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。     

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。     

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。     

地下水浅埋区土壤水TDS变化规律分析

土壤水的研究对农田水利、水文地质、生态与环境等具有很重要的意义,本文研究了黄河三角洲地区土壤水TDS变化规律及其影响因素。在研究区设立了3个试验点,分别观测裸地、棉花地和芦苇地包气带水分变化,并利用陶土头负压法获取各试验点不同深度的土壤水样。水样分析结果表明,土壤水的TDS主要与地表覆盖类型、包气带岩性和地下水及其埋深有关。     

石羊河下游民勤绿洲地下水埋深时空分布动态研究

以研究区近20年观测井地下水埋深观测数据分析了石羊河下游民勤绿洲地下水位的年际变化、季节变化动态及空间分布特征,结果表明:研究区地下水埋深年际变化以严格统计直线型加深;季节变化具有春秋季变化剧烈,地下水埋深剧烈加深和快速恢复.夏季地下水埋深加深达顶峰,冬季地下水缓慢恢复的特点;空间变化具有沿绿洲到荒漠方向距离绿洲中心越远地下水埋深越浅,沿石羊河古河道越到下游,地下水埋深越浅的特点.     

蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型

利用需水系数、蒸腾系数和潜水蒸发经验公式,引入水分迁移系数和盐分迁移系数,建立了蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型。提出作物根系吸水比例系数,用以区分计算土层下边界的根系吸水项和土壤毛管水上升项。引入盐分影响下的作物蒸散发修正系数,并与水盐生产函数相反馈进行土壤水盐动态的修正。该模型简单适用,可用于蒸散发期间田间水盐状况的调控管理。     

地下水作用条件下粉砂壤土盐分动态研究

用粉砂壤土土柱进行了室内模拟试验，研究不同地下水埋深及其矿化度作用条件下非饱和粉砂壤土的盐分动态规律。在相同地下水埋深情况下，处于盐分动态平衡状态时的各模拟土柱相同层次土壤溶液浓度，与地下水矿化度呈良好正相关关系。在相同地下水矿化度条件下，土体积盐速率与地下水埋深呈负相关关系，但是各土柱相同埋深土体达到盐分动态平衡状态时的土壤溶液浓度差别不明显。对地下水埋深及地下水矿化度对耕作层土壤溶液浓度的综合作用效果进行了深入分析，建立了各积盐阶段耕作层土壤溶液浓度的增高值关于此二因素的数理统计模型。     

基于灰色关联分析的土壤水盐动态变化研究

根据洛惠渠灌区多年观测资料与实地调查,采用灰色关联法对灌区地下水矿化度、埋深与土壤含盐量的动态关系进行了分析。阐明了3者之间的年际动态变化规律和耦合关系,建立了灌区土壤水盐动态耦合关系模型。结果表明,地下水矿化度是影响土壤含盐量的主要因素,地下水埋深对盐分的转移也起着重要的作用,各因子之间相互作用,形成了复杂条件下的耦合关系;该灌区处于脱盐和相对稳定状态,受外界因素影响,土壤含盐量变化趋势与地下水矿化度和地下水位变化趋势不一致;基于地下水矿化度和地下水埋深的土壤水盐耦合关系模型具有较高的预测精度,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。     

不同潜水埋深条件下微咸水灌溉的水盐运移规律及模拟研究

采用大型蒸渗仪研究不同地下水埋深条件下微咸水（咸水）灌溉对土壤水盐的影响,在此基础上,建立了BP神经网络水盐耦合模型。研究结果表明：土壤中盐分含量随地下水埋深的增加而减小,随灌溉水盐分水平的增加而增大。在地下水埋深为2 m,3 m,4 m的地区,采用矿化度小于4 g/L的水进行灌溉,在夏玉米整个生长周期的0～100 cm土层内不会形成积盐现象;拓扑结构为8∶2∶2的BP网络模型,能模拟不同地下水埋深条件下微咸水（咸水）灌溉的水盐运移,且精度较高。     

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。     

地下水浅埋区重度盐碱地覆膜咸水滴灌水盐动态试验研究

通过在高垄埋设水银负压计,研究土壤水势动态,并在枸杞不同生育期对潜水位以上各土层盐分进行取样分析,研究土壤盐分周年动态变化,为地下水浅埋区重度盐碱地改良利用提供理论依据。结果表明,在覆膜滴灌一个灌溉周期内,土壤水分运动始终为自滴头下方饱和区持续径向向外扩散;雨季降雨使水分从土壤剖面整体向下运动,随着潜水位的升高水分运动逐渐减弱,转为自垄中部向垄坡方向运动。盐分运动受水分运动影响明显,周年盐分动态可以分为春季强烈蒸发—积盐阶段、灌溉淋洗—稳定阶段、雨季淋溶—脱盐阶段、秋季蒸发—积盐阶段和冬季相对稳定阶段五个阶段。剖面土壤电导率(EC1∶5)均值从1.64 dS m-1增长至1.69 dS m-1,土壤未明显积盐,但盐分在剖面分布的周年变化表明滴灌灌溉调控了水分盐分在土壤中的分布,为作物根系生长提供了良好的土壤环境条件。因此,地下水浅埋区重度盐碱地可以通过高垄覆膜咸水滴灌技术加以利用。     

浅地下水埋深微域尺度苏打盐渍土的积盐机理探讨

通过野外定位观测和室内化验,探讨了浅埋地下水环境下苏打盐渍土的积盐机理。结果表明:在35×35m2大小的区域内,相对高差仅60cm,包括盐化草甸土、浅位柱状碱土、白盖苏打碱土和中位柱状碱土4种土壤类型。盐化草甸土分布在相对较低的洼地,几乎没有碱化层;白盖苏打碱土和中位柱状碱土分布在微坡地和高平地。高平地土壤的碱化层出现在15～30cm,碱化度(ESP)70%,微坡地土壤的ESP表层最大达75%。地下水位(初见水位)表现为洼地凸出的三维空间格局,洼地和高平地之间的地下水初见水位差达1m以上,24h后的水位基本保持在同一水平。地下水位在冻结期的变化与冻土的形成和发展有一定相关性。冻结期,部分浅埋地下水进入冻层,导致冻层含水率增加,同期地下水开始缓慢下降。盐化草甸土表层的含水率从冻结前的20%增加到50%(过饱和状态),其增量达到显著性水平(p<0·05);苏打碱土冻结层含水率有一定的变化,但变化程度不显著。冻融期间,苏打碱土表层含盐量迅速增加,其中白盖苏打碱土表层含盐量增量幅度达80%,而盐化草甸土表层的盐分含量变化不显著。     

基于人工智能计算技术的区域性土壤水盐环境动态监测

根据区域水环境监测与评价的要求，采用人工智能计算技术的BP神经网络模型进行二维区域性土壤水盐环境动态监测，仿真计算了河套灌区内两个实验区的区域土壤水盐动态值，绘制出水盐等值线图与三维透视图，将两年的预测成果对比分析。结果表明：隆胜实验区2002、2004两年春季耕作层土壤水分平均值稳定为21.0%，电导率平均值分别为0.35 ms/cm、0.42 ms/cm，有少量积盐。沙壕渠实验区两年春季耕作层土壤水分平均值分别为25.8%、21.8%，水分减少4%，而电导率明显增加，从0.44 ms/cm增至0.66 ms/cm，土壤耕层积盐明显，值得引起重视。由于BP神经网络技术对原始数据无参数及分布要求，不涉及特异值处理问题，可消除普通克立格法的平滑效应，具有较强的非线性拟合智能，对采样系统布置无严格要求，计算程序简单实用，是对常用地质统计学Kriging传统预测方法的改进，有独特的优点，可应用于大面积土壤水盐动态监测工作。     

内蒙古河套灌区节水灌溉工程实施后地下水变化的BP模型预测

根据黄河河套灌区多年的水文、气象和地下水资料，应用不同的ANN—BP网络模型对灌区年、月地下水埋深的变化进行了模拟，预测了黄河河套灌区节水工程实施后未来灌区年平均地下水位下降的情况，从预测结果可以看出，河套灌区节水工程实施后灌区平均地下水位预计下降0.5 m左右。此外对BP模型的结构设计中隐含层数、隐含单元数和学习速率的合理确定作了具体分析，提出了学习速率取值范围lr=0.01～0.1，为河套灌区节水工程改造规划、设计和管理决策及BP模型的应用提供了参考依据。     

区域土壤水盐空间分布信息的BP神经网络模型研究

针对黄河下游三角洲盐渍区土壤水盐动态的复杂性和空间的变异性,将人工神经网络引入土壤水盐信息的模拟和预测中,探讨了3层网络结构下隐含层神经元数对网络训练和预测的影响,建立了0～20cm表土层水盐含量及其空间分布的BP神经网络模型。结果表明:研究区域表土层水盐与土壤容重和地下水性质间均具极显著的关联性,表土层盐分BP网络的输入因子以经、纬度坐标、土壤容重、地下水埋深和矿化度5个变量为宜,含水量则为经、纬度坐标、土壤容重和地下水埋深4个变量;隐含层神经元数过多会导致"过拟合",当表层土壤盐分和含水量BP网络的拓扑结构分别为5:8:1和4:6:1时,其预测精度最高;表土层水盐BP神经网络模拟值与观测值得到的分布图表现出相似的空间格局,BP神经网络模型有效地模拟了表土层水盐含量及其空间分布特征。该研究为黄河三角洲地区土壤盐渍化的发生、发展及演变规律分析提供理论基础,并为盐渍土地的水盐调控与科学管理提供决策依据。     

BP神经网络在道路土壤分离速率模拟中的应用

 土壤分离是土壤侵蚀的重要过程,为坡面径流的搬运过程提供了物质基础,因而对土壤分离速率的准确模拟具有重要的理论和实践意义。采用变坡水槽实验,利用在较大的坡度(8.8%～46.6%)及较大的流量范围(1～5L/s)内测得的黄土高原道路土壤分离速率数据,分别使用BP神经网络模型及回归模型对土壤分离速率进行模拟,并对比上述2种模型的模拟效果。结果表明:BP神经网络模型可以利用实验中较容易测定的坡度、流量等数据对土壤分离速率进行较为准确的模拟(模型效率系数0.952);相对传统回归模型,BP神经网络模型对不同类型道路的土壤分离速率的模拟精度均有所提高;BP神经网络模型可以将道路类型、坡度、流量与土壤分离速率的关系统一为一个模型,可为道路土壤分离的模拟提供新的方法。     

棉花膜下滴灌土壤水盐运移规律数值模拟

通过棉花桶栽试验,获取棉花全生育期土壤蒸发蒸腾量以及土壤含水率、含盐量变化规律。以土壤水分运动基本方程和溶质运移对流-弥散方程为基础,在考虑棉花根系吸水和土壤蒸发蒸腾条件下,对膜下滴灌棉花全生育期时段内土壤中水盐运移规律进行了数值模拟,并与实测的土壤含水率和含盐量进行了对比分析。其结果显示:土壤表层和深层的土壤含水率和含盐量模拟值与实测值均存在不同程度的偏差,而中间层土壤含水率和含盐量的模拟值较接近实测值。因此,只要能够获得足够的精确的大田实测资料,就可以将该模型应用于棉花膜下滴灌土壤水盐运移规律的实际预测。     

河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响

采用室内土柱模拟试验,研究不同掺沙量对土壤入渗特征与水盐运移的影响。共设置了CK（不掺沙）、S1（掺沙2%）、S2（掺沙4%）、…、S15（掺沙30%）16个试验处理,测定不同处理试验期间土壤含水率和含盐量的变化。结果表明：1）随着土壤表层掺沙量的增加,土壤的累积入渗量与湿润峰运移速度都呈逐渐增加的趋势;当掺沙比例为18%～24%时,土壤稳定入渗速率在0.065～0.091 mm/min之间;掺沙比例为26%～30%时,土壤稳定入渗速率大于0.1 mm/min,土壤持水能力较低。2）不同处理在7、11、15 d的土壤平均含水率差异显著（P<0.05）,适当增大掺沙量可以有效促进土壤水分向下运移,掺沙比例过大会降低土壤的持水能力。3）当掺沙比例小于24%时,不同处理7 d的土壤含盐量差异显著（P<0.05）;S9～S12处理在20 d时30 cm土层的土壤含盐量相比不掺沙的处理降低90%以上,能够同时保证土壤的脱盐能力和持水能力。4）Kostiakov模型能够很好地在本研究中对土壤水分入渗过程进行模拟。该研究结果可为表层土壤掺沙改良河套灌区重度盐碱地提供理论支持。     

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。     

应用集成BP神经网络进行田间土壤空间变异研究

以英国北爱尔兰Hayes的一块牧草地为研究区，将所有样点分为独立的训练和检验数据集，并在训练样点集的基础上设计了其他4种样点布局方案，以研究神经网络集成技术应用于田间土壤性质空间变异性的可能性。与广泛应用的克里格法的试验结果相比，集成BP神经网络的插值结果精度与之基本相当，尤其是在样点分布较稀疏和样点数较少的情况下，集成BP网络表现出明显的优势；由于神经网络集成方法对样本数据的分布没有任何要求，因此具有较广泛的应用前景和潜力，并在不符合克里格法对样本数据分布要求的情况下是一种可行的替代方法。