土壤入渗模型参数的多元线性预测模型精度的对比分析

基于黄土高原大田耕作土壤的入渗试验数据,利用多元线性回归法建立了Kostiakov二参数、三参数以及Philip入渗模型参数的线性预测模型,进行了3种模型参数平均误差的比较以及给定时间的累积入渗量误差的比较,提出了便于应用又具有较高精度的土壤水分入渗参数多元线性预报模型。结果表明,Kostiakov二参数模型的平均误差低于三参数入渗模型和Philip入渗模型,能将平均误差控制在15%以下,低于其他2种入渗模型。因此用Kostiakov二参数入渗模型对土壤水分入渗能力进行预测较好。     

红枣经济林不同植被覆盖土壤水分入渗特征

【目的】模拟不同植被覆盖土壤水分入渗过程并选择该研究区的最适模型。【方法】采用野外双环入渗试验方法,测定了不同植被覆盖下土壤水分入渗特征,采用Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型对不同植被覆盖区土壤水分入渗过程进行拟合。【结果】①不同植被覆盖区土壤水分入渗速率均表现为初始入渗速率最大,平均入渗速率次之,稳定入渗速率最小;②自然生草区土壤初始入渗速率最大,清耕区土壤的平均入渗速率和稳定入渗速率最大,且清耕区与自然生草区土壤初始入渗速率、平均入渗速率和稳定入渗速率均差异显著;③Horton入渗模型对不同小区土壤入渗过程拟合效果最好,Philip入渗模型拟合效果次之,Kostiakov入渗模型拟合效果最差。【结论】红枣经济林不同植被覆盖下土壤水分入渗特征具有显著差异,Horton入渗模型更适合研究该区域红枣经济林土壤水分入渗过程。     

不同土壤入渗模型参数多元非线性预测模型的精度对比分析

为了对不同土壤入渗模型参数多元非线性预测模型的精度进行对比分析,基于区域性黄土田间耕作土壤水分入渗实测资料,分别对Kostiakov、Kostiakov-Lewis以及Philip入渗模型的参数建立了以土壤体积含水率、干密度,黏粒、粉粒和有机质含量等土壤基本理化参数为输入变量的多元非线性传输函数,并进行了精度分析和比较。结果表明:Kostiakov入渗的二参数模型参数的平均误差在9%以下,预测精度明显高于Kostiakov-Lewis三参数入渗模型参数10.78%和Philip入渗模型参数11.72%。因此,推荐形式简单且预测精度高的二参数模型参数多元非线性预测模型为土壤入渗模型参数预测模型。     

Philip模型与修正的Green-Ampt模型互推参数的特性分析

通过室内试验方法利用Philip和Green-Ampt入渗模型对3种土壤水平一维入渗进行了分析,对Green-Ampt入渗模型的含水率分布进行了修正从而改进二模型参数的互推公式,根据互推参数分别计算累积入渗量,并与实测值进行比较。结果表明,修正模型能很好地反应土壤入渗性能,随着土壤粘性的增加,Philip模型参数吸湿率S和Green-Ampt模型参数kssf都逐渐减小,用Philip模型推求修正的Green-Ampt模型参数k′ss′f具有较高的精度,且对于不同质地土壤的入渗表现出不同程度的正效应,此互推公式可应用于不同土壤水平入渗的试验研究。     

非充分供水土壤水分入渗模型的试验研究

基于均质土壤的非充分供水入渗试验数据,通过回归分析的方法,分析讨论了Kostiakov二参数模型、三参数模型、Horton模型和Philip模型,对非充分供水条件下土壤控制阶段入渗过程的适用性。结果表明:Kostiak-ov二参数模型、三参数和Philip模型的显著性和相关性都较高;综合考虑Kostiakov三参数模型的显著性、相关性以及回归参数与实际入渗过程边界值的吻合性,认为用Kostiakov三参数模型描述土壤入渗能力控制阶段入渗特性效果最好。     

残膜对土壤水分入渗的影响及入渗模型适用性分析

为研究不同残膜量对土壤水分入渗的影响,通过室内土箱模拟试验,研究了滴灌条件下6个残膜添加量(0、80、160、320、640和1 280 kg/hm2)处理分别对土壤入渗率、湿润锋运移距离及水分分布的影响,比较了Kostiakov模型、Philip模型和Green-Ampt模型对含残膜土壤水分入渗过程的适用性。结果表明,残膜延长了土壤水分入渗时间,入渗至45 cm土层深度时入渗历时随残膜量增加而增大;入渗一定时间,含残膜的入渗曲线与无残膜曲线分离,分离时间随残膜量增加而提前,分离时间与残膜量之间呈对数函数减小;Kostiakov模型更适合模拟含残膜土壤的入渗过程;湿润锋运移距离与入渗时间呈幂函数增长关系,但湿润锋运移距离随残膜量增加而递减;随残膜量增加,作物适宜生长区和水分分布重心逐渐上移。残膜对土壤水分入渗有较大不利影响,其影响程度随残膜量增加而增大。     

区域尺度土壤入渗特征参数的变异性研究

以杨凌地区为例,进行野外双环入渗试验研究,运用2种常用模型(Kostiakov模型和Philip模型)对土壤入渗参数进行模拟。在分析土壤特征参数,寻求适合区域尺度的最优入渗模型同时,对土壤的状态变量进行标定并研究标定系数的空间变异性,研究结果表明:Philip模型可作为区域最优入渗模型,土壤入渗特征参数存在明显的空间变异性,标定系数aA比as对模型参数的标定效果好,且在较大范围内存在一定的趋势性,有较好的预测效果。因此,可根据标定系数随机模拟得到某一具体时刻的土壤入渗量的空间分布,为定量分析土壤水分运动、研究土壤水分入渗的空间分布提供理论基础。     

负水头条件下入渗模型对于水分入渗规律适用性研究

通过室内土柱入渗实验,对比了不同负水头高度条件下的土壤入渗规律,并采用了三种入渗模型分析了土壤水分入渗特点。实验结果表明,累积吸渗量与时间呈良好的幂函数关系,湿润锋与时间平方根间呈良好的线性关系,并且负水头高度减小,累积入渗量逐渐减小,湿润锋的推进速度减慢。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov公式对入渗率与入渗时间的关系进行拟合,得出Kostiakov公式能更准确地描述出入渗率与时间关系。     

农膜残留对砂壤土和砂土水分入渗和蒸发的影响

通过室内试验设置5个不同残膜量(0、50、100、200、400 kg/hm~2)处理,研究不同残膜量对砂壤土和砂土水分入渗湿润锋、入渗速率、累积入渗量、土壤累积蒸发量和蒸发速率的影响,并评价了主要土壤入渗、蒸发模型在农膜残留土壤的适用性。结果表明:随着土壤中残膜量增多,砂壤土和砂土入渗速率变慢,土壤湿润锋运移相同距离所需时间均显著增加,其中运移30 cm时,砂壤土残膜量400 kg/hm~2处理(SL5)比无残膜处理(SL1)运移时间增加了27.56%;相同入渗时间内累积入渗量随残膜量增加均显著减小(P0.05),入渗结束后SL5处理比SL1处理累积入渗量减小了52.01 m L(23.12%);残膜量增加导致蒸发速率、累积蒸发量都显著减小(P0.05),蒸发结束后SL5处理比SL1处理累积蒸发量减小了30.63%,且不同残膜量对砂壤土的影响大于砂土。对4个土壤水分入渗及蒸发模型进行拟合,结果显示Kostiakov和Philip入渗模型均能较好模拟残膜条件下土壤水分入渗,其中Philip入渗模型拟合精度高于Kostiakov入渗模型,且对砂土中农膜残留下的土壤水分入渗模拟效果更好;Black蒸发模型随着残膜量增加拟合精度下降,而Rose蒸发模型受残膜量的影响较小,更适合于农膜残留土壤累积蒸发量估算。     

土壤膨胀性对降雨入渗产流影响试验

入渗产流是水循环的重要环节,膨胀性土会改变土壤水分运动参数,从而对降雨入渗产流过程产生影响。以具有膨胀性的黄绵土和娄土为研究对象,在室内模拟降雨条件下,研究了土壤膨胀性对4种厚度(分别为10、20、30、40cm)的土壤容重、累积入渗量、径流强度等土壤水分运动参数的影响,并采用Philip公式、Kostiakov公式和Horton公式对土壤水分运动特征曲线拟合。结果显示:各种厚度的膨胀性土壤受到膨胀力和重力双重作用均导致表层0~10 cm土壤平均干容重相对减小,10 cm以下深度土壤干容重随深度增加而相对增加。随着土壤厚度增大,黄棉土和娄土的土壤累积入渗量变小。径流强度随历时增加而增加,然后稳定,且因不同土层土壤颗粒稳定性不同影响波动幅度。Philip公式拟合效果不理想,Kostiakov公式只适用于土壤饱和段的拟合,而Horton公式考虑到膨胀土体积变化影响土壤饱和过程中土壤水入渗速率,适用于初始入渗至稳定入渗的过程。     

太行山低山丘陵区坡位对土壤渗透性能影响研究

【目的】探究太行山低山丘陵区坡位对土壤渗透性能的影响,模拟不同坡位土壤水分入渗过程并选择该研究区的最适模型。【方法】选择栓皮栎林、侧柏林及撂荒地的典型坡面,通过野外调查和室内分析相结合的方法,研究了该地区不同植被类型条件下土壤渗透性能的坡位差异,分析了Horton模型、Philip模型和Kostiakov模型对不同坡位水分入渗过程的拟合效果。【结果】3种林型不同坡位间的初渗率、稳渗率及平均入渗率总体均表现为坡上坡中坡下。在栓皮栎林坡上的稳渗率比坡中及坡下分别增加了29.41%和83.33%,在侧柏林分别增加了90.43%和67.29%,在撂荒地分别增加了20.00%和36.63%。Horton模型、Philip模型和Kostiakov模型对不同坡位水分入渗过程拟合的判定系数分别为0.90、0.74和0.96。【结论】不同植被类型下的土壤渗透性能具有显著的坡位差异。在整个入渗阶段,坡上的累积入渗量是最大的,体现了较好的入渗性能。Kostiakov模型和Horton入渗模型更适合研究太行山低山丘陵区坡面的土壤水分入渗过程。     

优化技术在土壤入渗参数计算中的应用

对优化技术在入渗参数计算中的应用进行了研究,选取Kostiakov、修正的Kostiakov、Philip、Horton、Collis-George5个入渗模型,利用甘肃省3个大型灌区的实测资料计算了入渗参数,用剩余平方和对计算精度进行评价,结果表明,Collis-George模型、修正的Kostiakov模型较目前常用的Kostiakov模型能更好地描述这3个灌区的土壤入渗特性。     

四个入渗公式对农田潮土的适应性研究

在天津农学院农田水循环试验基地,采用双环入渗仪法测试了5个点次的土壤水分入渗过程,并利用Kostiakov、Philip、Horton和Green-Ampt入渗公式进行拟合。结果表明,不同测试点次运用不同入渗公式拟合的参数值不同,其中Horton公式的适用性和参数稳定性较其他3个公式更好;引入土壤入渗温度修正系数可显著改善模拟精度;考虑土壤冻结对入渗影响,将土壤入渗温度修正系数分为气温大于0℃和小于0℃二种情况,气温大于0℃时直接采用水的运动粘度与温度关系修正,气温小于0℃时引入一个指数函数描述土壤入渗温度修正系数与温度的关系。     

四种入渗模型在KCl溶液入渗的适应性

为了探讨4种常规的入渗模型在含盐水入渗条件下的适用性,采用室内一维垂直土柱进行积水入渗实验,对比不同KCl质量浓度下的土壤入渗规律,并采用4种模型分别拟合土壤入渗率变化特征。结果表明,相同时间内的累积入渗量随KCl质量浓度的增加而增加,并且湿润锋的推进距离与累积入渗量之间具有较好的线性关系(R2>0.7)。Philip和Horton入渗模型的拟合效果要优于Green-Ampt模型和Kostiakov公式。     

生物炭对黑土区土壤水分及其入渗性能的影响

为探究黑土区施用生物炭对土壤水分及其入渗性能影响的持续性,2016—2018年连续3年在东北黑土区进行了单次施加生物炭(75 t/hm~2,BC处理)和不施加生物炭(CK处理)的室内外对比试验,分析各土层土壤含水率及土壤水分入渗过程。结果表明:施加生物炭可增加各土层土壤含水率,使其极值比K_a和变异系数C_v减小,且土壤含水率、K_a、C_v的变化幅度均随生物炭施用年限增加而减弱,2016—2018年苗期耕层土壤含水率增加最多,分别增加了14.54%、11.48%和7.08%;施加生物炭明显增大了土壤累积入渗量、土壤入渗速率,增强了土壤入渗能力,促进了湿润锋的运移,各年份BC处理土壤累积入渗量由大到小依次为2016年、2017年、2018年,初始入渗速率f_1分别增加了70.48%、58.98%和48.41%,土壤稳定入渗速率f_c由大到小依次为2016年BC处理(1.65 mm/min)、2017年BC处理(1.22 mm/min)、2018年BC处理(1.17 mm/min)、2016年CK处理(0.46 mm/min)、2017年CK处理(0.43 mm/min)和2018年CK处理(0.38 mm/min);2016—2018年中,2016年BC处理湿润锋运移距离最深(32.24 mm),各表征土壤入渗性能的指标均于生物炭施用当年效果最优,而后逐年减弱;土壤累积入渗量与时间具有幂函数关系,湿润锋运移距离与时间具有三次函数关系,R~2均在0.963～0.998之间;Philip、Kostiakov、Horton 3个入渗模型拟合对比结果表明,Kostiakov模型R~2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min),拟合参数与实际情况相符,故本研究中Kostiakov模型拟合的土壤水分入渗过程最优。本研究可为东北黑土区施加生物炭后改良土壤水分入渗过程提供理论依据。     

上层土壤密度对模拟指流层状土壤水分入渗的影响

通过室内模拟指流,利用回归分析法进行分析,建立了以上层土壤密度为参数的Kostiakov和Philip模型对模拟指流的层状土壤入渗的改进模型,并进行了验证。结果表明,入渗时I;7相同时,累积入渗量随着上层土壤密度的增加而减小;Kostiakov和Philip模型都适合于模拟有指流产生的层状土壤的入渗,其相关系数都在0．...     

土壤水分入渗参数的非线性预报模型

以山西地区黄土高原区土壤为研究对象,通过实施大量大田耕作土壤水分入渗试验,获取了Kostiakov二参数入渗模型参数的实测大样本,建立了各个土壤水分入渗参数与土壤理化参数间的非线性关系模型;通过MATLAB软件,实现了Kostiakov入渗模型系数的求解。结果表明,常规土壤理化参数土壤含水率、体积质量、粉粒、砂粒和有机质质量分数作为非线性预报模型的输入参数是合理的,所建立的非线性关系模型高度相关,预测参数的实测值与预测值的相对误差可控制在8%以下。因此,用土壤常规理化参数对土壤水分入渗参数进行非线性预报是可行的。     

容重对红壤水平入渗及氯离子运移特性影响

为了研究不同容重红壤KCl溶液的水平一维入渗和氯离子运移特性,进行了室内水平一维入渗试验,入渗溶液为摩尔浓度0.1 mol/L的KCl溶液,试验土壤为红壤,土壤容重设定为1.20,1.25,1.30,1.35,1.40 g/cm3等5个不同的水平,试验结束后对数据进行了理论分析.结果表明:容重对红壤土水分入渗和氯离子运移影响具有统计学意义,入渗率、累积入渗量和湿润锋随土壤容重的增大而减小;入渗结束后,各土层含水量和氯离子分布趋势基本相同,在相同入渗距离,红壤容重越大,氯离子含量越小,但相差不大;Philip入渗模型和Kostiakov入渗模型都能较好地反应不同红壤容重水平一维入渗的累积入渗量与时间的关系(R20.98),Philip模型和Kostiakov模型中反映入渗特性的系数S和K均随红壤容重的增大而减小,说明累积入渗量与红壤容重呈负相关关系.研究结果可为红壤地区农作物的灌溉施肥提供理论支撑.     

基于Philip入渗模型的土壤水分入渗参数BP预报模型

基于黄土高原区大量大田土壤入渗实测资料,借助BP神经网络模型建立了基于Philip土壤入渗模型参数的预报模型,并分别讨论了BP神经网络土壤水分入渗参数稳渗率预报模型、土壤水分入渗参数稳渗率预报模型和Philip模型的90min累积入渗量预测的单项和综合误差。结果表明:基于常规土壤理化参数土壤含水率、容重、黏粒含量、粉粒含量以及有机质等建立BP神经网络模型对Philip土壤入渗半经验半理论模型参数吸渗率S和稳渗率A进行预测是可行的。预测参数A和S以及Philip模型的90min累积入渗量的预测值与实际值的相对误差分别为2.074 60%、3.079 98%和2.037 56%,都在可接受的范围内;研究结果可为世界范围内大量实用的地面灌溉技术参数优化提供强有力的依据支撑。     

KCl溶液对土壤入渗及氯离子运移特性影响研究

为了研究不同质量浓度KCl溶液对土壤入渗及溶质运移特性的影响,将KCl溶液质量浓度分别设置为0、2、3、4、5、8和10g/L,基于一维土柱入渗试验,采用CXTFIT模型对Cl-运移特性进行拟合。结果表明,累积入渗量、湿润锋推进速度、入渗率、土壤的导水能力均随着KCl溶液质量浓度的增加而增加。Kostiakov模型、Philip模型对KCl溶液入渗具有良好的适应性,相同历时下的累积入渗量与湿润锋推进距离存在良好的线性关系(R2=0.912 9)。此外,CXTFIT模型能够较好的反应不同质量浓度KCl溶液下的Cl-的运移过程且质量浓度高的KCl溶液在土壤中的对流弥散速度大于质量浓度低的。