坡面入渗的人工神经网络模型研究

根据野外人工模拟降雨试验得到的不同耕作措施下坡面土壤入渗实测资料，引入人工神经网络建模方法，建立了不同耕作措施，如等高耕作、人工掏挖、人工锄耕和直线坡条件下坡面入渗BP网络模型，并利用实测资料对网络进行了训练和预测，取得了较好的结果，说明该模型的建立与求解为复杂坡面土壤入渗规律的研究提供了一条新途径。     

黄土区不同土地利用方式下径流量的神经网络模拟

基于黄土坡面降雨径流关系的复杂性且非线性特性。引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地利用方式（草灌地、刈割地、翻耕地）径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量,并利用野外人工模拟降雨试验所得到不同降雨强度下各类土地利用径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练和预测,取得了较好的结果,平均误差不超过10％。研究结果表明,与传统回归统计方法进行了,误差比较,该模型的预测精度更高。     

黄土高原主要秋作物坡地降雨入渗特征参数研究

为揭示作物覆盖条件下坡耕地降雨入渗特征,以黄土高原3种典型秋作物(玉米、大豆和谷子)为对象,在3°~15°的坡地径流小区上,采用人工模拟降雨和水量平衡的方法,分析了作物全生育期降雨入渗过程中初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量的数量特征及影响因素。结果表明:(1)作物坡地的降雨入渗过程随降雨历时的延长,入渗量呈由高到低的变化,波动性明显;(2)作物坡地的初始入渗率、平均入渗率和累积入渗量均高于裸坡地,而稳定入渗率除玉米坡地较大外,其余差异不大,4个参数值基本上与降雨强度和叶面积指数的增大成正比,与坡度成反比;(3)基于降雨强度、坡度及叶面积指数,通过多元回归分析建立了土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量多元回归模型,为入渗过程模拟提供了基础。     

产流积水法测量降雨侵蚀影响下坡地土壤入渗性能

坡地土壤降雨入渗性能与下垫面对降雨的再分配过程密切相关。该文提出了测量坡地降雨条件下土壤入渗能力的产流积水法。由水量平衡原理，根据径流在坡面上推进的过程和积水情况下积水深度随时间变化的过程，推导得到了计算土壤入渗性能的数学模型。采用两种工况：1)雨强为60 mm/h、坡度5°、径流面与入渗面长度比为1∶2；2)雨强30 mm/h、坡度20°、径流面与入渗面长度比为1∶1。进行室内试验，计算得到了两种工况的入渗性能曲线。分析了这种新型测量方法和计算模型的合理性。将时段降雨量和累计入渗量进行对比，估计了两种工况的测量误差。该方法可以克服传统的降雨器和双环入渗仪方法的不足，用于测量坡地降雨、径流、土壤侵蚀等因素影响下的整个降雨入渗性能过程曲线。为相关研究提供有力的工具。     

黄土区不同土地经营方式径流量神经网络模拟

基于黄土坡面降雨—径流关系的复杂性和非线性,引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地经营方式(草灌地、刈割地、翻耕地)径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量。利用野外人工模拟降雨试验所得到的不同降雨强度下各类土地经营径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练并预测,径流量平均误差不超过10%,且径流量较大的翻耕地训练精度及预测结果较草灌地、刈割准确性更高些。与传统回归统计方法进行了误差比较,结果表明,该模型能更好地预测次降雨的径流量。     

降雨强度对黄土区不同土地利用类型入渗影响的试验研究

降水入渗规律的研究可为流域水文过程的预测和评价提供重要的科学依据。通过野外人工模拟降雨的试验方法,研究了短历时暴雨条件下,不同降雨强度对林灌地、封禁草灌地以及裸露农地3种不同土地利用类型下土壤入渗的影响。试验结果表明:不同土地利用类型之间,林灌地和封禁草灌地的土壤入渗速率差异不明显,而与裸露农地之间的差异显著,且前者具有较大的入渗速率,后者入渗速率较小;在不同降雨强度下,林灌地和封禁草灌地的土壤水分入渗速率有随雨强增大而增大的趋势,对于坡耕裸地,随着雨强的增大,土壤水分入渗速率有降低的趋势;通过对试验数据的回归分析,建立了林灌地和封禁草灌地在短历时暴雨条件下的土壤水分入渗经验模型。     

半干旱典型草原区退耕地土壤结构特征及其对入渗的影响

坡地土壤降雨入渗、径流和侵蚀过程与土壤结构密切相关.试验样地为宁夏固原云雾山自然保护区的坡耕地、退耕6a、退耕11 a(前8 a放牧,后3 a禁牧)和退耕16 a坡地,室内测定土壤结构指标,野外采用基于径流-入流-产流方法的新型降阿仪器在17、43和56 mm/h雨强下观测坡地土壤的入渗性能,分析土壤结构特征对入渗的影响.对土壤结构的稳定性指标、孔隙性指标和分形维数指标进行分析,结果表明,随着退耕年限的延长,土壤团聚体稳定性增强,土壤结构孔隙状况得到明显改善.模拟降雨结果显示,随着雨强的增大,退耕地的土壤入渗率增加,但坡耕地反而降低.退耕11 a样地受放牧牲畜践踏影响,入渗性能最差.通过逐步同归分析可知,在17 mn/h和56 mm/h阿强下,影响土壤稳定入渗率的土壤结构因子主要是容重和有机碳含量,而在43 mm/h雨强下主要是毛管孔隙度和非毛管孔隙度.土壤有机碳含量和孔隙状况的差异致使土壤结构特征不同,从而对入渗性能和过程产生明显的影响.     

南方红壤入渗影响因素研究

认识土壤的降雨入渗性能,对于研究洪水过程、土壤侵蚀、土壤水分以及布设水土保持防治措施等具有重要的意义。在介绍试验设计等基本情况的基础上,对南方红壤区土壤前期含水率、降雨和不同植被条件(植被覆盖度)3种因素对土壤入渗的影响进行了研究,结果表明:当雨量和雨强较小时,土壤前期含水率越高则土壤入渗率就越低,但当雨量或雨强较大时,土壤入渗率都较低,这时土壤入渗率主要与降雨因子相关,受土壤前期含水率的影响不是很明显;在同一降雨条件下,不同处理小区土壤入渗系数大小顺序为百喜草全园覆盖、横坡套种作物、果园清耕、裸露对照。     

基于人工神经网络的坡面土壤侵蚀研究

 基于坡面土壤侵蚀产沙的复杂非线性特性,引用3层前馈型BP网络建模方法,对不同耕作措施坡面土壤侵蚀产沙进行模拟,模型输入层变量数为5个,分别代表降雨强度、坡度、坡长、土壤前期含水率和土壤容重,输出层变量为次降雨土壤侵蚀产沙量,并利用野外人工模拟降雨试验所得到的不同耕作措施(等高耕作、人工掏挖、人工锄耕和直线坡)坡面土壤侵蚀产沙实测资料,对网络进行模拟训练和预测,取得了较好的结果。该模型的建立与求解,为复杂坡面土壤侵蚀规律的研究提供了一条新途径。     

南方红壤区坡面次降雨产流产沙特征

研究坡面次降雨土壤入渗及产流产沙特征,对于坡地水土流失防治及水土资源管理利用具有重要意义.基于广东省五华县水土保持试验推广站野外径流场2014年的观测数据,研究不同下垫面条件下坡面入渗及产流产沙特征.次降雨入渗量与地表植被盖度间存在显著相关关系(P ＜0.05,R=0.95).入渗量随降雨强度增加,呈先增后减的变化趋势,存在入渗量达最大值的临界降雨强度;人工林及灌草地临界降雨强度为19.9 ～ 27.8 mm/h,均高于自然撂荒地.次降雨径流深和土壤流失量与地表植被盖度间,存在显著负相关关系(P＜0.05),相关系数超过0.9.土壤侵蚀率随径流系数呈幂函数增加趋势,径流中泥沙浓度随径流系数、降雨侵蚀力呈对数函数增加趋势,土壤流失量随降雨侵蚀力及次降雨径流深均呈线性递增趋势.次降雨径流深20 mm为土壤流失量变化拐点,径流深超过20 mm后,土壤流失量随径流深递增速率较快.     

Effects of rainfall intensity and antecedent moisture on the steady-state infiltration rate in a semi-arid region

Abstract. The infiltration and runoff responses of degraded and non-degraded semi-arid land surfaces were investigated by rainfall simulation in the Lowveld of Swaziland. The hydrological response of the soil was controlled by changes in the properties of the soil surface, the nature of which was dependent upon rainfall intensity and antecedent moisture, as well as upon soil type and condition. Rather than there being one final steady-state infiltration rate for a given soil type and condition (i.e. a constant of soil response), the final rates achieved were variable for each soil type and condition, and depended upon rainfall intensity and antecedent moisture. The implications of this for soil use and management in terms of infiltration measurement and runoff assessment are considered.     

土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下，利用室内人工降雨试验，研究了土壤初始含水率对坡面降雨入渗、湿润锋运移及土壤水分再分布规律的影响。结果表明：初始含水率越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定入渗率的时间也越短；当初始含水率均匀分布时，降雨入渗和再分布过程中湿润锋面平行坡面垂直向下整体运移，坡面降雨入渗过程可以简化为一维；当初始含水率非均匀分布时，初始含水率越高，再分布过程中湿润锋的运移速率越大，但在降雨入渗过程中，湿润锋的运移速率与土体的湿润程度和范围有一定的关系；坡面上方来水(径流)虽然对湿润锋运移速率影响不大，但对入渗有一定的促进作用；再分布过程中，土壤水分有沿坡向下运移的趋势。     

基于前期雨量和降雨历时的SCS-CN模型改进

径流曲线法（Soil Conservation Service Curve Number，SCS-CN）对前期产流条件（Antecedent Moisture Condition，AMC）的概化，导致径流预测出现相应的突然跳跃，同时还忽略了降雨历时作为重要组成部分对地表径流的影响，影响了模型径流预测的精度。密云水库是北京市地表饮用水的重要来源，对其上游流域进行降雨径流预测有着重要的生态意义和经济意义。该研究将SCS-CN模型与前期雨量和降雨历时结合，采用API（Antecedent-Precipitation Index，前期降雨指数）模拟土壤前期水分条件，并且提出了一种考虑次降雨事件中土壤前期雨量和土壤入渗量的静态渗透方程，对SCS-CN模型进行了改进。其中，潜在最大蓄水等于前期土壤水分和土壤潜在蓄水量的和，最大静态渗透速度是流域土壤水分达到蓄满时的静态渗透速度，静态渗透系数是与土壤结构、土地利用等相关的无量纲。利用2006-2010年及2014-2020年石匣流域径流小区的200次降雨径流事件监测结果，对新改进的模型与原SCS-CN模型以及两种改进的SCS-CN模型进行了校准、验证和性能比较。结果表明，4种径流模型中，该研究改进的模型表现最好，纳什效率系数为0.77，决定系数为0.79，均方根误差为3.21 mm，相比于SCS-CN模型纳什效率系数、决定系数和均方根误差分别提高了319%、97.5%和107.5%。参数敏感性分析表明，潜在最大蓄水和静态渗透系数是最敏感的两个参数，最大静态渗透速度的参数敏感性一般，初损率的参数敏感性最差。该研究改进模型在密云水库上游潮白河流域降雨径流模拟中具有一定的适用性，可为其他地区产流计算提供参考依据。     

模拟自然条件下黄土区坡地的大气、土表及土壤水交互作用的动力学模型及其应用

The mechanism of atmospheric,surface and soil water interactions( water transformation) in hillslope under natural conditions was analyzed,and a dynamic model was developed to simulate infiltration,overland flow and soil water movement during natural rainfall in hillslope,by bringing froward concepts such as rainfall intensity on slope and a correction coefficient of saturated soil water content for soil surface seal.Some factors,including slope angle,slope orientation and raindrop inclination,which affect the rainfall amount on slope, were taken into account while developing the dynamic model.The effect of surface seal on infiltration and water balance under a boundary condition of the second kind was aslo considered. Application of the model in a field experiment showed that the model simulated precisely the infiltration,overland flow and sol water monvement in hillsope under natural rainfall conditions.     

太行山花岗片麻岩区坡面产流的影响因素分析

通过自制的截流铲截取坡面径流,对太行山花岗片麻岩区产流过程的影响因素进行了研究.结果表明:(1)雨强是启动产流的关键因素,当降雨强度大于特定值时才能产生地表径流,且随着坡度降低,地表产流所需雨强增大.当雨强达到产流后,径流量和降雨量成显著正相关,与雨强的相关性不显著.(2)地表径流量不随着集水面积的增加而增加,坡面强烈的人渗能力,使得上方来水在产流过程中渗入土壤.坡度是影响地表径流的又一关键因素,随着坡度的增加,地表径流量明显的增加.由于不同坡向土壤质地不同,使得阳坡地表径流量要明显多于阴坡,平均径流系数也比阴坡高.总体上,研究坡面径流系数均较小,以2 m坡长为对象,最大径流系数仅为7.3%,说明坡面人渗能力很强,产流过程以入渗为主.     

Changing soil and surface conditions during rainfall: Single rainstorm/subsequent rainstorms

During rainstorms, physical properties of the soil surface change significantly. As a result of surface sealing, variations in infiltration rate, water content, water suction, bulk density and surface roughness can be observed and quantified. Dynamic processes taking place on the soil surface were investigated in laboratory and field experiments on a typical loess-derived soil in Germany. This study focused on the effects of continuous and subsequent rainfall treatments. Furthermore, all laboratory experiments were carried out in two different initial moisture regimes. In the laboratory experiments, a capillary rainfall simulator was used. Water suction was measured with microtensiometers 2 cm below the sealed surface in a 30 s time interval. The water content was determined with TDR probes in a variable time step, depending on the movement of the infiltration front. Compared to the continuous rainfall treatment, the decline of infiltration rate was much steeper in the subsequent rainfall events. After 2 h of continuous rainfall, a ‘drying effect' could be observed underneath the surface sealing at a depth of 2 cm. This was not the case in the intermittent treatment. Saturated conditions 10 cm below the surface sealing were reached in none of the treatments. The variation of bulk density within the first centimeter of the soil was determined via computed tomography and also with two simple methods using micro soil cores [Fohrer, N., 1995. Auswirkungen von Bodenfeuchte, Bodenart und Oberflächenbeschaffenheit auf Prozesse der Flächenerosion durch Wasser. PhD Thesis, Technical University Berlin, Bodenökologie und Bodengenese, No. 19, 183 pp.] and immersion as described by Roth [Roth, C.H., 1997. Bulk density of surface crusts: depth functions and relationships to texture. Catena 29 (3–4) 223–237.]. Under continuous rainfall conditions, the initially dry plots showed a higher compaction than the initially moist treatments. In the case of subsequent rainstorms, it was shown that the bulk density–depth function is not constant with time. The alteration of surface roughness was measured using a laser relief meter. The levelling effect of the intermittent rainfall regime proved to be much stronger in comparison to the continuous event.     

间隔覆盖法对塿土坡面土壤水分调控效果

利用室内人工模拟降雨试验,分析研究间隔覆盖条件下坡面土壤水分空间分布及蓄存与利用情况。结果表明：各面积比处理的湿润锋分布形状基本相同,但其深度差别较大,湿润锋在入渗区上部的分布形状体现了间隔覆盖法的特色;各处理入渗区表层土壤含水率沿坡不同位置点略有差异,坡面含水率分布的差异程度有随着覆盖区面积的增大而降低的趋势。各处理剖面含水率分布则符合一般规律,即由表层向深层逐层减少;覆盖面积比及降雨强度是影响入渗区雨水可利用率的重要因素。入渗区的雨水可利用率随面积比增大呈降低趋势,但其入渗量、单位面积承接及蓄存水量均呈增加趋势,这对入渗区植物生长发育及抵抗干旱是有利的。而这些指标随降雨强度增大,则表现出相反的趋势,间隔覆盖法在小雨强下的实施效果较好。对于在不同试验条件下,如何确定适宜面积比进而提高雨水可利用率,以及该方法在不同土壤及降雨条件下的实施效果仍是需要进一步研究的问题。     

土壤结皮对降雨入渗和产流产沙的影响

 依据250场次人工降雨和相应的径流、泥沙资料,采用对比法,分析结皮与无结皮土壤对降雨入渗和产流产沙的影响。结果表明,非结皮土壤的平均入渗率是结皮土壤的1.25倍,平均产沙总量为1.28倍,而结皮土壤的平均产流总量是非结皮土壤的1.15倍。因此,土壤结皮具有减缓降雨入渗、增大地表径流和抑制产沙的作用,且雨强愈小影响作用愈大,雨强愈大,影响作用愈小。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。