基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

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.     

耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型及验证

该文旨在通过分析土壤裂隙存在下的土壤优先流运动模式与特点,建立耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型(crack preferential flow model,CP模型)。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和三维土壤裂隙网络区水流运动方程耦合。模拟与试验结果表明,增加降雨或灌溉强度能促进激活裂隙通道作为优先流通道,有利于优先流形成。CP模型及耦合方法较好地描述出了优先流运动的特点,模拟与实测的土壤饱和度均方根误差为0.016~0.025,决定系数均在0.78以上(P0.05),偏差为0.020~0.026,一致性指标为0.918~0.938。与等效连续体模型(Richards模型)相比较,CP模型模拟裂隙存在情况下土壤水流非均匀性规律更有效。研究丰富了土壤优先流理论,对提高农田水分利用率具有重要的意义。     

作物生长条件下农田水盐运移模型

将农田水、盐运移与作物动态生长这一大系统分解、组合,分别建立了饱和—非饱和土壤水分运动、土壤盐分运动及农作物生长３个子模型,分析了３个子模型之间的动态耦合关系,并给出了相应的求解方法,结合实例进行分析,结果表明,实测资料与计算结果吻合较好,为节水灌溉和防治盐渍化提供了新的决策途径。     

层状土垂直一维入渗土壤水分运动数值模拟与验证

[目的]为进一步认识层状土垂直一维入渗土壤水分运动规律。[方法]依据非饱和土壤水分运动理论,建立了垂直一维土壤饱和—非饱和水分运动的数学模型,并用SWMS-2D软件进行求解。采用已有文献资料,对均质土和层状土的土壤剖面含水率、土壤湿润锋运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模拟值进行分析验证。[结果]实测值与模拟值具有较好的一致性,所提出的数学模型既适用于均质土壤,也适用于层状土壤。[结论]所建模型能比较真实地反映均质土和层状土垂直一维入渗土壤水分运动的状况,证明利用SWMS-2D软件对层状土柱中土壤水分运动进行模拟具有可行性。     

一个稻田土壤-作物体系的氮素循环模型

模型为一维模型,其主要框架由土壤水分运动、N素迁移转化以及水稻生长3个模块组成。在土壤水分运动模拟中,考虑了可能存在的饱和流和非饱和流;在N素运移中将土壤中的NH4 、NO3-和尿素视为土壤溶质,用对流弥散方程模拟其在垂直方向上的运移;在N素转化过程中考虑了尿素水解、有机N矿化、氨挥发、硝化、反硝化以及NH4 的吸附这6个过程;对于作物生长的模拟,选用了ORYZA水稻生长模型,并结合田间实验修改了其中一些参数。使用该模型对3年的田间试验进行了模拟验证,对于土壤中矿质态N素以及水稻生长的模拟,都得到了较好的模拟结果,通过与实测值的分析比较,耕作层的NH4 -N浓度,水稻各部分的生物量模拟值与实测值的吻合都达到了显著水平。     

农药在土壤中迁移及其影响因素的初步研究

本文运用非饱和土壤中水分运动和溶质运移基本理论,建立了非饱和土壤中农药运移的数值模拟模型.模型中考虑了农药在土壤中迁移与转化的主要过程:附土壤水分的对流;水动力弥散;土壤吸附及生物化学降解等.模型得到了室内土柱中灭幼脲-Ⅲ号杀虫剂淋溶试验的验证.文中分析了各种因素对该农药存土壤中迁移的影响,并且对两种不同的农药进行了比较.研究表明,在本文所研究的条件下影响农药在土壤中迁移与转化的主要因素是土壤吸附和农药在土壤中的降解.     

土壤水热盐运动模型的建立与初步验证

以土壤物理基本定律为基础，建立了结冻、未结冻、饱和、非饱和土壤的水热盐耦合运动通用模型。该通用模型可简化为土壤水或热运动的单一模型。通过二维有限元数值解、一维模拟程序的编制和计算预测，与内蒙河套长胜渠杨树壕试验点在１９８８年秋～１９８９年春期间耕层积盐过程实测值对照，模型得到初步验证及应用。     

细沟侵蚀动态过程模拟数学模型和有限元计算方法

建立了集中水流作用下均质土壤坡面上细沟侵蚀动态模拟数学模型。模型包括根据质量守恒原理推导而得到的变沟宽水流连续性方程和泥沙运移方程；根据动量守恒方程推得到的水流动力学方程；由紊流冲击分布概率来确定的土壤剥离方程；过量泥沙采用沉积的一阶沉积方程。模型还考虑了沟床形态、水流动力、土壤侵蚀与泥沙沉积形成相互依赖的反馈环，具有表达细沟的空间变化和时间演变的能力。给出了利用有限元方法对水动力学方程及泥沙运移连续方程进行顺序求解的数值计算公式以及模型数值求解的具体步骤。     

田间一维饱和─非饱和土壤中氮素运移与转化的动力学模式研究

建立并验证了一个排水条件下田间－维饱和－非饱和土壤中ＮＨ４＾＋－Ｎ和ＮＯ３＾－运移与转化的耦合模型,模型中考虑了有机质的矿化、氮素的吸附、硝化、反硝化、氮气挥发及作物根系吸氮等氮素转化作用过程,同时也考虑了土壤温度和湿度对氮素转化的影响。该模型可用于描述田间土壤中氮素的行为,所得结论可供农业生产实际和环境保护参考。     

基于前期有效降水推算耕作层土壤湿度的方法

土壤水分是研究水资源循环及干旱监测的重要指标。本文基于土壤水分平衡原理提出,在无灌溉的条件下,当前土壤含水量主要由前期有效降水决定,并利用荆州（1982—2006年）、随州和麻城（1993—2006年）3个站点的土壤湿度实测资料,建立了0-10cm、10—20cm土层的土壤湿度与前期有效降水量线性回归方程。模型检验效果较好,0-10cm土层的准确率在85％左右,10—20cm的准确率高于85％;在2007年湖北部分地区秋冬季干旱监测实际应用中准确率达93％以上。此模型与一般经验模型相比,不依赖于前期土壤湿度资料,适用范围更广、时效性强,更具有推广价值。     

山西省代表站不同土层逐旬土壤相对湿度预报模型

以改进本地农业气象服务为目的,使用山西省3个代表站的土壤湿度资料和旬气象资料,根据土壤水分平衡方程,从影响土壤湿度变化的因素出发,分析和筛选了预报因子;应用SPSS统计分析软件,用线性回归方法得到代表站不同土层旬相对湿度的预报模型,经对历史资料回代和2007年各土层进行预报检验,除10cm土层外,相对误差都在30％以下;此方法简单易行,对半干旱半湿润气候区雨养田土壤相对湿度的预报具有一定的参考价值。     

干旱荒漠区EC-5土壤水分传感器的校准和应用

应用EC-5土壤水分传感器在沿黄干旱荒漠绿洲地区的风沙土和粘土两种土壤类型中对不同土层深度的土壤含水率进行测定,同时以烘干称重法测定数据为标准值,采用回归分析方法建立EC-5在两种土壤中测定含水率的校准模型。结果表明,风沙土的校准模型为线性函数,且与埋设土壤深度有关,QS=0.71393S+0.01543D+1.71354(R2=0.920,P<0.05),D为土层深度(cm),S为传感器输出值(%);粘土的校准模型则为非线性的,lnQN=1.112S0.316(R2=0.949,P<0.05)。通过模拟回代结果显示,模拟值与标准值间均具有显著的相关性。在EC-5的应用验证阶段,校准值能够反映该地区风沙土和粘土土壤含水率的年变化特征,校准值与传感器输出值之间呈极显著相关关系(P<0.01),说明EC-5土壤水分传感器的校准模型稳定可靠,应用效果良好。     

基于单一和集合土壤转换函数模型对土壤含水量的模拟性能分析

土壤转换函数(Soil pedotransfer function,PTF)是一种高效获取土壤水力参数的方法。由于土壤具有很强的空间异质性,确定最优PTF模型成为模拟土壤含水量的关键。为此,以海河流域3个实验场地(密云站、大兴站、馆陶站)为研究区,采用7种常用的单一PTF模型预测土壤水力参数作为HYDRUS-1D的模型参数,求解Richards方程获得土壤含水量,并与实测土壤含水量进行比较,评价了常用单一PTF模型预测的土壤水力参数对土壤含水量的模拟性能。此外,采用3种方法构建集合PTF模型,评价了集合PTF模型对土壤含水量的模拟性能。结果表明：基于van Genuchten方程构建的单一PTF作为模型参数模拟土壤含水量的均方根误差最小;而其中Rosetta3模型表现更优。在集合PTF模型中,基于遗传算法加权法构建的模型表现最好。集合PTF模型预测土壤水力参数可以较好的捕捉多个单一PTF预测土壤水力参数的整体趋势,弥补单一PTF在某些情况下模拟误差较大的不足。     

基于实时含水率数据的土壤墒情动态建模及预测

实时准确地预测墒情是进行灌溉预报,实现农田水分精准化管理,提高水分利用效率的重要措施。基于根区（0−60cm土层）水量平衡原理,利用泰勒级数对根区下界面水分通量和作物蒸腾量进行了线性化处理,并以实时根区平均土壤含水率为自变量构建了动态的土壤墒情预测模型。采用天津市武清区西吕村无线土壤墒情监测系统（包含3个监测点）实时监测数据（地表下30cm和60cm处的土壤含水率）,分别选取5d、10d、15d和20d作为建模系列长度进行回归分析,确定模型参数,对10d和15d两种预见期进行了土壤墒情预测精度分析。结果表明：（1）实时预测模型拟合程度较好,三种建模系列长度条件下的确定性系数均达到0.80以上（样本数均大于550）;（2）15d建模系列长度下相对误差最小;（3）15d建模系列长度、15d预见期、10%相对误差界限值条件下,3个监测点的墒情预测合格率分别达到98%、100%和89%。由此可见,研究提出的实时墒情预测模型预测精度较高,便于建模分析,为土壤墒情的预测提供了新方法。     

冬小麦旱情监测中土壤水分估算模型的互补性——以河北省为例

旱灾是影响我国农业最大的气象灾害。频发的冬春旱尤其是春旱恰逢冬小麦生长的关键阶段,对我国的冬小麦生产造成了严重影响,利用遥感技术实现冬小麦旱情监测成为当前农业旱情管理的一个重要发展方向。采用2005年EOS/MOD IS数据产品,对春季不同时段内河北省旱情监测遥感信息模型的互补性进行了研究,得出以下结论:(1)在冬小麦生长的不同时期,ATI模型与TVD I模型之间具有较好的互补性,3月冬小麦旱情遥感监测应选取ATI遥感信息模型;(2)4月~5月表层土壤的RSM-TVD I、RSM-ATI的拟合方程均通过了置信度α=0.001水平的t检验且相关性较好,TVD I和ATI均可以用来估算4月~5月土壤表层土壤水分;(3)4月~5月RSM-TVD I、RSM-ATI的相关性与误差分析结果表明:4月上旬和4月中旬可选择ATI模型或TVD I模型进行冬小麦旱情遥感监测,但以4月上旬选择ATI模型、4月中旬选择TVD I模型为佳,4月下旬~5月下旬TVD I模型是比较合适的冬小麦旱情遥感监测模型。     

鄂东南崩岗剖面土壤水分特征曲线及模拟

崩岗是我国南方花岗岩地区破坏性极强的水土流失类型。以鄂东南地区两个典型的崩岗剖面为对象,探讨崩岗剖面包括表土层、红土层、斑纹层和碎屑层的土壤水分特征及方程拟合过程,明确崩岗发生的水分运动机理。结果表明:崩岗土壤释水量伴随吸力呈规律性变化,其中斑纹层和砂土层低吸力时脱水能力大于表土层和红土层,高吸力时各个层次土壤水分特征曲线趋于平缓。利用当量孔隙的计算发现不同土层的孔隙变化也存在变化规律,均体现为由表土层至碎屑层土壤大孔隙比例增加而毛管孔隙减少。选取van Genuchten方程和Gardner方程对崩岗剖面土壤实测数据进行了曲线拟合,同时进行了两个方程的拟合评价,R2基本在0.9以上,同时残差平方和的数量级在10-3和10-5之间。研究表明,van Genuchten方程参数能够较好地拟合崩岗表土层和红土层土壤水分特征曲线的实测数据,误差相对较小,而Gardner方程适用于斑纹层和碎屑层土壤。     

藏北地区土壤水分遥感反演模型的研究

土壤水分是反映地表土壤特性的重要表征参量,也是遥感反演领域的一个热点问题。利用MODIS卫星数据第7波段对水分变化较敏感的特点,构建了一种简单实用的土壤水分反演回归模型。结果表明,利用该模型计算的预测值与实地观测值间的相关性比较好,达到了显著水平(P0.001),可以作为研究区土壤含水量遥感反演回归模型。由于该方法具有简单实用的特点,为高原土壤水分遥感监测提供了可行的方法。     

基于CWSI和土壤水分修正系数的冬小麦田土壤含水量估算

2000年10月～2001年7月在西北农林科技大学灌溉实验站冬小麦田内,进行了利用作物冠层温度定量估算冬小麦田土壤含水量的试验研究。根据水分亏缺条件下作物蒸发蒸腾量计算公式及作物水分胁迫指标(CWSI)的定义,得到了基于CWSI和土壤水分修正系数Ks的不同生育阶段冬小麦田土壤含水量估算公式,其中Ks采用了康绍忠的幂函数形式(KM)及Dooreboos的线性公式(DM)。用该公式对冬小麦田土壤含水量在4个生育阶段进行了估算,并对估算值和实测值进行对比和误差分析。分析结果表明:在出苗越冬期和越冬返青期KM和DM模型对土壤水分的估算偏高,其原因是由于麦田土地裸露导致CWSI观测中出现了较大误差;在返青抽穗开花期和灌浆成熟期KM模型估算冬小麦根层土壤含水量较适宜,误差在15%以内,DM模型误差较大达到30%。     

Sediment transport rate-based model for rainfall-induced soil erosion

A one-dimensional mathematical model, termed sediment transport rate-based model, is developed for determining rainfall-induced soil erosion and sediment transport. The model is comprised of (1) the kinematic-wave equation for overland flow, (2) a transport rate-based advection equation for rainfall-induced soil erosion and sediment transport, and (3) a semi-Lagrangian algorithm for numerical solution of the soil erosion and sediment transport equation. A series of soil flume experiments under simulated rainfalls were conducted to simulate the overland flow and sediment transport and to test the sediment transport rate-based model. Numerical results of sediment transport rate-based model indicate that (i) hydrographs display an initial rising limb, followed by a constant discharge and then a recession limb; (ii) sediment transport rate graphs exhibit the distributions similar to the hydrographs; and (iii) sediment concentration graphs show a steep-receding limb followed by a constant distribution and a receding tail. The numerically simulated hydrographs, sediment transport rate and concentration distributions are in good agreement with those measured in laboratory experiments, demonstrating the efficacy of the transport rate-based model.