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。     

黄土区坡耕地土壤结皮对入渗的影响

黄土高原地区,坡面土壤水分是生态建设的关键问题。以黄土高原坡耕地人为管理方式为背景,在室内人工模拟降雨条件下采用等高耕作和人工掏挖两种措施,并且设计直线坡作为对照,研究不同耕作措施下土壤结皮的形成特征,同时从降雨-入渗的角度研究两种类型结皮(结构结皮和沉积结皮)对坡面土壤水分入渗的影响。研究结果表明:土壤结皮阻碍坡面土壤水分入渗,结皮坡面产流时间早,且土壤累积入渗量明显低于无结皮坡面;采用Kostiakov模型、Horton模型、蒋定生模型对坡面土壤水分入渗过程进行优化模拟的结果表明蒋定生模型适用于描述本研究坡面土壤水分入渗的特征;耕作措施造成的微地形对土壤结皮的类型有很大影响,在洼地径流携带泥沙堆积形成沉积结皮,地势较高处降雨雨滴直接打击形成结构结皮。研究两种类型结皮发现,沉积结皮相对于结构结皮密度高且孔隙度低,并且两种类型结皮对坡面土壤水分入渗的影响存在差异,沉积结皮平均减渗效应为37.13%,结构结皮平均减渗效应为19.79%,因此,沉积结皮更大程度影响坡面土壤水分入渗。     

坡耕地耕作管理措施对降雨入渗的影响

利用人工模拟降雨装置对坡耕地不同耕作管理措施强化降水入渗规律进行了研究。结果表明,不同耕作管理措施强化降水入渗速率效用不同,在相同入渗时间情况下,强化降水入渗速率等高耕作>人工掏挖>人工锄耕>直线坡,在中小雨强和较短降雨历时情况下,这种情况表现更为显著。在对黄土高原超渗产流理论和坡面水量平衡方程分析的基础上,得出了不同耕作管理措施强化降水入渗速率与入渗时间的函数关系式。     

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。     

农业耕作措施蓄水保土机理分析

在黄土高原沟壑区的淳化县泥河沟流域 ,以常规耕作的直线坡为对照 ,对等高耕作、人工掏挖、人工锄耕的蓄水保土情况进行了人工降雨试验 ,结果表明 ,各种耕作措施均可提高土壤稳定入渗率、延长产流时间、降低坡面径流流速及减少坡面产流量、降低侵蚀模数等 ,其中等高耕作的作用最为显著     

不同土地利用方式下农地土壤侵蚀与养分流失

利用人工模拟降雨装置对影响坡耕地土壤入渗的诸因素进行了研究。发现坡面产流历时与土壤容重、初始含水率、坡度、降雨强度、耕作管理措施呈负相关;土壤稳渗速率与降雨强度、耕作管理措施呈正相关,与土壤容重、初始含水率、坡度呈负相关。通过综合因素分析可知,影响坡面土壤入渗和产流历时的主要因子为土壤物理性质和耕作管理措施。     

半干旱黄土丘陵区土壤水分入渗速率的空间变异性

选择宁夏南部半干旱黄土丘陵区的彭阳县中庄小流域,针对其多年来水保措施的治理成效,利用小型人工模拟降雨和双环注水法入渗试验装置技术,对全流域不同生态恢复与重建地（水平沟、鱼鳞坑、水平梯田、人工牧草、天然草地）,不同地形地貌（坡向、坡位、坡度）进行了多点土壤入渗速率实测。试验结果表明,该流域土壤入渗速率具有明显的坡面垂直变异规律,随着坡度的增加,土壤稳渗率增加,阴坡土壤稳渗率高于阳坡,但其初渗率小于阳坡;坡位对稳渗率的影响表现为南坡上到坡下稳渗率逐渐提高。土地利用方式不同,入渗速率也存在较大差异。     

产流积水法测量坡地降雨入渗动态过程及其精度估计

坡地土壤的降雨入渗性能对于水文过程、土壤侵蚀、水资源相关方面的研究和实践非常重要。产流积水法采用由实验得到的数据，分析了不同坡位土壤入渗率及累积入渗量随降雨时间的变化过程。结果表明不同坡位入渗过程曲线反映了坡面径流到达前后，实际入渗率从降雨强度控制阶段跃升到入渗性能控制阶段，并最终趋于稳定入渗率的全过程。入渗区不同坡位的累积入渗量从坡顶至坡底逐渐减少，而且径流在坡面上推进速度越快不同坡位上的累积入渗量差值越小。通过理论分析，确定了观测径流推进距离误差所引起的测量结果的误差。用水量平衡原理对产流积水法实验结果进行精度估计，并提出了由实测入渗率求入渗水量的解析方法，并将此与实际降雨量进行比较，间接地估计了测量结果的精度。结果表明，产流积水法测量坡地降雨/径流入渗性能具有很高的精度。     

林地土壤的入渗及其模拟分析

本研究对北京密云水库库区的８种主要林分的坡面土壤入渗指标采用双环入渗仪和针头式人工降雨器同时进行测试试验，对常见的四种入渗模型进行了研究和对比，得出了林分的入渗率均大于对照荒草坡。     

植被对含碎石土壤坡面降雨入渗和径流侵蚀的影响

[目的]研究植被对含碎石土壤坡面入渗和径流侵蚀的影响,为合理配置三峡地区含碎石土壤坡面植被提供科学依据。[方法]在建立的径流小区内铺设含碎石土壤,并配置不同种类、不同覆盖度的植被,进行人工降雨试验。[结果]各类小区径流量排序为:裸坡灌木坡面草本坡面草灌混合坡面,入渗量与径流量排序相反,有植被覆盖坡面的壤中流大于裸坡;入渗率服从对数函数规律,产流强度呈幂函数变化;草地对水沙的调控机制更多的是直接拦沙;累计径流量和累计侵蚀量的关系均满足幂函数形式。[结论]植被措施可有效地减少含碎石土壤坡面的水土流失,不同的植被措施减少的效益不同。     

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。     

不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征

坡度和作物生育期是影响坡耕地土壤入渗性能的关键因素,作物生长导致土壤特性及根系变化进而影响坡面入渗过程。通过人工模拟降雨试验,设计4个坡耕地坡度(3°,5°,10°,15°)及2个降雨强度(40,80 mm/h),在谷子4个生育期(拔节初期、拔节中期、抽穗初期、灌浆初期)开展试验,探究坡度和生育期对谷子坡耕地土壤入渗特征的影响机制,并结合入渗模型(Horton、Kostiakov、Philip模型)对谷子坡耕地土壤水分入渗过程进行拟合并评价其适用性。结果表明:(1)随坡度增加土壤入渗能力下降,与3°相比,15°坡耕地土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别减小30.76%~52.38%,21.28%~37.50%和22.51%~43.55%。(2)随着谷子生育期的延长,土壤入渗能力显著增加,与拔节初期相比,灌浆初期时土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别增加23.81%~80.00%,20.83%~40.00%,17.84%~54.10%,表现为拔节初期<拔节中期<抽穗初期<灌浆初期。(3)通过对入渗速率实测值进行拟合,Horton模型对坡耕地土壤入渗过程拟合最好,且模型拟合参数具有物理意义。研究结果可为增加坡耕地降雨入渗、提高水分利用效率、减少坡耕地水土流失提供理论依据。     

坡耕地地表糙度对降水分配的实验研究

地表糙度指地表微小的高低起伏变化,是人为土地管理与土壤侵蚀共同作用的结果,可以影响降雨过程中水分转化与土壤侵蚀过程。该文以直线坡为对照,借助3种常见耕作管理措施（人工锄耕、人工掏挖与等高耕作）产生不同水平的地表糙度,结合人工模拟降雨试验研究地表糙度水分转化效应。结果表明:长历时人工降雨条件下,地表糙度可以强化降雨向土壤水分转化。其强化入渗作用表现为:增加地表填洼量,增大入渗水头与入渗深度,滞后产流时间,削减径流量,进而提高入渗率及水分转化率。坡耕地地表糙度与填洼量成指数关系,与平均入渗率及水分转化率成对数关系。     

不同耕作措施对黑土坡耕地土壤侵蚀的影响

针对黑龙江省西部半干旱区土壤流失情况,在坡耕地径流小区通过野外人工模拟降雨试验,研究不同降雨强度、不同耕作措施下降雨产沙产流特征和过程。试验结果表明:降雨强度越大,对地表径流量和侵蚀量的影响越大,即雨强与径流量和泥沙量呈正相关,各种耕作措施的土壤流失顺序是顺坡垄裸地>横坡垄裸地>等高种植地>深松地>秸杆覆盖地>垄向区田地,植被覆盖地能有效控制水土流失,垄向区田地是这几种耕作措施中减少坡耕地水土流失的有效措施。     

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.     

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.     

黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤水分入渗的对比试验

 为更好地掌握黄土丘陵区不同土地利用方式下的土壤水分入渗性能,采用双环法和人工降雨法,分别对陕西省延安市燕沟流域林地、草地、农地3种土地利用方式的土壤水分入渗过程进行了对比试验。结果表明:双环法能较好的反映水向土中的入渗过程;而人工降雨法可以较为真实地反映天然降雨过程中雨水向土中的入渗过程,两者有很大的不同,主要表现在土壤水分的入渗速率变化过程方面。前者测定的土壤水分入渗速率主要受制于土壤的物理性状,而后者:不但与土壤物理性状有关,还与降雨强度有较密切的关系。在人工模拟短历时暴雨条件下, 对于林地和荒坡草地,土壤水分入渗速率有随雨强增大而增大的趋势,而对于裸耕农地,随着雨强的增大,土壤水分入渗速率有降低的趋势。     

紫色土坡耕地降雨入渗试验研究

在田间条件下,利用人工模拟降雨研究了坡度、降雨、耕作方式对紫色土坡耕地入渗过程的影响.试验结果表明:雨强对入渗过程有重要影响.当雨强在19.62～111..69 mm/h之间变化,稳定入渗率随雨强增加而增大.坡度对入渗的影响比较复杂.在5°～25°范围内,随坡度增加,稳定入渗率表现出升-降-升的变化趋势,在10°与20°分别存在极大值与极小值.中耕显著增加了水分入渗,特别在高强度降雨下,中耕使稳定入渗率增加1倍以上,入渗补给系数增大50%以上.入渗率随降雨历时增加而减小,二者关系可以用乘幂函数描述.累积入渗量可以用降雨历时的线性函数来表示.