盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响试验及数值模拟研究

[目的]探究盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响规律.[方法]在内蒙古河套灌区开展了B1和B2二组不同含盐量下(B1:7.80 g/kg;B2:41.16 g/kg)的野外土柱蒸发试验,建立了考虑盐分影响(该影响由盐分阻抗和土壤表面阻抗体现)的冻融土壤蒸发数值模拟模型.采用土柱试验结果对模型进行了率定验证,并与SHAW模型进...     

基于PSO-ELM模型的冻融期土壤蒸发预报

准确预测冻融期土壤蒸发量,对于干旱半干旱地区水资源高效利用有着重要意义.基于传统极限学习机(ELM)输入权值与阈值随机给定导致预测结果精度不高的问题,提出了一种基于粒子群算法(PSO)优化极限学习机的冻融期土壤蒸发预测模型.以2016-2017年冻融期9个影响土壤蒸发的因素作为输入因子,实测土壤蒸发量作为输出因子,分别...     

不同地表条件下季节性冻融土壤入渗能力的预报模型研究

基于田闻入渗试验,以数理统计理论为基础,对5种不同地表条件下季节性冻融土壤入渗能力预报模型进行了探索研究.研究表明,不同地表条件下,不同影响因子对不同地表条件地块土壤入渗能力的影响显著性有所差异,0～10 cm土层土壤含水率对入渗能力的影响是最显著的;其次为5 cm土层深度处土壤温度,裸地土壤温度对入渗能力的影响不显著;冬小麦地和人工草地土壤入渗能力受气温的影响较显著,休闲裸地和玉米秸秆覆盖地次之,地膜覆盖地土壤入渗能力受气温的影响不显著.建立的0～10 cm土层土壤含水率、5 cm土层深度处土壤温度和气温三因子线性模型具有一定可行性,避免了考虑因素单一的缺点.     

不同秸秆覆盖厚度下季节性冻融土壤的水热运移规律模拟研究

运用水热耦合模型(SHAW)对秸秆覆盖厚度为5、10、15、20和30 cm下的季节性冻土中的水热迁移进行了模拟。结果表明:模型对土壤水分模拟效果较好,模拟期土壤水分模拟的标准误差RMSE为0.003～0.08 m~3/m~3。由于表层土壤易受外界气象条件变化的影响,模型对土壤温度模拟结果误差相对较大,但误差处于合理范围内。使用率定好的SHAW模型对秸秆覆盖厚度大于30 cm下的土壤水热运移进行了模拟预测,模拟结果表明当秸秆覆盖厚度≥45 cm时,秸秆覆盖下的土壤水热运移基本不受外界影响。     

基于PCA-PSO-GRNN模型的冻融期土壤蒸发预报

季节性冻融作用加剧了土壤蒸发的复杂性,准确预测冻融期大田土壤蒸发量对干旱半干旱地区水资源高效利用具有重要意义.基于2017-2018年冻融期大田土壤蒸发实测数据和影响土壤蒸发的气象资料,利用主成分分析法对气象数据进行降维,选取7个主要气象因子作为模型输入变量,采用粒子群算法选取最优光滑因子建立PCA-PSO-GRNN土...     

基于CAR-SVM模型的季节性冻融区地下水埋深预测

准确预测地下水埋深是灌区水资源管理的重要依据.考虑到地下水埋深在时间序列上呈现滞后性和非线性,耦合了多变量时间序列CAR与支持向量机SVM,构建了CAR-SVM地下水埋深预测模型.为了提高模型在冻融期的模拟效果,构建了季节性冻融灌区地下水埋深拟合模型--CAR-SVM(T-TF)模型.模拟结果显示,只考虑冻融期气温的CAR-SVM(T-TF)模型优于考虑全年气温的CAR-SVM(T)模型及不考虑气温的CAR-SVM模型.CAR-SVM(T-TF)模型在全灌区地下水埋深的模拟结果:在验证期模型决定系数R^{2为0.954,冻融期R2为0.973;RMSE均小于0.090 m,模型精度较高.将全灌区得到的3阶CAR-SVM(T-TF)模型结构用于灌区内5个灌域地下水埋深模拟,模型在各灌域均有较好的适用性.}     

秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响

以北方高寒区典型城市哈尔滨市为研究区域,通过冬季大田试验(试验周期2013-11-01—2014-04-30),设置自然无覆盖、覆盖秸秆厚度5、10、15 cm 4个处理,分别测定不同处理下20、40、60、100、140、180 cm深度土壤液态含水率以及气象数据,分析季节性冻融期秸秆覆盖对土壤水分变化特征的影响。研究结果表明:秸秆覆盖使0~60cm土层内液态含水率增加或减小的时间拐点发生延迟,随着秸秆覆盖厚度的增加其延迟效果越明显,但土壤冻结期的延迟效果比冻土融化期明显;秸秆覆盖阻碍了冻土融化初期融雪水入渗,使自然无覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度出现短暂的峰值,而在冻土融化末期秸秆覆盖抑制了土壤水蒸发,使各秸秆覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度又高于自然无覆盖。秸秆覆盖可有效平抑冻融期0~60 cm土层土壤液态含水率的变化幅度,且随着土壤深度的增加其平抑效果具有减弱趋势;积雪融水和秸秆覆盖的双重作用能够有效增加土壤墒情,但其增墒能力随着土壤深度的增加而降低,不同秸秆覆盖处理对0~60 cm土层的平均增墒能力由大到小排序依次为:15、10、5 cm。     

季节性冻融期灌水对土壤温度与冻融特性的影响

通过季节性冻融期裸地、地膜覆膜地和秸秆覆盖地的田间系列灌水试验,研究了冻融期不同阶段灌水对土壤温度及冻融特性的影响.试验表明:不论何种地表条件,入冬后冻结期较早的灌水地块耕作层土壤温度在整个冻融期处于较低值.消融期,灌水对裸地和地膜覆盖地耕作层土壤温度的影响较小,灌水加速了地表冻层的融化;秸秆覆盖地灌水后土壤温度较低且变幅较小,秸秆覆盖不利于土壤的消融解冻.5 cm土壤累积负温快速增加阶段灌水对于降低土壤最大冻结深度影响非常明显.     

季节性冻融期SWAP和SHAW模型土壤水热运移模拟效果评价

基于不同模型研究季节性冻融期土壤水热运移规律,对干旱半干旱地区水资源高效利用的定量化评价具有重要意义。分别运用SWAP和SHAW模型对季节性冻融期土壤水分、温度和蒸发量进行了模拟,并对模拟效果加以评价。模拟结果表明：对于整个冻融期而言,利用SHAW模型模拟的土壤含水量的NRMSE基本保持在30%以内,RMSE均在0.09 cm³/cm³以下,利用SWAP模型模拟的土壤含水量的NRMSE基本保持在35%以内,RMSE均在0.13 cm³/cm³以下;利用SHAW模型模拟20 cm以下土层温度的NRMSE均保持在30%以内,RMSE均在0.94℃以下,利用SWAP模型模拟的土壤温度基本可以反映实测值的变化趋势;在模拟土壤累积蒸发量方面,相比SWAP模型,SHAW模型的模拟值更接近实测值。总体而言,在干旱半干旱地区对于季节性冻融期,SHAW模型对土壤水热运移的模拟效果均较为理想,SWAP模型对土壤水分运移模拟较好,但对土壤温度模拟相对较差。对于土壤累积蒸发量的模拟效果,两个模型均不十分理想,有待进一步改进...     

地下水浅埋条件下单向冻结土壤水热变化试验

采用室内土壤单向冻结试验装置,进行了地下水位埋深为87.5 cm的小幅降温、中幅降温和大幅降温3种冻结气温作用下砂壤土和粉质粘壤土的温度和土壤含水率的监测。结果表明:小幅降温、中幅降温和大幅降温冻结条件下砂壤土地表温度较粉质粘壤土分别低0.88、2.06和2.81℃,土壤剖面温度分别在第31、33和37天达到稳定降温阶段;砂壤土水分主要聚集在10~30 cm,而粉质粘壤土水分主要聚集在10~40 cm;小幅降温冻结下,砂壤土0~10 cm土壤含水率较中幅降温和大幅降温冻结下高1.5%和7.3%,粉质粘壤土0~10 cm土壤含水率较中幅降温和大幅降温冻结下高2.3%和2.7%。     

不同积雪覆盖条件下冻融土壤水分运动规律研究

积雪覆盖作为中国北方高寒黑土区土壤冻融期最普遍的上边界条件,直接影响土壤水分分布、迁移过程及土壤温度、冻结深度、冻结速率等。通过野外试验,对哈尔滨地区的季节性冻融黑土在裸地、自然积雪、压实积雪、加厚积雪4种不同覆盖条件下的土壤水分迁移规律进行动态观测。从时间、空间角度分析土壤含水率变化,结果表明:积雪厚度和密度都可以很大程度上影响积雪对土壤的保护作用,在仅考虑积雪自身沉降造成密度增大的情况下,积雪厚度越大保护效果越好,土壤含水率对气温变化的响应及土壤解冻时间依次延后,延后程度随土壤深度增加而增大;当人为改变积雪密度时,相较于单纯增加积雪厚度,密度大的积雪可以更好地保护土壤,使气温对土壤的直接影响更小。当遇到冬季降雪量较小的情况时,可以考虑采用人为压实积雪的方法,加强对土壤的保护作用。     

不同沟灌方式下夏玉米棵间蒸发试验

采用常规沟灌和交替隔沟灌技术,研究了不同水分处理(水分控制下限为田间持水率的80%、70%、60%)夏玉米的棵间蒸发。结果表明:常规沟灌的灌后蒸发和全生育期棵间蒸发量均大于交替隔沟灌,灌水后短期内由于表层土壤含水率较高,土壤蒸发较大;在满足作物蒸腾耗水的基础上,交替隔沟灌减小了灌溉湿润面积而减小无效蒸发耗水;不同沟灌方式下土壤蒸发与表层土壤含水率呈明显的脉冲波动变化,而深层土壤含水率波动较弱;表层土壤含水率和叶面积指数对棵间蒸发影响明显,二者与相对土面蒸发强度均有良好的指数函数关系。水分下限控制合适,交替隔沟灌棵间蒸发与蒸腾耗水明显降低,是夏玉米适宜的灌水方式。     

不同覆盖条件对土壤水分蒸发的影响

通过对景泰县兰州理工大学大规模荒漠改良工化试验基地土壤在不同覆盖条件下的水分蒸发量进行了对比试验研究。试验结果表明:土壤表面增加覆盖物可以有效的降低土壤蒸发;随覆盖物厚度的增加,土壤水分蒸发量逐渐降低;1、3、57、cm麦秸覆盖条件下土壤水分蒸发量比纯土分别降低20.9%、51.5%、67.5%、74.5%;1、3、5、7cm沙石覆盖条件下土壤水分蒸发量分别比纯土降低25.9%、48.9%、60.6%、70.8%;同时,连续17天测定结果表明,相同厚度情况下,麦秸覆盖下土壤蒸发量明显小于砂石覆盖的土壤水分蒸发量,5 cm厚覆盖物时,砂石是纯土的60.6%,麦秸是纯土的67.5%。试验表明同一时间段内不同覆盖条件下的土壤水分蒸发差异明显。     

季节性冻融期灌溉水量对土壤温度时空变化的影响

以位于山西省晋中盆地的农科院试验田为基地,运用灰色关联度和spss软件对2013-2014年季节性冻融期不同灌水量下土壤温度的时空变化规律进行了统计分析。结果表明:灌水量对土壤的冻融过程存在一定影响,有明显的增温效应,但在不同的冻融阶段有所差异:缓慢冻结阶段,灌水量高的地块土壤降温速度慢;快速冻结和拟稳定冻结阶段,20~50cm范围内土壤温度随着灌水量的增加而增加,呈现显著的正相关性;融化阶段中后期,不同灌水定额下土壤温度随时间线性增加,增温速率几乎相同。同一冻融阶段剖面地温随深度的变化规律为:土壤温度在10cm内出现极小值,当土壤深度大于30cm时,土壤温度与深度的线性相关性随着灌水量的增加而增加,同一时间剖面地温的增减速率随灌水量的增加而减少。     

冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内土柱冻结试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理、微气象学理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５～１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１～１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融过程，模拟结果与实测值基本符合。在模拟过程中，采用有限差分法求解土壤水热运动方程，水、热方程的上边界分别为第二、三类边界。根据模拟结果，分析了越冬期土壤水热状况的变化规律     

季节性冻融期不同水氮量组合下土壤水分的时空变化特征

以季节性冻融期系列田间试验资料为基础,探求不同水肥耦合下非饱和冻融土壤介质中含水率的时空变化特征。结果表明:封冻前N_0W_0含水率较灌水地块低。快速冻结阶段水分运移主要受冻结作用形成的附加基质势驱动,土壤聚墒区为20~50 cm,N_(500)W_(750)和N_(300)W_(375)处理峰值聚墒量高于其他处理。稳定冻结期土壤聚墒区范围延伸至60 cm处,含水率峰值下移至50 cm,由大到小为:N_(300)W_(750)、N_(300)W_(375)、N_(500)W_(750)、N_0W_0、N_(500)W_(375)、N_(100)W_(750)、N_(100)W_(375)。解冻后N_(300)和N_(500)地块0~60 cm土层略高于自然储水量;封冻前后表土层(0~20 cm)灌溉效应衰减随深度增加而延迟。N_(500)W_(750)和N_(300)W_(375)地块10~20 cm冻结含水峰值呈现时间比N_0W_0提前7 d。灌水后30~40 cm含水率峰值高于N_0W_0,冻结聚墒峰值出现时间随肥量的增加而缩短,消融期N_(500)W_(750)和N_(300)W_(375)处理对水分的吸持作用更强。N_(300)W_(750)和N_(300)W_(375)处理50~60 cm的含水率峰值较高,消融期增幅最为明显,分别为2.00%和0.9%。冻融期各处理土壤含水率与N_0W_0绝对关联度整体随深度增加而减小,说明水氮量组合对冻融期0~60 cm含水率时程动态的影响随深度增加而递减。     

冻融期不同时间灌水对土壤水热影响的试验研究

为了揭示冻融期不同时间灌水对土壤水分运移和温度分布的影响,设置了未灌水裸地L0和冻融期7个不同时间灌水地块(即L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7,灌水1次,灌水量225 m3/hm2),跟踪监测冻融期不同地块土壤剖面温度和土壤含水率.结果表明:灌水对0～20 cm的土壤含水率和温度影响显著,不稳定冻结阶段初灌水对...