滴灌土壤湿润体迁移计算的人工神经网络模型

基于非饱和土壤水分运动理论和单点源滴灌中土壤水分迁移特征,应用HYDRUS-2D/3D模型对33种土壤质地(分属11类土质类型,美国制土壤质地分类系统)、不同滴灌流量(1,2,3 L/h)下的湿润体运动过程进行了数值模拟,然后根据不同土壤质地和滴灌流量下湿润体动态变化的HYDRUS模拟结果,以滴灌量和土壤饱和导水率与滴灌流量的比值作为输入变量,构建了描述滴灌湿润体在不同土质和滴灌流量下迁移变化的人工神经网络模型.该模型输入变量少、易于操作,且将模型计算结果与实测情况对比表明,计算的入渗过程与实测的入渗过程基本一致,相关系数的平方(R²)均在0.82以上,因此该模型对不同土质中湿润体运移规律的预测效果较好.     

土壤质地转换中优选插值方法研究

采用分段三次Hermite插值方法、三次样条插值方法和分段线性插值方法进行土壤质地数学转换计算,通过比较分析得出:①插值函数因为各自所需满足的特定条件不同而具有不同的特性。如果插值函数特性与土壤级配累积曲线特性相符,误差较小;若插值函数特性与土壤级配累积曲线特性不相符,误差较大,易出现不合理现象。②在3种插值方法中,分段三次Hermite插值方法的误差最小,而且其特性与土壤级配累积曲线特性符合程度最高,所以分段三次Hermite插值方法最适合用于土壤质地转换插值计算。     

一维土壤入渗特性数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论基础,利用Richards模型模拟不同实验处理下的一维垂直入渗过程,采用SWMS-1D软件对模型求解,用试验资料对模拟的累积入渗量与湿润锋运移距离结果进行了对比验证,二者基本吻合。对模拟结果分析得出,土壤质地和容重对一维垂直入渗累积入渗量、入渗速率和湿润锋运移距离影响较大,土壤初始含水率和入渗水头对其影响较小;并分别建立了不同土壤质地下的累积入渗量、入渗速率和湿润锋运移距离与入渗历时单参数幂函数计算式。     

垂直线源灌土壤湿润体尺寸预测模型研究

基于HYDRUS-2D模型建立了垂直线源灌土壤水分运动数学模型,设置81种情景,模拟获得不同土壤质地、初始含水率以及线源长度、线源直径和埋深条件下的湿润体变化过程。湿润体尺寸主要受土壤质地影响,土壤质地越粗,湿润锋运移越快,线源长度、线源直径和埋深对其影响较小。土壤湿润锋运移过程符合幂函数关系,幂函数指数在水平和垂直向上方向上变化较小,而在垂直向下方向上随饱和导水率(Ks)的增大而增大;幂函数系数随Ks的增大而增大。提出了包含Ks在内的垂直线源灌土壤湿润体尺寸预测模型,试验验证了所建模型的可靠性,MAE和RMSE接近0,PBIAS在-4%~9%之间,NSE不小于0.929,说明预测效果良好。所建模型仅需Ks即可推求,试验设计简单,初步实现了由土壤物理参数预测垂直线源灌土壤湿润锋运移距离的可能。     

考虑土壤膨胀性的流域水文模型应用研究

目前分布式水文模型在进行流域水文过程模拟时,还未考虑土壤膨胀性对降雨入渗的影响,这会造成模型模拟失真,制约着流域分布式水文模型的适用性。对传统降雨入渗产流模型(TGAM)进行修正,引入膨胀性土壤导水系数和膨胀性土壤饱和含水量,提出考虑土壤膨胀性影响的降水入渗产流模型(GJGAM),并将其应用到流域分布式水文模型WEP-L模型中。最后,以南小河沟流域作为研究区域,选择十八亩台断面为控制断面,分别利用改进前、后的WEP-L模型模拟研究区的降水径流过程,对比验证WEP-L模型改进后的适用性。结果表明,利用改进前后的WEP-L模型,率定期内研究断面的月径流模拟值与实测值的相对误差变化不大,但Nash-Sutcliffe效率系数显著提高。验证期内相对误差减小,Nash-Sutcliffe效率系数提高。通过考虑土壤膨胀性对降雨入渗的影响,WEP-L模型对南小河沟流域降雨入渗过程的模拟效果明显改善,具有较好适用性。     

基于圆筒入渗仪的田间膜孔灌土壤入渗参数研究

了解膜孔灌形成的土壤湿润体尺寸对于设计经济高效的灌溉系统至关重要。采用HYDRUS-2D/3D数值模拟方法，研究土壤容重和膜孔直径对12种质地土壤入渗特性的影响。基于180组数值模拟结果，对湿润体运移模型的参数进行了优化。采用田间圆筒入渗仪试验和室内土箱试验(文献资料)对模型的可靠性进行评价。结果表明：湿润半径和湿润深度均随膜孔直径和灌溉时间的增大而增大，而随土壤容重的增大而减小；两者与稳渗率和灌溉时间呈幂函数关系，建立一种适用于不同土壤质地类型的湿润体运移模型；对于特定土壤质地，稳渗率与土壤容重和膜孔直径之间具有良好的幂函数关系，幂函数指数分别为-6.3和1.1,幂函数系数只需1组圆筒入渗仪田间试验即可推求。所建模型计算值与12组试验实测值一致性较好，均方根误差接近于0(介于0.020～0.170 cm之间),纳什效率系数趋近于1(介于0.995～0.999之间),实现了膜孔灌湿润体尺寸模型在田间的实际应用，试验设计简单，方便管理人员进行快速的现场评估。     

间歇供水条件下考虑土壤水滞后作用的水分入渗数值模拟

本文对间歇供水条件下土壤入渗过程进行了试验研究，采用数值模拟方法描述了考虑土壤水滞后的水分入渗过程。结果表明文中使用的确定性模型虽能较好地模拟土壤水分状况改变对入渗率的影响，却无法反映表层土壤物理性能变化对入渗的作用。当利用一维垂向非饱和土壤水运动模型来描述间歇供水条件下的土壤入渗分布过程时，应改进模拟技术使之能包容后者的影响。     

北方平原井控区雨水利用工程模式研究

将当地降水视为农业总水资源。通过建立土壤水库的概念和调控模型以及降雨入渗分析,揭示出北方平原井控地区汛期不同频率暴雨时,不同质地土壤的入渗、产流规律;建立了土壤水库、地下水库联合调控模型并进行了分析计算,定量地解决了北方平原地区三水转化和降雨多年调节问题;提出了北方平原地区对降水实行多年调节,实现三水联合调控的雨水利用工程模式。     

次降雨土壤吸收量推算方法研究

采用两种方法确定一次降雨渗透到土壤中的水量。①利用实验资料建立降雨与渗透深度相关计算区域降雨渗透量；利用改进的Gree—Ampt积水入渗模型进行降水入渗量的计算。文中利用两种方法进行了对比分析，结果基本可靠，可作为区域降雨土壤吸收量的估算。     

降雨入渗补给量计算的数值模拟方

基于土壤水运动的物理过程，提出了降雨入渗补给地下水的计算模型。该模型以超渗产流和蓄满产流的混合产流模式计算地表产流量，以双层土壤蒸发模式和植物蒸散发机制计算蒸散发量，并在考虑大孔隙对土壤水运动影响的基础上，采用一维土壤水运动分层计算模型模拟土壤水运动。利用零通量面法确定非饱和土壤渗透系数、土壤水分率定模型其它参数。利用江苏徐州汉王水文试验站蒸渗仪实测资料对模型计算的入渗补给量进行了检验，结果表明，模型可以较好地模拟以土壤水运动为核心的水文过程及降雨入渗补给量。