介（2）隨機性模型考慮農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化的因素（氣象、土壤等）在時間、空間上的隨機特性，建立的模型。對于時域隨機性，首先用適當(dāng)?shù)碾S機過程模型來描述降水、騰發(fā)等的隨機變化特性。然后建立描述土壤水量平衡或水分運動的隨機微分（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態(tài)的概率分布。對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。土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介模型推導(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

7、含水量之間近似為線性關(guān)系?；诖?，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 expk(tt1)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+1Wtexp (kt)PI典型模型1土壤水分指數(shù)消退模型 土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分消退指數(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。在無降水及灌水的時段內(nèi)， k可由土壤水分觀測資料推求：kln(W1/W2)/(t2t1)典型模型1土壤水分指數(shù)消退模型 土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介指數(shù)消退模型在冬小麥田間土壤水分動態(tài)預(yù)報中的應(yīng)用利用北京永樂店試驗站6試驗

8、小區(qū)冬小麥田間土壤水分觀測資料，計算出相應(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 土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水分動態(tài)預(yù)報結(jié)果利用以上計算出不同時段的土壤水分消退指數(shù)k，并利用以上土壤水分動態(tài)變化的遞推關(guān)系式即可進行土壤水分動態(tài)預(yù)報不同小區(qū)1m土層貯水量（W）實測值與預(yù)報值的比較 典型模型1土壤水分指數(shù)消退模型 土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介模型特點：比較簡單、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、時域性較強。因此在應(yīng)用這一模型時，可先根據(jù)其它年份的試驗資料或部分測點的試驗資

9、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態(tài)預(yù)報典型模型1土壤水分指數(shù)消退模型 土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介典型模型2土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network, ANN）理論 是人工智能研究的一個重要領(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、系統(tǒng)優(yōu)化、模式識別、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)，

10、是目前應(yīng)用最為廣泛的ANN模型之一。土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介BP-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程和誤差的反向傳播過程 。步驟： （1）隨機產(chǎn)生初始權(quán)重和閾值 （2) 逐層處理計算得到網(wǎng)絡(luò)的輸出（3）計算輸出與實測值間的誤差（4）根據(jù)誤差調(diào)整權(quán)重和閾值土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介W2 - W1 = P + I (ET + Q)t ET = Ks Kc ET0 Q=f(W)輸入：時間t時段長t階段降水灌水總量PI階段平均氣溫T時段初貯水量W1

11、輸出： 時段末貯水量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：土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計：典型模型2土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介C1：F4：典型模型2土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介W=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力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介W=W2-W1=P+I-ET-Q-R根系層底部水分交換量：簡化法（近似認為Q=0）零通量面法

12、經(jīng)驗方法：典型模型3水量平衡模型參數(shù)：根據(jù)實測資料率定 Wj，n （土壤供水系數(shù)） Kcm，tm，c （作物系數(shù)） a，d （下界面通量）土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介典型模型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：北京永樂店試驗站1999年土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介典型模型3水量平衡模型永樂店試驗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)系土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介典型模型4機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

13、力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向目前農(nóng)田水分動態(tài)模擬模型多是對土體尺度進行的，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)用的角度來看，土壤水分模擬和預(yù)報模型都需要進一步的研究。主要表現(xiàn)在：土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(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：已有的研究考慮了土壤特性等的空間變異性，而對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帶來植被的非均勻性，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，200

14、3）。需要進一步對非均勻植被條件下的農(nóng)田蒸散發(fā)、土壤水分動態(tài)變化進行研究土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(2)(2) 土壤水分隨機模擬模型研究：目前的隨機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)的隨機性（Bierkens，2001），綜合考慮主要隨機因素的模型還不多。需要考慮不同隨機因素間的相互關(guān)系，建立全面反映隨機因素影響的隨機模擬模型土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(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)先流對農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化有重要影響，目前對優(yōu)先流的機理及模型已進

15、行了一定的研究（imnek等，2003），需要進一步將有關(guān)研究成果應(yīng)用于農(nóng)田水分模擬模型土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(4)(4) 土壤凍融過程中水、熱、鹽耦合運移模型及其應(yīng)用：鹽分的存在對于土壤凍結(jié)溫度有很大影響，進而會影響土壤凍結(jié)過程及水分遷移，同時水分遷移過程也伴隨著鹽分的遷移。利用水、熱、鹽耦合運移模型（如Flerchinger（2000）開發(fā)的SHAW模型）可以對不同條件下凍土水、熱、鹽遷移規(guī)律進行深入分析，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)土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(5)(5) 土壤水分

16、運動與其它水文過程的綜合研究：在水文循環(huán)中，土壤水處于中心地位，對其它水文過程（如入滲、產(chǎn)流、蒸發(fā)、地下水運動等）、污染物運移過程均有重要影響。加強土壤水動態(tài)模型與其它相關(guān)模型的綜合有助于促進水文模型研究、深化土壤水研究，例如地下水土壤植物大氣連續(xù)體（GSPAC）水熱鹽運移模型（Van Dam等，2008）地表水流與飽和非飽和土壤水流的耦合模型（Furman，2008）土壤水動力學(xué)SWD土壤水分動態(tài)模擬模型簡介土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向(6)(6) 氣候變化對農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化與消耗規(guī)律的影響研究。氣候變化對作物生長及耗水特性會產(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)田水分動態(tài)模擬模型，分析不同氣候