基于红外视觉的点源土壤入渗性能自动测量方法改进

土壤入渗性能指标是农业及其他近地表水文等相关研究领域的关键参数，对其进行快速准确的测量对水资源高效利用具有重要的理论及研究意义。为实现地表有覆盖物时土壤入渗性能的自动精准测量，该研究提出了一种利用热红外成像技术对点源土壤入渗性能测量方法的改进方案，设计并构建了对应的测量系统。采用红外热像仪获取地表湿润面积随时间的推进过程，构建了地表湿润面积提取算法，定义了土壤入渗性能曲线的形状基函数，根据水量平衡原理对曲线配位，并建立了土壤入渗性能模型。室内试验设置了土壤类型（粉壤土和砂壤土）、地表坡度（0°、5°和8°）和覆盖度（20%、40%、50%、60%、65%、70%、75%和80%）3个因素；在自然植被覆盖条件下进行了田间验证试验。结果表明，坡度和土壤类型对地表湿润面积识别影响不显著；当轮廓覆盖度小于60%时，采用本文的算法，地表湿润面积识别误差在5%左右，可满足土壤入渗性能的测量要求。室内及田间入渗性能测量试验的水量平衡误差均在2%以下，表明土壤入渗性能测量模型精度较高。该研究提出的方法操作方便，测量精度高，为实现野外地表有覆盖物的复杂环境下原位测量土壤入渗性能提供了可靠途径。     

土壤入渗性能自动测量系统原理与应用研究

土壤入渗性能对水资源转换利用、农业水管理等方面有着十分重要的作用。该文运用机器视觉及数字图像处理技术，开发了一套以线源入流方法为基础的土壤入渗性能自动测量系统。完成了对该系统的硬件设计、组集和系统软件的开发。利用数字摄像头对表征土壤入渗性能变化过程的线源水流在地表的推进过程进行实时采集截取图片，并对图片进行处理和分析，提取水流在地表推进过程中的湿润面积。根据测量土壤入渗性能的线源入流方法中的数学模型自动计算土壤水入渗率，并实时显示入渗性能曲线的变化过程。采用该系统进行了土壤入渗性能的室内验证试验，取得很好的效果，系统实现了实时测量、后台计算、实时显示土壤入渗性能曲线，结果表明测量误差为5.27％,说明了该测量系统的合理性和准确性。为土壤入渗性能的高效、自动化测量提供了工具。     

农地耕层与犁底层土壤入渗性能的连续测量方法

研究农田土壤入渗性能对于了解铧式犁耕作对土壤水力性能的影响、指导农地耕作方式决策、农田灌溉、改善农地生态环境具有重要意义。该文提出了一种农耕地耕层与犁底层土壤入渗能力连续测量方法以及相应的计算模型。采用恒定流量向地表供水,由供水在地表湿润面积随时间的变化过程估计地表耕层土壤初期很高的入渗性能,由产流后供水流量与产流流量之差计算相对较低的土壤入渗性能及犁底层土壤入渗性能。并进行了室内模拟试验,结果表明该方法可连续测量农地耕层与犁底层的入渗过程。采用入渗量和供水量对比的方法进行误差分析,相对误差为5.75%,说明该方法具有较高精度。该方法省时、省水便于野外应用,为今后的进一步研究提供手段。     

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%（Green-Ampt模型）,0.66%（修正模型）和2.68%（快速计算模型）。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。     

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。     

应用自动测量系统研究流量对土壤入渗性能测定的影响

土壤入渗对水文过程研究与农林业生产等具有十分重要的意义。将土壤入渗性能自动测量系统应用于室内试验,研究不同供水流量对土壤人渗性能测定结果的影响,以检验测量方法和系统及其对流量的反应。试验包括3个流量（0．75、1．02、1．92L／h）,每个流量设置3次重复。测量系统在计算机控制下,自动获取地表湿润面积随时间的变化（增大）过程,然后分别应用数值算法和近似算法计算土壤入渗性能。结果表明：测量系统使用方便,计算过程简便;供水流量对土壤入渗性能的测量结果影响不显著,不同流量的测量结果均可以准确表达土壤人渗的全过程。试验测量结果为该方法应用的流量范围提供了参考,同时为进一步理解土壤人渗过程提供了工具。     

土壤点源入渗自动测量系统监测滴头下土壤湿润过程

土壤水运动过程是滴灌系统设计和运行管理的重要内容。该研究采用点源土壤入渗自动测量系统,利用计算机可控数码相机和图像识别技术测量滴灌地表湿润面积和土壤湿润体随时间的变化过程。采用正三棱形有机玻璃土箱,设计一系列点源滴灌室内试验,获得点源滴灌入渗过程随时间的变化过程。试验采用3个流量:2、4及8 L/h处理,每个处理设置了3个重复。用数码相机每4 min拍摄一次地表湿润面积,用于计算地表湿润面积随时间的变化过程。同时,在1、2、3、4、6、8、10、12、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180 min时刻,在贴在土箱侧面的透明胶片上,手工记录地表湿润面积和垂直湿润锋面随时间的变化过程。由测量系统根据记录的地表湿润面积随时间的变化过程自动计算得到土壤的入渗过程。通过入渗过程,计算得到滴头下地表土壤的湿润面积,由计算得到的土壤入渗率和计算得到土壤的湿润剖面,将计算结果与实测结果对比,检验测量的精度。结果表明,手工测量得到的地表湿润面积都略大于由土壤入渗自动测量系统计算得到的入渗率计算的地表湿润面积。由计算得到的入渗率预测的土壤入渗深度,略大于实测土壤入渗深度。计算得到前者的相对误差为2%~15%,后者的相对误差为1%~8%。说明土壤入渗自动测量系统,能够准确描述点源滴灌地表湿润过程及土壤入渗过程,并能预测不同流量下垂直入渗深度,测量方法可以为滴灌系统的设计提供相关参数。     

用水平土柱与Green-Ampt模型方法测量土壤入渗性能的原理与误差

土壤入渗是自然界水循环中的一个重要环节。研究提出了一种新的方法，根据水量／物质平衡原理和水平土柱中土壤剖面含水率分布所遵循的Green—Ampt模型中的活塞假定，测量和计算土壤入渗性能。用天然容重下的风干砂壤土，通过室内水平土柱试验，说明了获取数据的实验方法、过程，并利用提出的数学模型计算得到土壤入渗性能曲线。利用测量得到的土壤入渗性能回归计算得到的入渗水量分别与实际供水量和由土壤含水率的实际分布计算得到的入渗水量进行对比，得到相对误差分别为11．5％、15．89％，而实际供水量与由土壤含水率实际分布计算得到的水量之间的相对误差只有1．02％，说明了该方法的测量精度以及方法精度有进一步提高的可能性。该方法与传统的土壤入渗率测量方法相比，可以测量出土壤初始很高的入渗率，而且试验操作简单，省水，省时，为相关研究提供了有力的工具。     

具有砂质夹层的土壤入渗计算

根据室内系统的试验研究，对土壤具有砂质夹层的入渗计算问题，即非线性入渗阶段转为稳渗阶段时间与稳渗率，提出了一个以现有均质土积水入渗公式为基础的计算方法。该方法利用Kostiakov入渗模型与砂层以上土体达到饱和所需水量建立水量平衡关系，由该关系可以确定出非线性入渗阶段转为稳渗阶段的时间；再由实验数据回归的方法，将层状土转折后的稳渗率与均质土入渗过程在转折时刻的瞬时入渗率的比值与夹层的埋深及中值粒径建立相关关系，从而可由夹层土壤埋深、中值粒径以及均质土在转折时刻的瞬时入渗率确定出层状土转折后的稳渗率。该方法经试验数据的检验，除个别点外，误差均在5%以内。由于确定稳渗率与夹层土壤埋深、颗粒组成、均质土入渗规律等有关，实际确定时会有一定困难，因此该方法尚待完善和生产实际的考验。     

不同方法测定紫色土坡耕地入渗性能试验研究

点源入渗法是一种应用数字图像软件计算土壤入渗性能的精密型新方法。为了准确测得紫色土区坡耕地土壤入渗性能,采用3种方法(点源入渗法、双环法和环刀法)对其进行测定。并对不同方法之间的试验结果进行分析和比较,以评价点源入渗法在紫色土区坡耕地土壤入渗测定的应用性。结果表明:点源入渗法与双环法测定土壤入渗过程规律具有一致性,初始入渗速率很大,而后入渗速率迅速减小并趋近于一个稳定值,其中以点源入渗法测定土壤入渗速率在试验过程中表现出的规律性最好;3种方法测得的入渗率随时间变化过程用Kostiakov模型拟合的效果均较好,以双环法的最好,点源入渗法次之,环刀法最差;3种方法测得的入渗性能各项指标(初渗速率、稳渗速率和平均入渗率)有一定差异,除初渗速率外,双环法测得的数值最大;点源入渗法在紫色土坡耕地测定土壤入渗性能试验中有较好的应用性。     

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。     

土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响

为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流-入流-出流法和双环入渗法测量比较,采用不同降雨强度（20、40和60mm／h）和3种土壤含水率（2．60％、10．4％和19．5％）进行试验比较。结果表明：土壤入渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增加而增加,稳定入渗率则随着含水率的增加而降低。同时,通过Kostiakov、Horton和Philip入渗模型对试验结果进行回归分析,径流-入流-出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Horton入渗模型回归结果优于其他人渗模型。