基于改进萤火虫算法的土壤水分特征曲线参数优化

针对因参数精度不足,影响相关土壤水分运动建模、仿真结果等问题,引入萤火虫算法,并将固定随机步长改进为随萤火虫间距离变化的可变步长,旨在解决土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数优化的非线性拟合问题。结果表明:对不同深度的黑土和黏土的脱湿过程进行模拟,得到优化后的相关参数及体积含水率计算值。通过与粒子群算法、遗传算法对比,表明萤火虫算法模拟结果精度高,曲线吻合性好,最大相对误差仅在2%左右,是一种高精度的优化算法,且改进之后收敛效率提高。利用萤火虫算法解决这类非线性优化问题是可行的,尤其在对精度、准确性要求较高及需为后续研究确定其他土壤水分运动参数提供准确依据的情况下,适用性更强。     

基于BEPS生态模型模拟农田土壤水分动态

为了提高农田水分动态的模拟精度,以提高农田水管理的效率,该文研究验证了BEPS机理生态模型模拟季风气候区农田土壤水分的能力,分析了导致模型误差的原因。结果表明,BEPS模型能较好地模拟江苏省徐州农业气象试验站冬小麦生长季根层土壤水分动态,2000－2004年模拟结果与实际观测值的决定系数R2的范围在0.1339～0.9225之间,均方根误差和平均绝对误差分别在0.026113～0.06317和0.0232～0.0525之间。土壤水分饱和传导率和决定土壤水分传导率变化的参数对模拟结果有较大影响。模拟结果的可靠性及其对土壤水分饱和传导率和决定土壤水分传导率变化的参数的敏感性与降水和土壤含水率条件有关,当降水长期偏少、土壤含水率下降时,模拟的上层土壤含水率会较观测数据偏低,对2个参数的敏感性上升。     

基于Coup Model模型的三峡库区典型林地土壤水分和温度模拟以及参数敏感性分析

根据2008和2009年野外试验资料,应用CoupModel模型,对位于长江三峡库区末端的重庆市四面山阔叶林(木荷×石栎)和针叶林(杉木×马尾松)0-80cm土层的土壤水分和温度进行了逐日模拟验证,并在此基础上采用OAT方法(即每次只改变其中1个参数的方法),对模型参数进行了敏感性分析。验证结果表明,CoupModel能较好地模拟土壤水分和温度的动态变化,2种林分土壤水分决定系数(R2)、平均误差(ME)、均方根误差(RMSE)、Nash效率系数(NSE)分别为0.81~0.94,-0.01%~0.26%,0.24%~1.83%和0.80~0.87土壤温度的R2,ME,RMSE,NSE分别为0.92~0.99,-0.14~0.06℃,0.18~0.34℃,0.90~0.98。说明该模型在该地区表现出良好的适用性。参数敏感性分析表明,对土壤水分模拟结果影响较大的参数有孔隙分布参数、进气吸力、残留含水量、饱和含水量、饱和导水率和蒸发阻力系数(PsiRs-1p),对土壤温度模拟结果影响较大的参数有土壤热传导系数、有机质层厚度、植被反照率、消光系数、水汽压亏缺和蒸发阻力系数。     

吸附性土壤溶质运移参数识别的粒子群-差分算法

非饱和土壤水分和溶质运移参数(导水率、扩散率、水动力弥散系数)的识别是进行数值模拟的关键.基于垂直一维非饱和吸附性土壤水分-溶质运移方程,以溴化钾为入渗溶液,分别以土壤含水率和溶质溶度的实测值与计算值标准差最小为优化目标,建立水分-溶质运移参数识别的多目标优化模型.应用权重系数法,将这一多目标优化问题转化为单目标优化问题,采用动态权重、异步时变学习因子的粒子群算法对模型求解.通过土柱实验,测定了220、380和780 min三组时刻的土壤含水率以及钾离子浓度的空间分布值,以前两组数据识别参数,第三组数据进行验证.结果表明入渗780 min权重系数为0.5时含水率以及钾离子浓度的计算值和实测值相关系数分别为0.977和0.952,标准差分别为0.007 4、2.369,实测值和计算值吻合较好,这表明粒子群识别水分和溶质运移参数是可行的.数值模拟表明,权重越大含水率实测和计算值的相关系数越大而浓度实测值和计算值的相关系数越小.     

陕北黄土丘陵区山地苹果园的土壤水分动态研究

掌握土壤水分特征是实现果园科学管理、有限雨水资源合理高效利用、保证果树高产优质的关键。以陕北米脂山地6年生红富士苹果园为研究对象,于2015年4月—2016年6月采用FDR、中子水分仪和烘干法相结合的土壤水分监测方法,分析了山地苹果园的土壤水分总体特征、单株不同位点的水分动态以及不同旱作措施(秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨、有机肥覆盖)的土壤水分环境效应。结果表明:陕北山地果园时段干旱严重,最严重的为苹果树新梢生长和幼果发育期;春季土壤干旱程度取决于上年入冬前土壤储水量高低。果园0~60 cm土层(根系分布集中层)水分随降雨量而变化,表现为较一致的季节变化特征;土壤水分的变化滞后于降雨变化,且降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱,100 cm深土层受降雨影响减弱,土壤剖面200 cm以下土层土壤含水量保持相对稳定。6年生山地苹果园土壤已经出现干化现象,且在90~300 cm存在明显的低湿层,土壤体积含水量常年处在12%以下。苹果树单株尺度范围内,土壤含水量随距树干距离增加单调递增;土壤水分的平均值处在距树干105 cm处;沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量(P0.05)。秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨和有机肥覆盖措施相较于空白对照(不覆盖、不灌溉)均能有效改善土壤水分环境,缓解果树生育期内水分供需矛盾,其中起垄覆膜垄沟集雨措施的保墒效果最佳,建议陕北黄土丘陵区山地雨养苹果园采用起垄覆膜垄沟集雨的保墒措施。     

基于遗传算法的土壤水分运动参数识别

土壤水分运动参数的识别是研究土壤水分运动的基础。该文以反映土壤含水率实测值和计算值吻合程度的均方差最小为优化目标,以土壤导水率和扩散率经验参数上下限为约束条件,建立了土壤水分运动参数识别的优化计算模型。采用遗传算法和田间均质土壤一维非饱和运动数值计算相结合的方法,获得土壤导水率和扩散率经验参数最优值。经验证计算,土壤含水率实测值和计算值吻合程度较高,表明这一方法是可行的。     

东北玉米生长模型中土壤水分参数的敏感性分析

为进一步改进和提高东北玉米生长模型评估干旱的能力,并使之更好的在区域尺度上应用,以吉林省为例,对该模型的土壤水分参数进行敏感度分析。通过对榆树(半湿润)和白城(半干旱)两个站点典型干旱年份(2000、2001年)和雨水较丰年份及平年(1998、2002年)的分析,得到以下初步结论:土壤含水量对凋萎湿度、田间持水量、作物系数最敏感,整个根区初始土壤有效含水量等次之;凋萎湿度、田间持水量、整个根区初始土壤有效含水量对土壤水分影响为正效应;上述结果在不同气候区、不同降水年份相对稳定,具有一定的普适性。作物生长模型在区域尺度应用时,上述敏感参数的不当估算所产生的误差将导致土壤水分模拟失真,并进一步影响整个作物生长过程的模拟和模型的区域应用;根据敏感性分析结果,有针对性地改进敏感参数,有望进一步提高土壤水分乃至作物生长的模拟精度。     

基于WinSRFR模拟灌溉农田土壤入渗参数年变化规律

土壤入渗参数是确定地面灌溉灌水技术参数的主要依据之一,而农田土壤入渗特性随着灌水与耕作存在着周期性变化。为了探究这种周期性变化规律,在冬小麦-夏玉米轮作体系下,基于泾惠渠灌区2012-2015年不同灌水时期的灌水资料,利用Win SRFR4.1软件与拟合度检验相结合的方法对考斯加科夫土壤入渗模型参数值进行模拟反推得出最佳优化结果,结果表明模拟与实测的水流推进及水流消退过程的均方根误差分别为0.15~2.1和2.5~7.8 min,决定系数均在0.7以上(P0.05)。在此基础上,根据影响土壤水分入渗的主导因素土壤容重及土壤质量含水率,建立考斯加科夫土壤水分入渗模型2参数值与影响因素间的定量关系,分析土壤入渗参数在年内的变化规律,结果表明:在冬小麦-夏玉米轮作体系下,不同灌水时期的土壤入渗系数和入渗指数变化明显,变化范围分别在95.0~210.0 mm/h和0.42~0.67之间,土壤水分入渗模型两参数值与土壤含水率及土壤表层容重之间存在较好地复合对数关系,决定系数分别为0.846和0.741(P0.05)。研究结果可为年内不同灌水时期确定农田地面灌水技术参数提供依据。     

垄沟集雨对紫花苜蓿草地土壤水分、容重和孔隙度的影响

在旱作条件下, 将垄沟集雨措施应用于紫花苜蓿种植, 研究沟垄宽比和覆膜方式对2年龄紫花苜蓿草地土壤水分状况、土壤容重及孔隙度的影响。结果表明: 全越冬期, 膜垄和土垄处理0~120 cm土壤水分平均散失量分别低于CK(平作)28.43 mm和13.61 mm。膜垄处理整个集雨期的蓄墒增加率为59.03%~99.27%, 产流效率为53.43%~91.72%; 2009年集雨前期(4月上旬~6月上旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率分别为1.92%~2.74%和1.71%~2.55%, 2009年集雨中后期(6月中旬~9月下旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率较集雨前期显著升高, 分别为8.85%~36.77%和8.01%~35.82%; 膜垄和土垄处理的蓄墒增加率、产流效率均随垄面宽度增加而显著增加, 且膜垄的蓄墒增加率、产流效率显著高于土垄处理。垄沟集雨种植能够显著降低0~40 cm土壤层容重, 且0~20 cm土壤层容重降幅表现为膜垄大于土垄。垄沟集雨种植也能够显著增加0~40 cm土壤层孔隙度, 且0~20 cm土壤层孔隙度增幅表现为膜垄大于土垄。     

L波段主被动微波协同反演裸土土壤水分

土壤水分是进行干旱监测、土壤侵蚀、农作物产量预测以及地表温度研究的重要参量,利用主被动微波协同的方法提高土壤水分的反演精度是定量遥感发展所面临的重要任务。本文基于土壤L波段微波散射辐射模拟数据集,通过对比分析主被动微波数据对土壤水分含量和粗糙度2个参数的敏感性,提出了基于L波段主被动协同的裸土土壤水分反演算法,算法充分利用了被动微波地表发射率对土壤水分较为敏感,而主动微波后向散射系数对地表粗糙度较为敏感的特点。首先由地表垂直极化发射率和 VV 极化后向散射系数协同提取地表粗糙度信息,再由被动微波双极化数据结合地表粗糙度信息来估算土壤水分信息。利用SMAPVEX12实验数据集中部分稀疏植被采样点的观测数据对算法进行验证,验证结果显示,土壤水分反演结果与地面实测数据相关性为0.6637,RMSE为0.0607 cm3/cm3。该文反演算法模型系数直接由模拟数据集计算得到,克服了常规经验算法的发展对地表实测数据的依赖性,减小了算法在实际应用中的局限性。     

基于DSP和单片机的谷物含水率准动态检测技术研究

为进一步提高谷物含水率检测的速度和精确度,以满足收获机械在线检测的需要,提出了一种新的基于DSP和MPU的以大豆为代表的谷物含水率快速检测技术,并依此为依据设计了相应的系统装置.试验结果表明,该装置测量的含水率误差小于1%,每分钟测量速度大于15次.该装置还预留了较大存储空间,可方便地应用到其它谷物水分的在线检测.无论从测量精度、速度还是装置的温度稳定性指标均优于现有装置.该方法的提出为在线谷物含水率快速、高精度测量提供了新的解决方案.     

太湖流域平原区土壤水分动态分析

以太湖流域平原区两种土地利用方式(林地和菜地)为例,在长期定位观测土壤水分数据的基础上,采用时间序列法定量分析了土壤水分与降水之间的相关关系。结果表明:(1)降水量在时间上不相关,而各层土壤水分均为自相关序列;(2)降水与土壤水分之间存在一定的相关性,相关时长受季节、土壤深度、土地利用方式等的影响较为明显(1~8d不等);(3)林地相关时长的季节变化表现为:夏秋季春季冬季。随着土壤深度的增加,菜地土壤含水量与降水相关关系在夏秋季节呈减小趋势,而在冬春季节则相反。整体上林地降水对土壤含水量的有效影响时间长于菜地,且林地降水量与土壤含水量相关关系的规律性优于菜地。     

山地林火烧迹地水土流失动态变化的研究

根据我国大兴安岭地区森林火灾频繁发生、火烧迹地面积逐渐扩大的实际情况,在日本冈山县备前市久久井地区的一片森林火烧迹地,设立了三块不同样地进行调查研究,对火烧后由于降雨引起的水分及土壤养分的动态变化进行了实验分析,发现三块样地的水分和土壤养分的流失程度不同,同时参照国内外其他地区的研究结果,寻求减少土壤养分流失的最佳方法,从而选择最适植被恢复方式,为我国大兴安岭地区火烧迹地的植被恢复提供理论依据。     

宁夏海原地区苜蓿产量与土壤水分的动态变化规律研究

连续3 a对宁夏海原地区苜蓿产量及土壤水分的动态变化进行研究。结果表明:(1)在0-100 cm深度内,平地苜蓿地土壤水分含量随土层的加深先减小后增大,在40-60 cm层次数值最小,苜蓿产量的高峰期是第6年。(2)坡地苜蓿产量和土壤水分随海拔的增加而减小,北坡产量和土壤水分高于南坡。(3)土壤水分平均值的比较结果是:苜蓿>马铃薯>小麦>胡麻>豌豆。     

基于土壤水分动态的梯田苹果园水窖配置

针对如何合理配置水窖以解决黄土高原梯田种植苹果存在的水资源短缺问题,利用WEPP模型,在对0～200 cm土壤储水量动态变化模拟验证的基础上,以满足梯田苹果在不同典型代表年的生育期需水为目标,对水窖进行优化配置。结果表明:在更新土壤及作物管理数据库后,WEPP模型可实现对梯田苹果园0～200 cm土壤储水量的动态模拟;利用土壤水分动态变化选择典型年来进行水窖优化配置,更能满足苹果的需水要求;黄土丘陵沟壑区适宜的水窖配置干旱年为1 150 m3/hm2,平水年为180 m3/hm2,湿润年为50 m3/hm2。该研究为高效利用该区有限水资源提供了一种基于土壤水分动态变化来满足苹果生长需水的水窖优化配置方法。     

中国北方旱农地区农田水分动态变化特征

北方旱地区域农田水分特征的主要影响因子是自然降水和农田蒸散量。在区域尺度上，农田潜在蒸散量是半干旱偏旱区＞半湿润偏旱区＞半干旱区。半干旱偏旱区农田水分平均潜在亏缺量为517 mm，最大亏缺量为968 mm，最小亏缺量为162 mm。半干旱区旱地农田水分平均潜在亏缺、最大亏缺和最小亏缺量分别为274、688和－34 mm，半湿润偏旱区上述3个参数分别为157、469和－180 mm。由于降水的时空变化，不同类型地区农田土壤水分储存量也产生了区域分异，3种不同类型地区农田土壤水分在农作物不同发育期储存量的变化是半湿润偏旱区＞半干旱区＞半干旱偏旱区。旱地作物耗水主要来源于生育期间的有效降水和播种前的土壤蓄水。     

人工草地土壤水系统动力学模型与过耗恢复预测

针对黄土丘陵沟壑区人工草地深层土壤水分严重亏缺问题,首次利用系统生态原理及计算机仿真手段,初步建立休闲草地土壤水分系统动力学模型,提出长历时（多年）,大厚度（5m）土壤水分动态仿真和模型参数获取有效方法,预测特定地区（宁夏固原上黄试区）休闲草地不同水文年型深层土壤水分恢复年限.     

纸坊沟流域人工刺槐林生长状况与土壤水分条件研究

本文对安塞纸坊沟小流域不同土地类型刺槐林生长状况进行了分析、并且分析了林地水分生态环境对刺槐生长的影响。分析结果认为,该流域水土流失严重,刺槐应营造水土保持林为主,但在水分条件较好的沟谷地和沟坡地可营造部分用材林,以解决当地木林短缺的矛盾;同时,应加强林地的管理,提高土壤水分的利用率。     

民勤沙井子典型固沙植被区土壤水分动态与降水再分配研究

利用智能中子水分仪定时测定土壤水分的方法,在2006-2007年测定并分析了不同固沙灌木林地0-200cm深土壤共10个层次的水分时空变化特征和降水人渗再分配,结果表明:(1)民勤沙井子不同固沙灌木林地土壤水分季节变化表现为消耗期(6-7月);积累期(8-9月和4-5月),消退期(10月)-稳定期(11月-翌年3月).(2)土壤水分垂直变化为20cm土层含水量最低,60cm土层最高; 120-200 cm土层含水量随林地的不同而呈现减少、增加或保持稳定,(3)生长季节,土壤有效储水量0-40cm土层变化最频繁; 5种灌木林地0-200cm土层有效储水量.固定白刺沙包最高,97.9 mm.固定柽柳沙包最低,66.8mm.(4)降水在土壤中人渗深度和入渗历时不但取决于降水量,而且取决于降水强度,1.7 mm/h雨强平均湿润锋深度是0.7 mm/h的1.8倍,说明降水量相近,强度较大的降雨有利于水分向深层渗透.(5)降雨后水分在林地表层土壤中入渗增加,同时较深层的水分却表现为消耗,土壤水分的储存与消耗随着降水量和林地的不同而有差异.     

黄土不同湿度状态下动、静变形特性关系的探讨

从实用角度出发,对西安、兰州和太原3个典型黄土地区的原状黄土在不同湿度状态下所取得的动三轴振陷资料以及常规侧限压缩、湿陷试验的资料进行了统计分析,给出了黄土动、静力变形特性参数之间的相关关系,探讨了用常规的静力特性参数评估动力特性的可能性。