土壤水盐动态的BP神经网络模型及灰色关联分析

以陕西洛惠渠灌区实测数据为例,引用3层前馈型BP网络建模方法,对灌区综合条件下土壤水盐动态进行研究,采用附加动量法和学习速率自适应调整策略对反向传播算法进行改造;在此基础上运用缺省因子检验法分析了土壤含盐量和土壤碱度对输入层各因子的敏感性,并采用灰色关联法加以验证。结果表明,人工神经网络模型具有较高的精度,能够很好地定量描述土壤水盐动态变化与其影响因子之间的响应关系;土壤含水率、地下水含盐量和蒸发量是影响土壤水盐动态的主要敏感因子,各因子之间相互作用,形成了复杂条件下的耦合关系。灰色关联法进一步验证了各因子的敏感程度。将以上方法相结合,可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提供有效可行的方法,是对传统土壤水盐动态研究方法的补充与完善。     

新疆喀什地下水浅埋区弃荒地表层土壤积盐与地下水的关系

为了研究新疆喀什地下水浅埋区弃荒地表层土壤积盐与地下水的定量关系,对试验区自然状况下的土壤含水量、表层土壤含盐量、地下水埋深、地下水矿化度和潜水蒸发量进行了原位监测,模拟了潜水蒸发量与地下水埋深的关系,定量分析了弃荒地自然条件下地下水埋深、地下水矿化度对土壤表层盐分的影响,建立了表层土壤含盐量与地下水埋深、地下水矿化度的经验模型。结果表明:在5~50 cm土层,土壤质量含水率随土层深度增加而增大;地下水埋深、地下水矿化度对表层土壤盐分有显著的影响,当地下水埋深为定值时,表层土壤含盐量与地下水矿化度呈线性正相关;当地下水矿化度为定值时,表层土壤含盐量与地下水埋深呈线性负相关;土壤盐分表聚现象明显,不同地下水埋深条件下表层土壤含盐量随累计潜水蒸发量的增加而增大,表层土壤积盐速率随地下水埋深的增大而减小,地下水埋深为25 cm条件下表层土壤积盐速率约是地下水埋深为50 cm的表层土壤积盐速率的2倍多。     

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。     

节水改造后盐渍化灌区区域地下水埋深与土壤水盐的关系

以内蒙古河套灌区临河研究区为例,探讨节水改造后盐渍化灌区区域土壤水盐与地下水埋深的内在联系。结果表明:地下水作用对灌区0-100cm深度土壤体积含水率都有影响,并且对60-100cm深度土壤含水率的影响尤为突出;随着地下水埋深水平的变化(浅→中→深),0-100cm各层土壤体积含水率总体逐渐降低;在地下水矿化度基本不变的情况下,根层土壤电导率与地下水埋深存在较好的指数关系;在0-20cm、20-40cm和40-60cm 3个土层中,土壤表层(0-20cm)盐分受地下水埋深的影响最大,土壤表层(0-20cm)土壤含盐量对地下水矿化度变化最敏感。     

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。     

排水地段土壤盐分变化特征分析

根据田间排水地段实测的土壤含盐量与地下水埋深和矿化度，分析了土壤盐分组成变化特征以及覆膜种植对抑制土壤积盐的效应。根据潜水蒸发特点，确定了建立地下水埋深与土壤含盐量间单一函数关系的方法，为根据土壤含盐量确定地下水临界深度提供指导。     

土壤蒸发量与地下水作用条件的关系

利用两年室内模拟试验实测数据,对粉砂壤土蒸发量与地下水作用条件之间的关系进行了系统分析。定量分析了地下水埋深或地下水矿化度对土壤蒸发量的影响,分别获得了土壤蒸发量与地下水埋深或地下水矿化度的关系,深入研究了地下水埋深、地下水矿化度对土壤蒸发量的综合作用并建立相应模型。研究结果表明,土壤蒸发量随地下水埋深变化呈抛物线分布,与地下水矿化度呈典型幂函数关系。     

季节性冻融土壤水盐动态预测BP网络模型研究

冻融土壤水盐运移模拟预测一直是冻土物理学和土壤水科学研究的热点和难点,而冻土水盐运动的特殊规律与分配特性是影响河套灌区土壤盐渍化发生、发展和演变的重要因素。该文基于内蒙古河套灌区5个冻融期（1994～1999）的水分、盐分和温度的田间实测资料,利用人工神经网络对冻融土壤水盐耦合运移进行了联合预测。结果表明：初冻期地下水埋深、初冻期含水率、初冻期含盐量、秋浇水量、11月到翌年4月的月平均地温等10个影响因子可以有效表征冻融土壤水分和盐分之间的强烈耦合关系,神经网络预测模型具有较好的精度。该研究为冻融条件下土壤水盐动态预报和灌区灌溉管理的研究开辟了新的途径。     

洛惠渠灌区地下水动态敏感因子研究

以陕西省洛惠渠灌区实测数据为例,首先采用多元时空序列马尔可夫链分析模型,对多年来洛惠渠灌区地下水动态进行趋势因子评价分析;采用改进的灰色斜率关联法分析各影响因子与地下水埋深的敏感关系;提出临界蒸发量这一概念;建立ARIMA动态模型,并对蒸发量进行预测.结果表明,该灌区地下水动态趋势较恶劣;蒸发量是影响该灌区地下水动态的最敏感因子,各因子之间相互作用,形成了复杂条件下的耦合关系;当蒸发量超过1 800 mm临界值时,地下水位开始回升,对土壤有盐碱化的威胁;未来几年蒸发量多数超过临界值,模型预测精度较高.将以上方法体系运用到灌区地下水动态研究中是切实可行的,可统一管理和调控水资源提供科学依据.     

河套灌区土壤水盐和作物生长的HYDRUS-EPIC模型分布式模拟

土壤水盐是影响干旱灌区作物产量的主要因素。分布式模型可综合考虑土壤、水文和气象因子在灌区的时空变异特征,为评估区域尺度土壤水盐与作物生长状况提供有效工具。该文以河套灌区解放闸灌域为研究区,根据气象-土壤-作物-灌溉等因子的空间分布特征进行均质单元划分,建立基于一维农业水文模型HYDRUS-EPIC的灌区尺度分布式模型。利用2012年和2013年定点观测数据(土壤水分、盐分、叶面积指数和作物产量)进行模型率定与验证;进一步应用模型以求探明现状灌溉条件下研究区土壤水盐与作物生长状况及存在的问题。结果表明:生育期内灌区根区土壤(0~100 cm)有效饱和度为0.44~0.90,基本满足作物耗水需求;根区土壤溶液平均盐分浓度为3.1~13.5 g/L,相应地作物的相对产量为0.35~1.33,土壤盐分过高成为限制研究区作物产量的主因。为调控根区土壤水盐状况,对地下水深埋区(东北部)需进行灌水量的适宜补充,宜将浅埋区(西北、西南等)地下水平均埋深控制在1.3 m以下。     

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。     

盐渍化灌区土壤水盐时空变异特征分析及地下水埋深对盐分的影响

针对盐渍化灌区土壤盐渍化问题,以河套灌区下游乌拉特灌域为研究区,通过野外实测与室内试验分析结合,采用统计学方法地质统计学原理分析表层土壤(0-20,20-40 cm)及深层土壤(40-100 cm)含水率与盐分(EC值)时空分布和变异规律,以及探求地下水埋深对土壤盐分的影响。结果表明:(1)除6月0-20 cm(9.779%)外,表层土壤含水率变异系数均在12.384%~19.667%,属于中等变异性,深层土壤含水率变异系数较小,在3.513%~9.757%,属于弱变异性;表层土壤盐分(EC值)变异系数在100.845%~129.279%,属于强变异性,深层土壤盐分变异系数均在83.685%~98.853%,属于中等变异性;随着土壤深度的增加,含水率和盐分的变异性都相对减弱。(2)不同时期土壤含水率和盐分在一定范围内具有空间结构特征,均可用高斯模型模拟,各层土壤含水率空间相关度在0.038%~20.408%,各层土壤盐分空间相关度在0.043%~8.374%,均小于25%,说明具有强烈的空间相关性,可以认为主要是受结构性因素的影响,其自相关引起的空间变异性较强。(3)试验区土壤盐分主要集中在北侧盐荒地,由于蒸发强烈,包气带毛细水上升,把深层土壤以及地下水中的可溶性盐类带到土壤表层,致使盐分升高,属于典型的盐分表聚型土壤,需及时防治与治理,同时土壤盐分受地下水埋深的影响较大,随着地下水埋深减小而增大,荒地地下水埋深与土壤盐分满足线性关系,耕地地下水埋深与土壤盐分满足指数关系。荒地0-20 cm土壤盐分含量随地下水埋深变化趋势较大,20-40,40-100 cm土壤盐分含量随地下水埋深变化趋势较小,耕地地下水埋深在1~1.6 m时,土壤盐分含量随着地下水埋深变化趋势较大,当地下水埋深大于1.6 m时,土壤盐分含量随着地下水埋深变化趋势较小。研究结果为河套灌区下游盐渍化土壤的防治与改良提供了重要的理论基础和参考依据。     

盐分再分配条件下河套灌区冲洗水量的数值模拟

该文旨在探讨干旱缺水地区长期灌溉条件下,合理解决节水灌溉与冲洗灌溉间矛盾的途径,为在该地区实施节水灌溉战略提供理论依据。采用修正的对流扩散模型(SOTR)及特征有限元方法对中国内蒙古河套灌区冲洗—蒸发条件下的冲洗定额进行数值模拟研究。并用γ射线测定土柱土壤水盐运移结果标定了数值模拟结果。重点分析了基于土壤水动力学与溶质动力学原理,再灌溉冲洗与再分配条件下,均质垂直剖面上溶质运移过程;长期灌溉条件下,干旱地区土壤盐分布与冲洗定额、初始土壤盐分含量、地下水位埋深及地下水矿化度间的内在联系;在此基础上,确定节水灌溉条件下河套灌区最优的冲洗定额。该成果对于促进该地区农业可持续发展具有一定的指导意义     

基于SWAP和MODFLOW模型的引黄灌区用水管理策略

大部分引黄灌区并没有实现地表水和地下水的合理利用,存在着水源浪费和地下水过度开采等问题。为了合理调配水资源,该文以河南柳园口灌区为背景,运用SWAP和Visual-MODFLOW分别建立了土壤水分运动模型和地下水三维非稳定流模型,用实测资料进行了率定和验证。利用SWAP模型模拟了2006年至2007年不同灌溉标准条件下的灌溉制度,提出了适宜的灌水控制标准,并且根据提出的灌水控制标准对多年的灌溉制度及不同地下水埋深下的灌水量及产量状况进行了模拟,得到了地下水埋深适宜范围。由SWAP模拟的灌溉制度确定地下水开采并且根据不同的种植结构和井渠灌溉比拟定了7个方案,利用MODFLOW模型对灌区地下水系统对各方案的响应进行模拟。结果表明,北部引黄量的30%采用抽取地下水并把节省的引黄量输送到南部,可以使地下水埋深基本控制在适宜的范围之内,并能有效地减少潜水蒸发。     

土壤水盐与玉米产量对地下水埋深及灌溉响应模拟

引黄水量的削减将进一步加剧宁夏银北灌区农业用水短缺问题,合理应用地下水进行灌溉对保障作物产量具有重要意义。为探究地下水灌溉条件下土壤水盐与作物生长的互馈机制,该研究修正了HYDRUS-1D的土壤蒸发模块,并嵌入可模拟作物生长与产量的EPIC模块,以此提高该模型在农田水文过程模拟中的适用性。采用2008年银北灌区不同水质灌水处理的玉米田间试验数据对模型进行了率定与验证。进一步应用该模型探寻地下水灌溉条件下,土壤水盐动态及玉米产量对地下水埋深变动及灌溉的响应规律。结果表明,玉米产量随地下水埋深增大呈现先增后减趋势,为保障玉米产量应将地下水适宜埋深控制在140~155 cm,且灌水量不宜低于现状灌水量,即玉米生育期内灌3水,每次900 m3/hm2。该研究对干旱银北灌区农业生产具有重要意义。     

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。     

多因素影响下土壤上升毛管水运动特性HYDRUS模拟及验证

基于饱和—非饱和土壤水分运动理论,通过HYDRUS-1D软件对多因素作用下的土壤上升毛管水运动进行模拟,研究土壤容重、黏粒含量、初始含水率、地下水埋深和时间5个因素对上升毛管水运动特性的影响。分别建立上升毛管水补给量和毛管水上升高度与各影响因素之间经验模型,其均方根误差均为0.003 cm,相关系数均大于0.99,决定系数均大于0.98(P0.01),计算值与实测值相对误差均小于11.25%。各影响因素对上升毛管水补给量的影响程度由大到小依次为时间、土壤容重、初始含水率、黏粒含量、地下水埋深,对毛管水上升高度的影响程度由大到小依次为时间、初始含水率、黏粒含量、土壤容重、地下水埋深。采用截距为0的线性函数对毛管水上升高度与上升毛管水补给量之间的关系曲线进行拟合,其决定系数均在0.96以上,表明其两者之间呈显著线性关系。该研究成果可为制定灌溉和排水以及盐碱地改良等措施提供理论依据。