冻融土壤Kostiakov入渗模型参数的非线性预报模型

在山西汾河灌区季节性冻土区进行了3个越冬期的大田冻结土壤水分入渗试验,获取了Kostiakov冻结土壤二参数入渗模型参数的实测大样本,建立了各个土壤水分入渗参数与土壤理化参数间的非线性关系模型;通过MATLAB软件,实现了Kostiakov二参数入渗模型系数的求解。研究表明:用常规土壤理化参数土壤含水率、密度、物理性黏粒含量、土壤温度和有机质含量作为非线性预报模型的输入参数实现对入渗参数的预测是可行的,所建立的非线性关系模型高度相关,预测参数的实测值与预测值的相对误差可控制在10%以下。因此,用土壤常规理化参数对冻融土壤的水分入渗参数进行非线性预报是可行的,可为季节性冻土区冬季储水灌溉提供技术支撑。     

考虑土壤结构变形的Kostiakov入渗模型参数非线性预报模型

以山西黄土高原区头水地及以后各次灌水的土地为研究对象,通过实施大量大田耕作土壤水分入渗试验,获取了Kostiakov三参数累积入渗量模型的实测大样本,考虑每个生产周期第一次灌水过程中表层土壤结构的变形特性,建立了Kostiakov三参数累积入渗量模型的参数与土壤理化参数间的非线性关系函数。研究表明,常规土壤理化参数土壤含水率、密度、黏粒含量、粉粒含量和有机质作为土壤入渗参数非线性预报模型的输入变量是合理的,所建立的非线性关系模型高度相关,土壤入渗参数的实测值与预测值的相对误差可控制在9%以下;考虑到第一次灌水过程中表层土壤结构的变形特性,对表层土壤结构进行修正,更加真实地反映土壤结构对入渗参数的影响,并为各灌水时期提供科学合理的节水依据。     

冻融条件下土壤水分入渗参数BP预报模型研究

为提高季节性冻土区冬季储水灌溉的灌水质量和效果,基于冬季冻土期的大量田间冻土入渗试验样本,建立了基于BP神经网络模型的Kostiakov三参数入渗模型参数的预测模型,实现了利用土壤基本理化参数地表土壤容重、含水率及冻结土壤特有参数冻土层厚度、灌溉水温、土壤温度对入渗模型参数的预报。通过BP神经网络对数据样本和入渗参数进行的非线性逼近训练和误差分析,得到其平均相对误差都小于5%,在可接受范围内。这表明基于基本理化参数及特有影响参数建立的Kostiakov土壤入渗经验模型的三参数预报模型是可行的。研究结果对于冬季冻融土壤灌溉技术参数的确定有重要的支撑作用。     

土壤入渗模型参数的多元线性预测模型精度的对比分析

基于黄土高原大田耕作土壤的入渗试验数据,利用多元线性回归法建立了Kostiakov二参数、三参数以及Philip入渗模型参数的线性预测模型,进行了3种模型参数平均误差的比较以及给定时间的累积入渗量误差的比较,提出了便于应用又具有较高精度的土壤水分入渗参数多元线性预报模型。结果表明,Kostiakov二参数模型的平均误差低于三参数入渗模型和Philip入渗模型,能将平均误差控制在15%以下,低于其他2种入渗模型。因此用Kostiakov二参数入渗模型对土壤水分入渗能力进行预测较好。     

基于支持向量机的土壤水分入渗参数预测研究

为解决土壤水分入渗能力的空间变异性问题,以方山、河津、泽州等地土壤入渗试验为背景,选用两参数Kostiakov入渗模型,建立以土壤密度、体积含水量、黏粒和有机质含量等土壤理化参数为输入变量,土壤水分入渗参数为输出变量的土壤传递函数。通过对入渗参数k、α的土壤理化参数影响因子分析,表明土壤理化参数与土壤入渗参数间存在着相关关系。在此基础上,运用支持向量机理论,将入渗参数的非线性回归问题转化为一个二次凸规划问题,建立了土壤入渗参数k、α的预测模型,通过对预测样本的误差分析,表明基于支持向量机土壤水分入渗参数预测模型的预测效果良好,可实现土壤传递函数的有效建立。     

不同土壤入渗模型参数多元非线性预测模型的精度对比分析

为了对不同土壤入渗模型参数多元非线性预测模型的精度进行对比分析,基于区域性黄土田间耕作土壤水分入渗实测资料,分别对Kostiakov、Kostiakov-Lewis以及Philip入渗模型的参数建立了以土壤体积含水率、干密度,黏粒、粉粒和有机质含量等土壤基本理化参数为输入变量的多元非线性传输函数,并进行了精度分析和比较。结果表明:Kostiakov入渗的二参数模型参数的平均误差在9%以下,预测精度明显高于Kostiakov-Lewis三参数入渗模型参数10.78%和Philip入渗模型参数11.72%。因此,推荐形式简单且预测精度高的二参数模型参数多元非线性预测模型为土壤入渗模型参数预测模型。     

冻融土壤Philip入渗模型参数的BP预报模型

为提高季节性冻土区冬、春季储水灌溉的灌水质量和效果,在季节性冻土区冻融期间进行了大田冻融土壤的系列入渗试验,获取了自然冻融条件下的大量土壤入渗试验数据,拟合得到了不同冻融条件下的Philip入渗模型参数,建立了入渗模型参数与土壤基本理化参数间的BP神经网络的预报模型,实现了基于土壤体积含水率、黏粒含量、土壤密度、土壤温度以及灌溉用水水温等基本理化参数对Philip入渗模型参数稳渗率A、吸渗率S的预报。所得到的预测值与实测值之间相对误差的平均值控制在7%以内。研究表明,利用冻融土壤条件下土壤常规理化参数对Philip入渗模型参数进行预报是可行的,可为季节性冻融土壤灌溉技术参数的确定提供有力支撑。     

土壤入渗传输函数输入变量分析

依据土壤水分入渗参数与其相关土壤理化参数之间的相关性,从土壤学的角度用物理的方法分析应县土壤常规土壤理化参数对土壤入渗传输函数影响程度,进一步确定其土壤入渗传输函数的输入变量。并用大田耕作土壤水分入渗参数及其土壤理化参数的实测资料,建立土壤入渗传输函数进行验证。     

基于神经网络方法的季节性冻土Kostiakov入渗模型参数预测

以提高季节性冻土区农业冬春储水灌溉质量为研究目的,基于田间冻土入渗试验资料,建立了以冻融土壤基本理化参数为输入变量,Kostiakov累积入渗量模型参数为输出变量的BP预测模型。所建参数模型对入渗系数K和入渗指数α预测值的平均相对误差在4%以下,在可接受范围之内。结果表明,选择土壤黏粒量、体积质量、体积含水率、地表土壤温度和灌溉水温作为冻融土壤入渗参数BP预报模型的输入因子是合理的,建立的冻融土壤入渗参数BP预报模型是可靠的。     

土壤入渗参数的线性传输函数研究

基于大田耕作土壤水分入渗参数及其相关土壤理化参数的测定资料,依据土壤水分入渗参数与其相关土壤理化参数之间的相关性,建立了土壤水分入渗参数与常规土壤理化参数土壤水分入渗参数间的多元线性线性传输函数,预测值的相对误差可控制在18.45％以下。研究表明借助多元线性传输函数,用土壤常规土壤理化参数预测土壤入渗参数是可行的,为获取土壤水分入渗参数提供了一种新的途径。     

常温土壤导热系数模型评价及改进

导热系数是土壤热传递的基本参数,在许多领域发挥着重要作用。土壤导热系数的获得需要耗费大量的时间和精力,为了方便准确地获得土壤导热系数,将5种土壤导热系数实测值与Campbell、Johansen、C?té-Konrad以及Lu-Ren导热系数模型计算值进行了比较,并且引入了一个与土壤质地有关的参数F对误差较大的Campbell模型进行了改进。改进后的模型其NES、RMSE和PBISA范围为0.938~0.996、0.039~0.084,-0.067~0.016,明显优于原模型0.632~0.975、0.089~0.217、-0.011~0.252。然后,利用其他地区10种土壤的导热系数对改进后模型进行了验证。结果表明,土壤导热系数预测值稳定分布在1∶1线附近,修正后模型也能准确地计算其他地区土壤导热系数。     

土壤压实模型分析

农业机械造成的土壤压实逐渐成为一个世界性问题。运用模型的方法评价土壤压实可以有效揭示土壤压实机理。为此,分析了土壤压实模型的分类、特点和建模所需的因素,重点分析了近似分析模型和有限元模型评价土壤压实的原理和各类模型的特点,从而为有效揭示土壤压实机理提供理论依据。     

农膜残留对砂壤土和砂土水分入渗和蒸发的影响

通过室内试验设置5个不同残膜量(0、50、100、200、400 kg/hm~2)处理,研究不同残膜量对砂壤土和砂土水分入渗湿润锋、入渗速率、累积入渗量、土壤累积蒸发量和蒸发速率的影响,并评价了主要土壤入渗、蒸发模型在农膜残留土壤的适用性。结果表明:随着土壤中残膜量增多,砂壤土和砂土入渗速率变慢,土壤湿润锋运移相同距离所需时间均显著增加,其中运移30 cm时,砂壤土残膜量400 kg/hm~2处理(SL5)比无残膜处理(SL1)运移时间增加了27.56%;相同入渗时间内累积入渗量随残膜量增加均显著减小(P0.05),入渗结束后SL5处理比SL1处理累积入渗量减小了52.01 m L(23.12%);残膜量增加导致蒸发速率、累积蒸发量都显著减小(P0.05),蒸发结束后SL5处理比SL1处理累积蒸发量减小了30.63%,且不同残膜量对砂壤土的影响大于砂土。对4个土壤水分入渗及蒸发模型进行拟合,结果显示Kostiakov和Philip入渗模型均能较好模拟残膜条件下土壤水分入渗,其中Philip入渗模型拟合精度高于Kostiakov入渗模型,且对砂土中农膜残留下的土壤水分入渗模拟效果更好;Black蒸发模型随着残膜量增加拟合精度下降,而Rose蒸发模型受残膜量的影响较小,更适合于农膜残留土壤累积蒸发量估算。     

农田干缩裂隙形态特征及其裂隙率预测模型研究

农田干燥收缩产生的裂隙影响土壤水力-物理结构特征，并为农田灌溉水或污染物运移产生优先通道。为揭示农田裂隙形态和基质收缩等演化特征，并对土壤裂隙率进行预测，基于室内土壤收缩及裂隙发育模拟试验，采用图像处理及形态学算法分析了裂隙几何特征，选取非侵入性局部收缩分析方法量化基质域收缩特性；根据脱湿过程中土壤孔隙由基质域向沉降域和裂隙域中的转换机理，结合收缩特征曲线VG-PENG模型、收缩几何因子Logistic函数2个子模型，提出土壤裂隙率预测模型，并对不同厚度土壤试样的裂隙率进行验证。结果表明，厚度在土壤开裂过程中对裂隙形态影响显著，表现为随着土壤厚度加大，土壤表面大裂隙宽度总体加大，且裂隙骨架密度减小，土壤收缩开裂进程放缓；土壤在干燥过程中，基质收缩呈现非均匀特征，并向块区型芯聚集，裂隙边壁区域呈现出局部集中变形区，且收缩量随土壤厚度增加而增大。裂隙率预测模型结合土壤收缩非均匀性特征，从土壤物理角度预测了裂隙率关于含水率的演化过程，有效模拟了裂隙率随含水率演化规律(模型决定系数R²>0.91)。模型弥补了以往裂隙模型未考虑收缩各向异性的不足，可为裂隙流模型构建及...     

季节性冻土的水热作用机制研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。     

西藏林芝地区土壤水分特征曲线适用性研究

西藏地区自然气候特征、成土母质和成土条件有着显著的地区特性,了解西藏高原地区土壤水动力学特性对于研究高原地区水文和水循环过程具有重要的意义。2015年分别在林芝地区米林县(海拔2 905 m),八一镇(海拔3 240 m)和林芝县(海拔3 879 m)3个青稞种植区田间取样,在原状土土壤水分特征曲线测试的基础上,研究了西藏林芝地区土壤基质势和土壤含水率之间的关系,并建立了参数的微分求解方程,发展了土壤水分特征曲线非线性函数的参数估计方法;基于实测值构建Jacobi矩阵,采用全局性最优方法确定了van Genuchten模型和Gardner-Russo模型的参数。结果表明,-11.0~-4.0、-42.0~-11.0 k Pa以及-54.0~-42.0 k Pa基质势区段的单位基质势平均含水率变化量分别为5.4×10-3、11.2×10-3和6.7×10-3cm~3/(cm~3·k Pa),最大差异性发生在-54.0~-42.0 k Pa之间,西藏地区的土壤水分特征曲线形状主要决定于黏粒质量分数,而砂粒质量分数则主要影响土壤水分特征曲线的变异性。van Genuchten模型和模拟6组试验数据的相对误差平均值和最大值分别为0.04和0.09。采用Gardner-Russo模型模拟6组试验数据的相对误差的平均值和最大值分别为0.06和0.14。van Genuchten模型模拟西藏林芝地区的土壤水分特征曲线的精度及有效性显著超过Gardner-Russo模型。     

南北方粘质土壤密度对土壤水分特征van Genuchten模型的影响研究

以南北方典型粘质土壤红壤和塿土为试验土样,通过水平入渗试验进行了土壤密度变化对土壤水分特征van Genuchten模型参数的影响研究。研究结果表明,特征湿润长度、吸力、饱和含水量、滞留含水量、饱和导水率均随土壤密度增加而减小;土壤水分特征van Genuchten模型参数n随着土壤密度的增加而递增,而参数α随着土壤密度的增加而减小,与土壤密度成反比;参数n和参数α随土壤密度变化关系可用幂函数来描述。为建立吸力、土壤密度、质量含水率三变量的土壤水分特征曲面提供新的途径,有助于完善土壤水动力学理论。     

温室电动松土机松土部件的数学研究

介绍了温室电动松土机松土部件的选择要求,在分析松土铲碎土的两种方式的基础上,建立了描述松土机械中最常见的楔子作用的数学模型,为选用合适的松土铲创造了条件.     

基于"3S"技术的典型草原栗钙土层结构模型

针对典型草原土壤结构特征及草原风蚀退化的现状,在内蒙古自治区锡林郭勒盟乌珠穆沁典型草原地区,选取约400km2面积的研究区,采用"3S"一体化技术,获取典型草原地表特征及采样点的三维坐标数据,通过实地打点取样,测量栗钙土层厚度,并结合SuperMap软件建立栗钙土层结构DEM模型。经分析研究可知:栗钙土层结构受多种因素影响,不同地形结构可能有不同的土层厚度。建立土壤结构模型,研究环境条件与土壤结构关系,推断土壤的空间分布,可以实现草原土壤结构动态监测,为预防和控制风蚀沙化提供基础数据,为典型草原生态保护与合理利用提供了科学依据。