基于转移概率的区域土壤三维随机模拟及其不确定性评价

土壤质地空间变异对于区域土壤水分和溶质循环模拟研究至关重要。基于转移概率(Markov链)的随机条件模拟是一种能融合多源信息技术的地统计学模拟方法,与传统插值法和基于变异函数的条件模拟相比有诸多优势。本研究在封丘县域范围内采集了102个土壤剖面共计1 020个土壤样品,运用转移概率的地质统计学方法构建了土壤质地种类的三维空间分布模型,在500次随机模拟的基础上,分别得到了土壤质地种类空间分布图及其概率分布图。结果表明,一维垂向转移概率可以很好地描述研究区垂直方向上各类型土壤空间分布的不对称性与各向异性。采用转移概率的方式来描述土壤质地种类空间分布的不确定性,能够有效克服传统地统计学基于交叉变异函数或空间插值建模的缺点。     

华北冲积平原区土壤剖面质地层次空间分布的三维随机模拟

土壤质地层次的空间分布(或土体构型)的复杂变异性是冲积土壤的典型特点之一,定量描述土体构型对于土地利用和溶质运移研究来说极其重要。本研究根据华北冲积平原上一块面积约15km2区域内的139个土壤剖面观测数据,运用转移概率地统计学方法分析了区域内土壤质地层次空间分布的变异特性。结果表明,土壤质地层次的空间分布不是纯随机的,而是具有一定的空间毗邻转移趋势。将本文得到的土壤质地层次空间分布的三维马尔可夫链模型用于指示条件模拟后,最终模拟结果反映了不同质地层次间的交叉协相关关系,所得结果为进一步模拟水分溶质在区域土壤中的运动提供了有力的支持。     

黄土高原雨养区坡面土壤水力学性质空间特征及影响因素

土壤水力学性质在建立水分运动模型及水土保持措施配置中具有重要作用。以网格采样测定了黄土高原雨养区坡面土壤水分特征曲线,拟合了Van Genuchten和Gardner模型参数,并利用经典统计和地统计方法分析了其空间分布特征及影响因子。结果表明:在黄土高原雨养区复杂的土地利用结构下,坡面表层土壤水力学性质具有明显的空间变异性,Van Genuchten模型参数n不存在空间相关情况,为纯随机变量,参数a,A,B,A·B和饱和导水率的空间变异受到系统变异和随机变异的共同作用。Gardner模型参数A和B值受到有机质含量的影响,饱和含水量、田间持水量和容重与参数A,A·B及有效孔隙度之间的相关性均达到极显著水平。比重与坡面土壤水力学性质之间的相关关系不显著。土地利用和地形因子对水分特征曲线的影响明显,在高吸力阶段,上坡位比下坡位土壤保持的水分多,农田的持水能力不如草地和林地。     

利用CT数字图像和网络模型预测近饱和土壤水力学性质

在近饱和状态下,土壤的有效水力学性质主要取决于较大孔隙的结构特征,而这又决定了土壤中的优势流通道以及溶质的运移.基于孔隙形态学特征的网络模型可以很好的表现出较大孔隙的几何形态与拓扑特征对有效水力学性质的影响.本文通过对连续土壤切片CT图像的分析,定量获取了土壤孔隙的大小分布以及连通性参数.在此基础上建立了相关网络模型,在孔隙尺度上模拟了土壤中的水分运动过程并预测了近饱和土壤水力学性质.实验结果表明,虽然随机网络模型对室内填装土样本水力学性质的预测结果要优于相关网络模型,但是结合了实测孔隙形态特征的相关网络模型能够表现出田间原状土样本的双重孔隙度结构,其预测结果更符合实际的土壤结构特征.     

砂壤质褐土饱和导水率与物理性质的多尺度关系——小波分析法

正确估算土壤水力特性是准确了解土壤水分运动和溶质运移过程的前提。土壤水力特性具有明显的空间变异特征,由于其空间异质性是各种物理、化学和生物过程(如生物活动、耕作、地形、土壤侵蚀)在不同尺度下综合作用的产物,导致其变异     

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移数值模拟研究述评

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移规律是解决土壤盐渍化、地下水污染等环境与生态问题的基本理论基础,基于多孔介质水和溶质运移基本方程的数值模型是研究包气带物质运移的重要手段。通过深入分析土壤水和地下水之间的相互关系,强调在地下水埋深小于其极限埋深的情况下应把地下水作用耦合到包气带水和溶质运移模型中。该文概括总结了现有研究把地下水作用与土壤水模型相耦合的方法,并分析了各种方法的优缺点。在回顾现有土壤水分运动参数和溶质运移参数确定方法的基础上,归纳了包气带水和溶质运移模型从“点”尺度向“田块”尺度扩展的途径,随机方法仍将是今后的研究热点,并有望应用于实践。     

基于BP神经网络的土壤水力学参数预测

为了获取区域土壤水分和溶质运移模拟所需的土壤水力学参数,利用黄淮海平原曲周县的试验资料建立基于BP神经网络的土壤转换函数模型。本文采用土壤粒径分布、容重、有机质含量等土壤基本理化性质,来预测土壤饱和导水率Ks、饱和含水量sθ、残余含水量θr、以及van Genuchten公式参数α、n的对数形式ln(α)和ln(n),并与多元线性逐步回归方法进行比较。t检验结果表明,BP神经网络训练和预测得到的模拟值与实测值之间吻合很好,该方法具有较高的预测精度。通过对平均相对误差的比较,得出在粒径分布的基础上增加容重、有机质含量等输入项目,可以提高部分土壤水力学参数的预测精度,而有些参数的预测精度反而降低。以误差平方和为标准的比较结果表明,BP神经网络模型的预测效果总的来看要优于多元线性回归法。     

一维非饱和土壤溶质运移的有限体积法数值模拟

应用有限体积法对非饱和土壤一维溶质运移模型进行数值求解,模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程.并以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性.通过对有限体积法和有限差分法进行比较,说明了有限体积法能很好地避免有限差分方法中常常出现的数值弥散和数值振荡现象,因此在模拟土壤溶质运移规律的研究中.该方法是一种很好的数值方法.     

应用Markov链理论定量描述区域冲积土壤质地层次的垂向变化特征

冲积土壤剖面质地层次的垂向变化是一个十分复杂的问题,长期以来都是定性描述而无法定量化,但土壤剖面的质地层次组合特点对土壤水分转化和溶质运移等具有重要影响,对其定量地描述和研究是进一步准确定量区域农田水转化和溶质运移的基础。马尔可夫链理论是用来描述随时间（空间）变化的一个离散状态序列的状态转移特性的,本文就其引入来研究冲积土壤剖面质地层次的垂向变化规律。研究结果表明,区域冲积土壤剖面质地层次的垂向变     

蒸发条件下粘土层对土壤水和溶质运移影响的模拟

以土壤水和溶质运移的动力学原理为基础 ,采用数值模拟方法 ,研究了在浅层地下水和蒸发条件下含有粘土层土壤的水和Cl-的运移状况 ,重点探讨了两种粘土的层位和层厚对水和Cl-运移影响的差别及原因。研究结果表明 ,粘土层对土壤的水和溶质运移影响的程度 ,与层状土壤中该粘土及其组合土壤的水力学性质有关。本文模拟的重粘土 (简称Y粘土 )与轻壤土所组成的层状土壤 ,其基本情况为 ,随粘土层层位的升高和层厚加大 ,土壤水分蒸发和地下水补给速率降低 ,Cl-积累减少。而轻粘土 (简称R粘土 )与轻壤土所组成的层状土壤 ,由于它们的导水率曲线在压力水头h约 - 10 0 0cm处相交 ,当h低于此值时 ,R粘土的导水率就大于轻壤土的。因此 ,蒸发、补给速率和Cl-积累强度出现以顶位最高 ,甚至高于均质轻壤土 ,其次为底位 ,最低为中部层位的现象。在蒸发条件下Cl-在剖面中的积聚部位主要是土表。粘土层的存在 ,起到了阻滞作用 ,而阻滞程度则与该粘土水力学性质、层位、厚度和地下水埋深有关     

非饱和水分运动参数空间变异的研究

田块尺度土壤特性的空间变异性对水分与溶质运移具有明显的影响。该研究在野外30m×30m面积、土壤类型为砂壤土的田块的100个空间点上,分别利用张力计和取土样室内测定的方法测定了30cm土层深处土壤水张力、土壤容重ρ、饱和含水率θ_s,与初始含水率θ_i,同时利用圭尔夫仪,测定了该田块同样深度108个空间点上的饱和水力传导度K_s与孔隙大小分布参数α。利用经典统计分析与地质统计分析方法分析上述参数的空间变异特征,研究结果表明:ρ,θ_i,θ_s,K_s和容水度C遵从正态分布,而α具有对数正态分布;K_s,α和C具有较大的空间变异性,而ρ和θ_s的空间变异性则较小;K_s和logα是空间统计相关的;土壤水张力的空间变异具有时不变特征,且土壤水张力方差是其均值的二次函数     

关中平原农田土壤水力参数空间分异与模拟

土壤水力参数是土壤水分和污染物迁移等陆面过程数值模拟的重要基础参数。为探明关中平原农田土壤水力参数空间分异特征,建立空间分布预测模型,在关中平原网格布设124个样点,采集根层0-20 cm原状和扰动土壤样品,利用van Genuchten模型拟合获取土壤水分特征曲线,获得残余含水量(θr)、饱和含水量(θs)以及系数α和n等土壤水力参数。采用经典统计学、地统计学和结构方程方法分析了θr、θs、α和n的空间变异特征及影响因子,建立了水力参数传递函数预测模型。结果表明:θr和α为强变异,θs为中等变异,n为弱变异。θr、θs、α和n半方差函数最佳拟合模型分别为球状模型、指数模型、指数模型和球状模型。θs和n具有强烈的空间依赖性,变程分别为32.7,54.3 km;θr和α具有中等程度空间依赖性,变程均为52.8 km。土壤质地、容重、pH、有机质和海拔是影响土壤水力参数空间分布的主要因子。基于土壤理化性质和海拔建立的水力参数传递函数模型具有较好的模拟效果,可用于关中地区大尺度农田生态系统土壤水力参数的模拟预测。     

石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究进展

土壤水流和溶质运移一直是土壤学研究的热点,溶质运移理论主要应用于地下水污染、污染物运移、土壤重金属污染研究等方面。溶质主要通过优先流和基质流进行运移,影响溶质运移因素很多,主要包括土壤结构、质地、水力传导率、体积质量、初始含水量、根系、石砾等。石砾作为土壤质地中的一个分级单位,与溶质运移关系较为复杂。本文综合介绍了石砾基本内涵以及石砾对土壤水流和溶质运移影响研究进展;系统阐述了石砾内部参数(石砾覆盖度、含量、粒径、空间异质性等)和外部参数(根石结构、干湿冻融、耕作等),指出目前研究主要量化土壤表面及土壤表层石砾参数对水文效应、土壤侵蚀、入渗以及径流的影响,然而石砾参数对溶质运移影响研究不够系统,石砾参数与溶质运移关系研究尚处于初步阶段,对土壤深层石砾研究缺乏;归纳了石砾参数研究技术手段及模型;探讨了目前石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究存在的问题以及今后研究趋势。     

基于两组负水头入渗数据推求Brooks-Corey模型中的参数

非饱和土壤水分运动和溶质运移的研究需要准确的土壤水动力特性信息，然而土壤水动力特性的测定往往费时费力且较难。该研究假设土壤水力动力特性可用Brooks-Corey模型来描述，结合Darcy定理和质量守恒推导了基于两组负水头下入渗数据来估计Brooks-Corey模型参数的方法。利用负水头下一维土壤水分运动中累计入渗量和湿润峰之间的关系实现了参数的求解，大量的数值模拟数据检验了该方法，并与Wang的方法进行了比较和分析，结果表明本研究提供了一种简单而且精确的确定土壤水动力参数方法。     

Effect of the initial soil moisture content on the spatial distribution of the water retention

The initial soil moisture content affects the water flow and solute transport through the vadose zone, but researchers are in disagreement about the extent and nature of its effects. Better understanding of the initial moisture effect on the water movement will help to prevent groundwater contamination and increase crop production by improving the efficiency of water use in irrigation practice. Therefore, in this study, the effect of the initial moisture content on the spatial distribution of the water retention was investigated in the field. A total of 4 cm of water was applied to duplicate plots with each of three initial moisture conditions within 2 h using a rainfall simulator. Following the application and a 2-h redistribution period, 100 soil samples were taken from different depths of each plot using a grid sampling system to be analyzed for their gravimetric water content in the laboratory. Statistical and geostatistical analyses were performed to analyze the spatial structure of the collected data. The results showed that the preferential flow was more evident in the case of the dry initial soil water content than for the two wetter initial conditions. Both the classical and geostatistical analyses supported that the overall water retention was uniformly distributed throughout the profile except at 20–30 cm, where the coefficient of variation and the percent nugget to total semivariance ratio were high, indicating some degree of preferential flow through large pores (macropores). These results suggest that similar studies should be conducted on different field soils under more different initial moisture conditions so that the effect of the macropores on the water flow and chemical transport can be better understood. Published in Russian in Pochvovedenie, 2008, No. 10, pp. 1241–1249.     

农田气象条件下阿特拉津在土壤中淋溶动态的数值模拟

阿特拉津(Atrazine)是我国华北地区夏玉米田常用的除草剂,而夏玉米生育期又是该地区的主要降雨时段,对这一时段Atrazine在田间尺度的淋溶风险进行评价,对保护浅层地下水环境具有重要意义。以北京市通州区永乐店试验站一块27 m×27 m的农田为背景,通过田间采样、测试分析土壤样品并收集2001年的气象数据,基于简化土壤水三维流场的柱模型假设,在同时考虑土壤水力学参数、Atrazine运移和吸附参数空间变异性的情况下,对该农药在农田尺度下淋溶动态的空间分布进行了数值模拟。在此基础上,对夏玉米不同生育期耕层20 cm深度处的土壤水负压、水流通量和Atrazine浓度的空间变异结构进行了地质统计学分析。结果表明,在整个夏玉米生育期内这三个参量的半方差模型基本上为球状模型,它们的变程多在8~10 m。本研究案例对布设农田尺度土壤水分和Atrazine动态监控网具有一定的参考意义。     

田间尺度下污染物在土壤中的迁移: 目前的认识和存在的问题

Agro-chemical transport processes at different scales are discussed and relevant opening question are identified by literature review to make some suggestions concerning the improvement of research methods for filed scale solute transport by aid of evaluation of existing models,and examining transport behaviors of solute in vadose zones on different scales.The results indicate that present research progess and understanding on field scale solute transport have not yet been enough to guarantee the use of our models for the management of field soulte movement.Much more research work needs to be done,particularly,in aspects of high resolution of spatial structures relevant to the hydraulic and transport properties,explicit numerical simulation of actual structure on field scale and field measurement corroborated with model development.