土壤水分動態(tài)模擬模型及其應(yīng)用

前言

　　土壤水是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶，是農(nóng)作物、林草等植物耗水的主要來源，同時與土壤中的鹽分、污染物運(yùn)移密切相關(guān)。因此土壤水分與水文循環(huán)、植物耗水及生長、土壤及地下水環(huán)境等有密切的關(guān)系，土壤水動態(tài)變化規(guī)律是水文學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科共同關(guān)注的領(lǐng)域?！　”緯髡呓陙硪恢睆氖峦寥浪畡恿W(xué)等領(lǐng)域的研究工作。尚松浩、毛曉敏在清華大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，在雷志棟教授、楊詩秀教授指導(dǎo)下分別從事凍土水熱耦合遷移和土壤一植物一大氣連續(xù)體（SPAC）水熱遷移研究工作，取得了一定研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果構(gòu)成了本書第6章和第8章的基礎(chǔ)。此后，我們繼續(xù)從事土壤水動態(tài)模擬方面的研究工作，對土壤水動態(tài)模擬模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，根據(jù)不同的應(yīng)用條件和目的建立了一系列土壤水動態(tài)模擬模型，包括指數(shù)消退模型和BP網(wǎng)絡(luò)模型兩個經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，水量平衡模型以及裸地、凍土、植物生長條件下的土壤水動力學(xué)模型和水熱耦合傳輸模型。不同的模型在反映土壤水分運(yùn)動機(jī)理、模擬需要的基本資料、模擬結(jié)果及其可能的應(yīng)用等方面有所差別。利用這些模型，可以對一定條件下的土壤水分動態(tài)變化過程進(jìn)行模擬和預(yù)報，分析不同情況下的農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化與消耗規(guī)律，并可用于農(nóng)田灌溉預(yù)報或作物非充分灌溉制度優(yōu)化。　　本書系統(tǒng)總結(jié)了作者10余年來在土壤水動態(tài)模擬模型及其應(yīng)用方面所取得的研究成果。書中除第1章（概述）和第9章（結(jié)論與展望）外，其余7章每章包括1個模型（分別為指數(shù)消退模型、BP網(wǎng)絡(luò)模型、水量平衡模型、裸地土壤水動力學(xué)模型、凍土水熱耦合遷移模型、SPAC水分運(yùn)移模型、SPAC水熱合傳輸模型）。由于研究工作是在10余年間多人合作完成的，不同模型中所采用的物理量符號不完全一致，在本書撰寫過程中做了統(tǒng)一處理。為便于閱讀，在目錄前附有主要符號表。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)總結(jié)了作者十余年來在土壤水分動態(tài)模擬模型及其應(yīng)用方面的研究成果，主要模型包括指數(shù)消退模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、水量平衡模型、凍融期土壤水熱耦合傳輸模型、土壤－植物－大氣連續(xù)體（SPAC）水分運(yùn)移模型、SPAC水熱耦合傳輸模型，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括土壤水分動態(tài)變化過程模擬分析、農(nóng)田水分消耗與轉(zhuǎn)化規(guī)律分析、農(nóng)田水分合理調(diào)控與優(yōu)化灌溉制度等。    本書可作為水文學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)水土工程等學(xué)科研究生的教學(xué)參考書，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言主要符號列表第1章  概述　1.1  土壤水研究的背景與意義　1.2  土壤水分動態(tài)模擬模型的類型　1.3  現(xiàn)場試驗(yàn)基本情況與本書主要模型簡介第2章  土壤水分指數(shù)消退模型及其應(yīng)用　2.1  土壤水分的指數(shù)消退模型　2.2  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　2.3  小結(jié)第3章  土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型及其應(yīng)用　3.1  BP網(wǎng)絡(luò)與BP算法　3.2  BP網(wǎng)絡(luò)模型在土壤水分動態(tài)模擬預(yù)報中的應(yīng)用　3.3  小結(jié)第4章  農(nóng)田土壤水量平衡模型及其應(yīng)用　4.1  農(nóng)田土壤水量平衡模型　4.2  北京與晉中冬小麥田間水量平衡模擬分析　4.3  農(nóng)田水量平衡模型在作物非充分灌溉制度優(yōu)化中的應(yīng)用　4.4  小結(jié)第5章  裸地土壤水動力學(xué)模型及其應(yīng)用　5.1  裸地土壤水動力學(xué)模型　5.2  土壤水動力學(xué)模型的數(shù)值計算方法　5.3  降水人滲過程的數(shù)值模擬　5.4  蒸發(fā)條件下土壤水熱傳輸?shù)臄?shù)值模擬　5.5  小結(jié)第6章  凍土水熱耦合遷移模型及其應(yīng)用　6.1  凍土水熱遷移模型及其數(shù)值計算方法　6.2  凍土水熱特性參數(shù)　6.3  地下水位恒定情況下凍土水熱遷移模擬分析　6.4  地下水位變化情況下凍土水熱遷移模擬分析　6.5  蒸發(fā)條件下凍土水熱遷移模擬分析　6.6  小結(jié)第7章  農(nóng)田SPAC水分運(yùn)移模型及其應(yīng)用　7.1  作物生長條件下農(nóng)田SPAC水分運(yùn)移模型　7.2  模型檢驗(yàn)及模擬分析　7.3  北京冬小麥－夏玉米灌溉制度與土壤水動態(tài)模擬分析　7.4  小結(jié)第8章  農(nóng)田SPAC水熱傳輸模型及其應(yīng)用　8.1  水分脅迫條件下SPAC水熱傳輸模型的建立　8.2  SPAC水熱傳輸模型的求解　8.3  北京冬小麥田間水熱傳輸模擬分析　8.4  新疆葉爾羌河綠洲冬小麥動態(tài)耗水規(guī)律模擬分析　8.5  新疆葉爾羌河綠洲地下水淺埋區(qū)農(nóng)田水熱傳輸模擬分析　8.6  小結(jié)第9章  結(jié)論與展望　9.1  土壤水動態(tài)模擬模型　9.2  土壤水動態(tài)模擬模型的應(yīng)用　9.3  土壤水動態(tài)模擬模型的發(fā)展方向參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第3章　土壤水分模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型及其應(yīng)用　　第2章建立的土壤水分動態(tài)指數(shù)消退模型考慮了土壤水分消退指數(shù)隨時間的變化。事實(shí)上，決定土壤水分消退過程的蒸散發(fā)、下邊界水分通量等與氣象、土壤水分等因子之間存在較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，致使土壤水分變化規(guī)律也比較復(fù)雜。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的前饋型反向傳播網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)）具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和處理非線性問題能力，近年來在有關(guān)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本章建立了土壤水分狀況與其主要影響因素間的BP網(wǎng)絡(luò)模型（尚松浩等，2002），利用田間試驗(yàn)資料對模型進(jìn)行了率定和檢驗(yàn)，表明BP網(wǎng)絡(luò)用于土壤水分動態(tài)模擬及預(yù)報是可行的。　　3.1　BP網(wǎng)絡(luò)與BP算法　　3.1.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)　　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。

編輯推薦

　　《土壤水分動態(tài)模擬模型及其應(yīng)用》可作為水文學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)水土工程等學(xué)科研究生的教學(xué)參考書，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。土壤水是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶，是農(nóng)作物、林草等植物耗水的主要來源，同時與土壤中的鹽分、污染物運(yùn)移密切相關(guān)。因此土壤水分與水文循環(huán)、植物耗水及生長、土壤及地下水環(huán)境等有密切的關(guān)系，土壤水動態(tài)變化規(guī)律是水文學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科共同關(guān)注的領(lǐng)域?！锻寥浪謩討B(tài)模擬模型及其應(yīng)用》系統(tǒng)總結(jié)了作者10余年來在土壤水動態(tài)模擬模型及其應(yīng)用方面所取得的研究成果。主要模型包括指數(shù)消退模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、水量平衡模型、凍融期土壤水熱耦合傳輸模型、SPAC水熱耦合傳輸模型等。

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