農(nóng)田水力參數(shù)預(yù)測(cè)及畦灌水分管理模型

本書(shū)共6章，對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的闡述，構(gòu)建了土壤水分特征曲線、非飽和導(dǎo)水率和擴(kuò)散率的預(yù)測(cè)模型，在模型優(yōu)選的基礎(chǔ)上給出了適用于黃土區(qū)水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取的最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，并建立了畦灌水分管理一體化模型。
本書(shū)具有較強(qiáng)的專業(yè)性與參考價(jià)值，可供水力運(yùn)動(dòng)、水土環(huán)境控制、農(nóng)業(yè)灌溉等方面的科研人員、技術(shù)人員、管理人員參考，也可供高等學(xué)校生態(tài)環(huán)境類、水文地質(zhì)類、農(nóng)業(yè)類及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

秦文靜，女，1989年生，山西省孝義市人，工學(xué)博士，講師?，F(xiàn)于太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院任教，長(zhǎng)期從事水利工程管理方面的教學(xué)和科學(xué)研究工作。主持、參與國(guó)家級(jí)、教育部、省科技廳、省水利廳、省教育廳科研項(xiàng)目十余項(xiàng)，發(fā)表論文十余篇。

1.土壤水力參數(shù)是土壤重要的物理性質(zhì)，其基礎(chǔ)性研究有助于了解土壤水分調(diào)控、合理開(kāi)發(fā)和科學(xué)管理水資源、改良土壤、改善水土環(huán)境。 2.本書(shū)以黃土土壤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，建立了水分特征曲線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)傳遞函數(shù)、非飽和導(dǎo)水率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)傳遞函數(shù)、擴(kuò)散率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)傳遞函數(shù)，探討了溫度對(duì)黃土土壤水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。 3.本書(shū)內(nèi)容可為黃土地區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)、降雨入滲補(bǔ)給及地下水潛水的入滲補(bǔ)給和消耗、節(jié)水灌溉、土壤溶質(zhì)運(yùn)移、農(nóng)業(yè)污染等問(wèn)題的研究和應(yīng)用等提供基礎(chǔ)參數(shù)。

我國(guó)人口基數(shù)龐大，隨著人口數(shù)量逐年增加、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，糧食供應(yīng)需求也不斷增長(zhǎng)，相應(yīng)的農(nóng)業(yè)用水量也不斷增加。2021 年，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量為3644.3 億立方米，占用水總量的61.5%。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水效率較低，在耕地面積減少的趨勢(shì)依舊存在又要保證糧食產(chǎn)量的前提下，提高耕作土壤灌溉水分利用效率，不僅是農(nóng)業(yè)節(jié)水面對(duì)的實(shí)際難題，也是保障我國(guó)糧食產(chǎn)量的關(guān)鍵問(wèn)題。節(jié)水灌溉是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要方面。隨著我國(guó)大中型灌區(qū)的現(xiàn)代化改造，耕地灌溉畝用水量由492m3 下降到355m3，農(nóng)田灌溉水利用效率從不足0.5 提高到0.568?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉主要包括輸水環(huán)節(jié)節(jié)灌和田間節(jié)灌兩個(gè)方面。輸水環(huán)節(jié)節(jié)灌發(fā)展相對(duì)充分，但田間節(jié)灌發(fā)展不足，而田間節(jié)灌的根本在于對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究。
山西省是黃土高原的一部分，屬于典型的半干旱半濕潤(rùn)溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)，人均水資源占有量只有全國(guó)平均水平的1/5。畦灌作為小麥、谷子等密植作物普遍采用的灌水方法，灌水技術(shù)便于廣大農(nóng)民掌握應(yīng)用，適用范圍廣，在水源充足的情況下，可有效保障作物生長(zhǎng)需求，是目前世界范圍內(nèi)主要的地面灌水方式之一。然而，相對(duì)于噴灌、滴灌和地下灌溉等灌水方式，限于灌水過(guò)程和方法的差異，畦灌田間水利用系數(shù)較低。由于畦田規(guī)格不合理、土地平整性差、灌水技術(shù)參數(shù)盲目選取，造成畦田受水不均、跑水、深層滲漏、土壤次生鹽堿化等不良灌水現(xiàn)象普遍存在。
在此背景下，本書(shū)基于田間原狀黃土土樣低吸力階段土壤水力參數(shù)測(cè)定、土壤常規(guī)理化參數(shù)系列試驗(yàn)、大田灌水試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了原狀黃土非飽和導(dǎo)水率和土壤水分特征曲線的主要影響因素；建立了以原狀黃土土壤理化參數(shù)為自變量的土壤水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型參數(shù)預(yù)測(cè)模型；探討了溫度對(duì)原狀黃土非飽和導(dǎo)水率和土壤水分特征曲線的影響；構(gòu)建了耦合水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)、地面畦灌灌水過(guò)程和灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的畦灌水分管理一體化模型。研究成果對(duì)山西省提高農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用效率、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
本書(shū)的出版深受山西省科學(xué)技術(shù)廳、山西省教育廳、山西省水利廳對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究理念的影響及其大力支持，在本書(shū)所依托項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，獲得了各廳局、試驗(yàn)站的領(lǐng)導(dǎo)和同志的無(wú)私幫助，在此向他們表示深深的感謝。另外還要感謝為本書(shū)的野外試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)及模型構(gòu)建付出辛勤勞動(dòng)的老師和同學(xué)們，及為本書(shū)提供過(guò)幫助、支持和服務(wù)的所有人員。
限于作者水平及撰寫(xiě)時(shí)間，書(shū)中難免有不足或疏漏之處，懇請(qǐng)讀者賜教并指正。

作者
2023年3月

第1章　概述 1
1.1 土壤水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)研究背景 2
1.2 水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)的意義 2
1.3 水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)研究動(dòng)態(tài) 3
1.3.1　土壤非飽和導(dǎo)水率獲取方法研究進(jìn)展 5
1.3.2　土壤水分特征曲線獲取方法研究進(jìn)展 6
1.3.3　水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響因素研究進(jìn)展 12
1.3.4　壤傳遞函數(shù)研究進(jìn)展 15
1.3.5 非飽和土壤水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞函數(shù)需完善和解決的問(wèn)題 20
1.4 構(gòu)建水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)土壤傳遞函數(shù)的方案 20
1.4.1　研究?jī)?nèi)容 20
1.4.2　術(shù)路線 21

第2章　試驗(yàn)條件與方法 24
2.1 取樣點(diǎn)布設(shè) 25
2.2 研究區(qū)試驗(yàn)條件 26
2.2.1　供試材料 26
2.2.2　試驗(yàn)儀器設(shè)備與測(cè)定方法 29
2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 33

第3章　樣本數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建及參數(shù)預(yù)測(cè)方法 35
3.1 樣本數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建 36
3.1.1　非飽和導(dǎo)水率樣本數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建 36
3.1.2　土壤水分特征曲線樣本數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建 37
3.1.3　擴(kuò)散率樣本數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建 38
3.2 參數(shù)預(yù)測(cè)方法 38
3.2.1　多元非線性模型 38
3.2.2　基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 39
3.2.3　基于粒子群優(yōu)化算法的支持向量機(jī)模型 43
3.3 模型優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn) 46

第4章　預(yù)測(cè)模型 49
4.1 非飽和導(dǎo)水率預(yù)測(cè)模型 50
4.1.1　主導(dǎo)因素分析 50
4.1.2 自變量的確定 58
4.1.3　GA-BP預(yù)測(cè)模型 59
4.1.4　PSO-SVM預(yù)測(cè)模型 66
4.1.5　預(yù)測(cè)模型優(yōu)選 72
4.2 土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)模型 76
4.2.1　主導(dǎo)因素分析 77
4.2.2　自變量的確定 86
4.2.3　非線性模型預(yù)測(cè) 87
4.2.4　GA-BP預(yù)測(cè)模型 93
4.2.5　PSO-SVM預(yù)測(cè)模型 99
4.2.6　預(yù)測(cè)模型優(yōu)選 105
4.3 擴(kuò)散率預(yù)測(cè)模型 111
4.3.1　自變量的確定 111
4.3.2　GA-BP預(yù)測(cè)模型 112
4.3.3　PSO-SVM預(yù)測(cè)模型 114
4.3.4　預(yù)測(cè)模型優(yōu)選 116

第5章　溫度對(duì)土壤水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響 120
5.1 溫度對(duì)土壤非飽和導(dǎo)水率的影響 121
5.1.1 影響分析及其數(shù)量關(guān)系的確定 121
5.1.2　預(yù)測(cè)模型優(yōu)選 123
5.2 溫度對(duì)土壤水分特征曲線的影響 125
5.2.1 影響分析及其數(shù)量關(guān)系的確定 125
5.2.2　預(yù)測(cè)模型優(yōu)選 130

第6章　畦灌水分管理一體化模型 132
6.1 材料與方法 134
6.2 畦灌水分管理一體化模型構(gòu)建 135
6.2.1　土壤水力參數(shù)預(yù)測(cè)模型 135
6.2.2　地面畦灌灌水過(guò)程模擬 138
6.2.3　灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化模型 141
6.2.4　模型耦合 143
6.3 應(yīng)用實(shí)例 145

參考文獻(xiàn) 148