基于BP人工神经网络的长江河口地区土壤盐分动态模拟及预测

为开展长江河口地区土壤盐分动态的中长期模拟与预测,采用人工神经网络中应用较为成熟和广泛的BP网络建立长江河口地区土壤盐分与降雨量、蒸发量、长江水电导率、内河水电导率、地下水位、地下水电导率6因子间的非线性神经网络响应模型。网络模型结构为6-11-1,隐含层单元数用"试错法"确定。选择合适的参数训练和学习网络模型后,对河口地区2003年各月平均根层土壤电导率进行预测,并与线性回归模型预测结果进行比较。结果表明:BP网络模型较线性回归模型具有更高的预测精度,平均相对预测误差为7.3%,预测值与实测值相关性良好,可以满足实际应用需求。     

苏北典型滩涂区土壤盐分动态与水平衡要素之间的关系

为获知苏北滩涂区土壤水盐动态行为,从而为后续的节水灌溉和滩涂区农田水管理策略提供理论依据,该文选取典型滩涂区,进行土壤水、盐和地下水埋深的长期连续监测,并根据大丰市气象站提供的降水、地表蒸散数据,对土壤盐分变化和水平衡要素之间的关系进行探讨。结果表明：土壤表层盐分最高,波动最为剧烈,随深度不断增加,盐分逐渐降低,且波动趋缓。试验区夏季降水丰富,蒸散量相对较低,土壤含水率高,地下水埋深浅;冬季降水少,蒸散量较高,土壤含水率下降,地下水埋深较深。地下水埋深和水补充量是0～40 cm土层土壤盐分的主要影响因子;地下水埋深和蒸散量是60～80 cm土层土壤盐分的主要影响因子。地下水盐分是土壤盐分累积的主要来源,降水脱盐作用仅对0～40 cm表土作用显著,蒸发积盐作用则在整个土壤剖面上具有影响。该研究为消减苏北滩涂区土壤盐渍化灾害提供了科学依据,对指导农业生产具有重要意义。     

BP神经网络算法在河西绿洲玉米生产碳排放评估中的应用及算法有效性研究

针对作物生产碳排放预测较为困难的实际问题,提出基于BP神经网络算法的玉米生产碳排放预测模型。选择地处河西走廊石羊河下游的民勤绿洲246家农户,面对面调查玉米种植户农场内生产投入数据,将玉米生产投入数据作为神经网络输入层;查阅和梳理国内外相似区域玉米生产环节碳排放系数,运用碳足迹生命周期法计算得到的碳排放值作为神经网络输出层;基于BP人工神经网络算法,运用试凑法确定网络隐含层节点个数,建立河西绿洲玉米生产碳排放预测模型,选择多元线性回归模型、多元非线性回归模型,对该模型有效性进行评估。研究结果表明,3层且各层节点数9、10、1的神经网络结构能够准确预测河西绿洲玉米生产碳排放,其碳排放预测值为0.763 kg(CO_2-eq)·kg~(-1)(DM);9-10-1结构的神经网络预测模型的相关系数(R~2=0.984 7)高于多元线性和非线性回归模型,该神经网络结构模型的均方根误差(RMSE=0.069 1)、平均绝对误差(MAE=0.051 3)均低于其他模型,BP神经网络算法预测性能明显优于其他预测模型。该研究为准确预测农业生产碳排放提供了新思路和可操作方法。     

OLI与HSI影像融合的土壤盐分反演模型

土壤盐渍化问题是黄河三角洲地区主要的土地退化问题,借助遥感技术快速、准确地掌握土壤盐渍化信息,对农业可持续发展具有重要意义。该文以黄河三角洲垦利县为研究区,利用超球体色彩空间变换算法,将环境一号卫星HSI高光谱影像与Landsat 8 OLI多光谱影像进行融合,选择土壤盐分的特征波段,结合土壤盐分的实测数据,建立统计分析模型(多元线性回归、偏最小二乘回归)和机器学习模型(BP神经网络、支持向量机和随机森林),对土壤盐分进行遥感反演。结果表明:OLI影像的统计分析模型和机器学习模型精度均较低,精度最高的随机森林模型相关系数仅为0.570;HSI影像的反演模型精度高于OLI,BP神经网络模型相关系数为0.607;融合影像反演模型精度明显高于HSI影像和OLI影像,土壤盐分含量的实测值与机器学习模型预测值具有良好的相关性,BP神经网络模型、支持向量机模型和随机森林模型的决定系数R~2分别达到0.966、0.821和0.926,模型反演精度较高。研究表明,多光谱和高光谱影像融合能显著提高土壤盐分遥感反演精度,机器学习模型的反演效果明显优于统计分析模型。研究结果对黄河三角洲典型地区的土壤盐分反演具有积极的理论和实践意义。     

区域土壤水盐空间分布信息的BP神经网络模型研究

针对黄河下游三角洲盐渍区土壤水盐动态的复杂性和空间的变异性,将人工神经网络引入土壤水盐信息的模拟和预测中,探讨了3层网络结构下隐含层神经元数对网络训练和预测的影响,建立了0～20cm表土层水盐含量及其空间分布的BP神经网络模型。结果表明:研究区域表土层水盐与土壤容重和地下水性质间均具极显著的关联性,表土层盐分BP网络的输入因子以经、纬度坐标、土壤容重、地下水埋深和矿化度5个变量为宜,含水量则为经、纬度坐标、土壤容重和地下水埋深4个变量;隐含层神经元数过多会导致"过拟合",当表层土壤盐分和含水量BP网络的拓扑结构分别为5:8:1和4:6:1时,其预测精度最高;表土层水盐BP神经网络模拟值与观测值得到的分布图表现出相似的空间格局,BP神经网络模型有效地模拟了表土层水盐含量及其空间分布特征。该研究为黄河三角洲地区土壤盐渍化的发生、发展及演变规律分析提供理论基础,并为盐渍土地的水盐调控与科学管理提供决策依据。     

浅地下水埋深条件下土壤水盐动态BP网络模型研究

针对浅地下水埋深条件下作物生育期内根系层土壤水盐动态模拟中存在的问题，将人工神经网络引入水盐动态的模拟和预报中，建立了根系活动层0～60 cm和0～100 cm深度内土壤水盐动态的BP网络模型。结果表明，以生育时段初平均土壤含水率、平均土壤盐分指标、地下水水位埋深、地下水盐分指标、时段内水面蒸发量、降雨量(包括灌水量)、生育期日序列7个因素为输入因子，以生育时段末平均土壤水分、平均土壤盐分指标为输出因子的BP网络模型可有效表征土壤水盐动态及其影响因素之间的内在复杂关系，并且有较高的精度。该研究为分析浅地下水埋深条件下作物生育期内土壤水盐动态规律的分析提供了一种有效可行的方法，是对传统土壤水盐动态研究的补充。     

不同阈值下土壤盐分的空间变异特征研究

指示克里格法(Indicator Kriging,IK)应用的关键是阈值的合理选择。本文以黄淮海平原盐渍土改良区典型县域禹城市为研究区域,在1.0 g kg-1、2.0 g kg-1、3.0 g kg-1等3个盐分阈值下,对0～20 cm耕地土壤盐分的变异函数、预测概率、预测概率空间分布的变化规律进行了研究。结果表明,(1)不同阈值下土壤盐分含量均具有中等强度的自相关性,随着阈值的减小,土壤盐分的空间结构性增强,变异函数的模型精度增大,因此从指示变异函数模型精度考虑,1.0 g kg-1盐分含量为研究区域盐渍化风险评价的最佳阈值;(2)土壤盐分的预测概率最大值和预测概率均值随盐分阈值的减小而增大,可为不同土壤盐渍化风险评价目标下的阈值选择提供参考;(3)不同阈值下土壤盐分的概率预测分布存在空间上的规律性与相似性,高概率区域主要集中在研究区域的西部,低概率区域主要集中在研究区域的东部。研究区域土壤盐分含量的概率分布与地形地貌特征和河流的分布状况有着密切的关系。     

利用GPR多频天线振幅包络平均值法估算滴灌棉田土壤盐分含量

土壤盐渍化问题严重制约着农业经济发展,快速准确地掌握农田土壤的盐渍化信息是盐渍化防治的前提。为准确快速地了解滴灌棉田土壤盐分含量情况,该研究采用探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)多频天线(250 MHz和1 000 MHz)对典型滴灌棉田土壤进行探测,通过GPR振幅包络平均值法(Average Envelope Amplitude,AEA)获取土壤视在介电常数,以Dobson盐渍土介电模型(Dobson dielectric model of saline soil,Dobson)为理论工具,估算滴灌棉田土壤的盐分含量。同时,将视在介电常数、土壤容重、含水率和土壤黏粒含量5个参数设置为模型输入变量,采用多元线性回归方法(Multiple Linear Regression,MLR),建立膜下滴灌棉田土壤盐分反演模型,并使用BP神经网络(Back Propagation neural network,BP)进行模拟预测。最终,以实测盐分为基准,评价MLR模型、BP模型和Dobson模型反演盐分含量的效果。结果表明:1)探地雷达250 MHz和1 000 MHz频率天线AEA法探测的有效深度均为0～30 cm。2)1 000MHz频率天线AEA法获取的介电常数与实测含水量有较好的多项式关系,且实测含水量和反演含水量拟合效果和精度较好,决定系数R~2为0.96,均方根误差RMSE为1.61%,平均误差率MER为7.25%。3)3种盐分反演模型中,Dobson盐渍土介电模型反演精度明显高于其他2种方法,R~2达到0.91,RMSE为0.313 g/kg。因此,利用GPR多频天线AEA法估算滴灌棉田土壤盐分含量是可行且可靠的。该法为反演土壤盐分含量提供新途径,丰富了盐分含量探测的方法及手段。     

自然和工程措施条件下吹填土壤脱盐过程模拟

为探明滩涂围垦区吹填土壤在自然和工程措施条件下的脱盐过程、脱盐速率及脱盐历时,该研究以浙江台州东部新区涂面整理区为例,采用在田间水文模型DRAINMOD基础上开发的DRAINMOD-S模型研究了该区域吹填土自然和不同工程措施(集雨措施、生物措施及不同暗管排水措施组合)条件下的脱盐过程。结果表明DRAINMOD-S模型能够较好的模拟出吹填土的水文变化过程和盐分淋洗过程:预测的地下水位埋深变化与实测值变化范围与趋势基本一致,其平均偏差为-3.40 cm,平均绝对偏差为6.90 cm,均方根误差为8.60 cm,相关系数为0.79;土壤盐分模拟值与实测值的平均偏差为-0.08 g/L,平均绝对偏差为0.20 g/L,均方根误差为0.24 g/L,相关系数为0.91;吹填土盐分在自然降雨和现状规划河道排水的作用下整体呈缓慢下降的趋势,年平均脱盐速率为0.45 g/L左右,土壤达到脱盐标准的时间约为27 a;该研究提出的工程措施能够极大缩短吹填土的脱盐进程,可将年平均脱盐速率提高至0.73～1.80 g/L,脱盐历时缩短到3～13 a。结果可为类似围海造陆工程规划设计、盐分治理、土地利用规划管理、生态环境重构等前期预测分析工作提供支持。     

基于多光谱影像反演土壤盐分的建模方法研究

土壤盐分的定量遥感反演,为快速、准确、全面地监测盐渍化状况提供了可能。本文以黄河三角洲地区垦利县为例,实地调查采集土壤样本,并获取同时相Landsat 8影像,建立土壤盐分遥感反演的BP神经网络、偏最小二乘回归、主成分分析、多元线性回归多种模型,进而进行精度对比分析,评价、优选最佳建模方法,最后,基于最佳模型进行研究区土壤盐分的空间分布反演分析。结果显示:遥感影像的反射率与土壤盐分含量并不是单纯的线性关系,构建的盐分估测模型BP神经网络预测决定系数为0.8467,均方根误差为0.071,明显高于传统线性统计模型,能较好地模拟土壤盐分与光谱数据的关系。该研究既能为盐渍土的治理、利用提供数据支持,又能推动盐渍化区域遥感研究的定量发展。     

黄骅市土壤含盐量空间变异特征和影响因素分析

文章为了探知黄骅市土壤含盐量的空间变异及影响因素,基于样点数据,运用GIS和地统计相结合的方法对土壤含盐量的空间变异特征和空间分布进行分析和模拟。然后通过逐步回归分析对影响黄骅市土壤含盐量空间分布的主要因素进行分析。结果显示:(1)黄骅市土壤含盐量空间变异拟合于指数模型,存在各向异性,基底效应属于中等,其空间分布受到外界因素的影响。(2)黄骅市土壤含盐量整体上由沿海向内陆逐渐降低,在内陆地区的黄骅镇和南大港也出现了聚集;全市仅有8.49%的土地未出现土壤盐渍化,零星分布于黄骅市内陆边界地区;轻度盐渍化土面积最大,占全市面积的31.93%。(3)黄骅市土壤含盐量与高程、地下水矿化度、地下水埋深空间分布格局较为吻合,与土壤含盐量空间相关性最大的因素是地下水矿化度,而且更多表现为直接影响,其次为地下水埋深,高程因素相关性最小,黄骅市表层土壤与地下水之间垂直迁移交换作用比盐分水平运移作用更显著。     

地下水作用条件下粉砂壤土盐分动态研究

用粉砂壤土土柱进行了室内模拟试验，研究不同地下水埋深及其矿化度作用条件下非饱和粉砂壤土的盐分动态规律。在相同地下水埋深情况下，处于盐分动态平衡状态时的各模拟土柱相同层次土壤溶液浓度，与地下水矿化度呈良好正相关关系。在相同地下水矿化度条件下，土体积盐速率与地下水埋深呈负相关关系，但是各土柱相同埋深土体达到盐分动态平衡状态时的土壤溶液浓度差别不明显。对地下水埋深及地下水矿化度对耕作层土壤溶液浓度的综合作用效果进行了深入分析，建立了各积盐阶段耕作层土壤溶液浓度的增高值关于此二因素的数理统计模型。     

地下水作用条件下土壤积盐规律研究

用粉砂壤土土柱进行了为期一年的室内模拟试验 ,对不同地下水埋深及其矿化度作用条件下 0～ 40cm深度土壤的盐分运动规律进行了深入研究。地下水埋深 85cm、1 0 5cm情况下 ,0～ 40cm深度土壤电导率与地下水矿化度呈良好正相关关系。地下水埋深 1 5 5cm、试验设定条件下 ,各土柱 0～ 40cm深度土壤积盐强度都较小 ,并且相互之间差异不明显。获得了各土柱 0～ 40cm深度土壤电导率关于地下水埋深、地下水矿化度的统计模型。对土壤电导率动态规律进行了深入分析 ,并建立了地下水明显影响到该深度土壤后土壤电导率动态模型。     

Assessing the Effect of Saltwater Intrusion on Petroleum Hydrocarbons Plumes Via Numerical Modelling

A contamination by petroleum hydrocarbons was detected in a sandy aquifer below a petrochemical plant in Southern Italy. The site is located near the coastline and bordered by canals which, together with pumping wells, control submarine groundwater discharge toward the sea and seawater intrusion (SWI) inland. In this study, a three-dimensional flow and transport model was developed using SEAWAT-4.0 to simulate the density-dependent groundwater flow system. Equivalent freshwater heads from 246 piezometers were employed to calibrate the flow simulation, while salinity in 193 piezometers was used to calibrate the conservative transport. A second dissolved species, total petroleum hydrocarbons (TPH), was included in the numerical model to simulate the plumes originating from light non-aqueous-phase liquid. A detailed field investigation was performed in order to determine the fate of dissolved hydrocarbons. Fifteen depth profiles obtained from multilevel samplers (MLS) were used to improve the conceptual model, originally built using a standard monitoring technique with integrated depth sampling (IDS) of salinity and TPH concentrations. The calibrated simulation emphasises that density-dependent flow has a great influence on the migration pattern of the hydrocarbons plume. This study confirms that calibration of density-dependent models in sites affected by SWI can be successfully reached only with MLS data, while standard IDS data can lead to misleading results. Thus, it is recommended to include MLS in the characterization protocols of contaminated sites affected by SWI, in order to properly manage environmental pollution problems of coastal zones.     

河套灌区井渠结合膜下滴灌土壤盐分演化规律

针对内蒙古河套灌区井渠结合的问题,基于SaltMod模型建立井灌区和渠灌区水盐均衡模型,并引入含水层侧向交换量对模型进行改进,利用隆胜井渠结合试验区15 a水盐观测资料对改进的模型进行率定和验证,采用验证后的模型分析了隆胜井渠结合区在现状条件下以及在井渠结合膜下滴灌推广实施后区域的土壤盐分演化规律。结果表明,现状条件下隆胜井渠结合区土壤盐分基本稳定,尤其是渠灌区根系层盐分基本稳定,保持在较低水平,可以在长时期内满足作物生长的需求。当推广井渠结合膜下滴灌后,井灌区的生育期灌溉定额和地下水埋深对其灌溉用地根系层土壤盐分积累的影响较小,而地下水矿化度与秋浇频率的影响较大。对于井灌区,建议采用黄河水2年1次进行秋浇压盐,可以长期将土壤全盐维持在3 g/kg以下,以满足作物生长需求。     

干旱内陆河灌区灌溉条件下地下水变化规律

在干旱内陆河灌区,地下水比较活跃,与非灌区存在着交换,同时也与土壤水存在着交换.在灌溉前后地下水水位变化幅度较大.了解和掌握地下水的运动规律,对于促进农业节水灌溉有重大的现实意义.以塔里木盆地西北缘阿瓦提县为例,通过实验对干旱内陆河灌区的地下水变化规律进行研究,得出在干旱内陆河灌区,地下水位动态随地表来水入渗补给而上升,随农作物蒸腾、潜水蒸发消耗而消退,在灌溉过程中,地下水位浮动比较大,易引起耕地盐碱化,并提出了有效的建议.     

Salt-Water Dynamics in Soils: II. Effect of Precipitation on Salt-Water Dynamics

Through a simulation test carried out with soil columns (61.8cm in diameter),the effect of precipitation on salt-water dynamics in soils was studied by in-situ monitoring of salt-water dynamics using soil salinity sensors and tensioneters.The results show that in the profile of whole silty loam soil,the surface runoff volume due to precipitation and the salt-leaching role of infiltrated precipitation increased with the depth of ground water;and in the profile with an intercalated bed of clay or with a thick upper layer of clay,the amount of surface runoff was greater but the salt-leaching role of precipitation was smaller than those in the profile of whole silty loam soil.In case of soil water being supplemented by precipitation,the evaporation of groundwater in the soil columns reduced,resulting in a great decline of salt accumulation from soil profile to surface soil.The effect of precipitation on the water regime of soil profile was performed via both water infiltration and water pressure transfer.The direct infiltration depth of precipitation was less than 1m in general,but water pressure transfer could go up to groundwater surface directly.     

利用作物水盐生产函数和土壤水盐动态模型制定咸水灌溉制度

Using a crop-water-salinity production function and a soil-water-salinity dynamic model, optimal irrigation scheduling was developed to maximize net return per irrigated area. Plot and field experiments were used to obtain the crop water sensitivity index, the salinity sensitivity index, and other parameters. Using data collected during 35 years to calculate the 10-day mean precipitation and evaporation, the variation in soil salinity concentrations and in the yields of winter wheat and cotton were simulated for 49 irrigation scheduling that were combined from 7 irrigation schemes over 3 irrigation dates and 7 salinity concentrations of saline irrigation water （fresh water and 6 levels of saline water）. Comparison of predicted results with irrigation data obtained from a large area of the field showed that the model was valid and reliable. Based on the analysis of the investment cost of the irrigation that employed deep tube wells or shallow tube wells, a saline water irrigation schedule and a corresponding strategy for groundwater development and utilization were proposed. For wheat or cotton, if the salinity concentration was higher than 7.0 g L^-1 in groundwater, irrigation was needed with only fresh water; if about 5.0 g L^-1, irrigation was required twice with fresh water and once with saline water; and if not higher than 3.0 g L^-1, irrigation could be solely with saline water.     

10 a来民勤县荒漠草地植物群落变化与降雨量的关系

[目的]研究甘肃省民勤县荒漠草地植被与降雨量的关系。[方法]采用样线法和针刺法,对民勤县3种立地条件下的荒漠草地10a植被变化进行4次定位监测,用Excel软件分析植被生长和降水量变化的关系。[结果]民勤县大气降水年际间和年内变幅都很大,这对植物生长十分不利。民勤县荒漠草地植被生长所需水分主要依靠大气降水和地下水。西沙窝沙质荒漠草地和红果子井砾质荒漠草地植被完全依靠大气降水存活和生长,植物生长与降水的关系十分密切,其中一年生草本植物最为明显。但是对地下水位较高的白土井盐渍化荒漠草地植物来说,植物生长主要靠地下水,降水将积聚在表层的盐分淋溶到了根系层,对植物生长不利。[结论]民勤县荒漠草地植被生长情况虽然受降雨的影响较大。总体上该县植物生长呈现衰败的趋势,荒漠化也日趋加重。     

北京市东南郊再生水灌区地下水多环芳烃污染风险评估

为研究污染物随再生水进入地下环境后其迁移衰减情况及对地下水的潜在危害性,以Multi-cell模型为基础,结合污染物质量守恒、在水土中吸附再分配、生物降解等机理,针对地下水污染风险评估构建了计算污染物随水在土壤剖面的垂向迁移衰减一维模型,并以北京通州大兴再生水灌区为研究区域,以再生水中持久性有机污染物多环芳烃萘和菲为研究对象,根据当地钻孔资料及灌溉水水质、地下水水质资料,应用该模型进行试算。结果表明,经过多年连续灌溉后,通州大兴大部分地区进入潜水含水层的萘、菲浓度较低,整体污染风险较低,仅在通州区潞城镇等个别地区萘、菲浓度较高,应引起重视;由于大兴区整体包气带较厚,其污染风险低于通州区。土壤粘土层是萘、菲积累的主要层位,其吸附容量远大于细砂等粗颗粒介质,在土壤表层低环多环芳烃迁移性更强。应用这一模型,能够较为宏观地掌握通州大兴再生水灌区不同区域地下水中多环芳烃萘和菲的污染风险差异。