基于神经网络和粒子群算法产流量模型构建

为了研究坡面产流量与各影响因子间定量关系,分析野外多尺度人工径流小区实测数据,采用人工神经网络及粒子群算法,建立了坡面产流量预测模型,产流量与坡长、坡宽、坡度、前期土壤含水量间可采用二次抛物线关系进行描述,与植被覆盖度、降雨量间分别采用幂函数和线性函数进行描述.另外采用加权相对差距和法确定了产流量BP神经网络模型最优拓扑结构及网络参数,建立了产流量BP神经网络模型,该模型模拟值与实测相对误差在±20%以内,预测精度较高.同时基于产流量与各单因子定量关系,建立了产流量经验模型,采用粒子群算法推求了模型未知参数,该经验模型相对误差主要在±30%以内,其精度略逊于BP神经网络模型.     

稻田回归水模拟及其评价

以V ens im为工具,建立了稻田田间及中等尺度水量转化的系统动力学模型;通过漳河灌区团林试区实测资料检验,证实了模型的适用性及其精度。将模型用于田间及中等尺度回归水的模拟,探讨了回归水评价指标随田间及中等尺度的变化规律,对影响稻田回归水变化的因素进行了敏感性分析。结果表明:地表回归水量随田埂有效高度的增加线性减少;田埂回归水量随田块长度的增加线性增加,随田埂宽度的增加而明显减少;田埂回归水和田间回归水均随水力传导度的增加而增加;地下回归水随坡度的变陡而增大;地表回归水、田间回归水及田埂回归水均随旱作比例的增加而减少。田块狭长组合方式的回归水重复利用系数比宽窄组合方式大。回归水评价指标计算表明,灌溉降雨回归系数比灌溉回归系数能更好的反映田间出流及回归水的利用;中等尺度的灌溉回归系数和灌溉降雨回归系数分别是田间尺度的1倍左右;中等尺度上的重复利用系数不大,说明可以提供给下游使用的回归水量大;干旱年份的回归水重复利用系数比平水年的大。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面土壤可蚀性影响试验研究

通过人工模拟降雨试验,选取2种坡度(15°,30°),2种降雨强度(92,119 mm/h)和6种砾石覆盖度(0,10%,20%,40%,60%,80%),探究砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面侵蚀及土壤可蚀性的影响.结果表明:随累积降雨量增加,土壤可蚀性参数先增大后减小,并趋于稳定.坡度对土壤可蚀性影响显著,坡度越陡,坡面土壤可蚀性越大.砾石覆盖度与土壤可蚀性参数并非呈单调关系.坡度较陡且低覆盖度时,砾石覆盖增加坡面侵蚀;而当高覆盖度时,砾石覆盖可降低坡面径流速率,增加入渗率,减小土壤侵蚀率.适当盖度砾石覆盖能够改变边坡表面粗糙程度,降低坡面土壤可蚀性.砾石覆盖坡面径流雷诺数与土壤可蚀性参数呈显著线性负相关关系.通过径流雷诺数与土壤可蚀性参数线性关系定量分析能够较好反映坡面高钠盐土颗粒输移水动力学过程,对于构建盐碱土边坡泥沙输移预测模型具有重要意义.     

坡度和降雨强度对坡耕地入渗的影响

利用人工模拟降雨对黑龙江西部半干旱区坡耕地不同坡度和不同降雨强度下的土壤水分入渗规律进行了试验研究,采用产流历时和稳定入渗速率二项指标进行分析,发现随着地面坡度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐减小,坡面产流历时与坡度呈对数函数关系,土壤稳渗速率与坡度呈幂函数关系;随着降雨强度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐增大;坡面产流历时与降雨强度呈指数函数关系,土壤稳定入渗速率与降雨强度也呈指数关系。     

北京地区等高草篱防治坡耕地水土流失效果

在北京地区采用自然降雨和模拟降雨相结合的方法,研究了狼尾草和野古草两种等高草篱在不同坡度（5%、10%、15%、20%）下对裸露坡耕地水土流失的影响。结果一致表明,狼尾草和野古草2种草篱均可显著降低坡耕地水土流失,且狼尾草草篱的效果显著好于野古草草篱。在自然降雨下（平均雨强13.3 mm/h）,狼尾草草篱可减少72.7%的地表径流和86.3%的土壤流失,野古草草篱可减少53.8%的地表径流和64.1%的土壤流失;在模拟降雨下（平均雨强49.5 mm/h）,狼尾草草篱可减少80.7%的地表径流和94.5%的土壤流失,野古草草篱可减少59.5%的地表径流和71.5%的土壤流失。另外,2种等高草篱防治水土流失的效果与坡度成显著负相关关系,随坡度增加2种草篱的水土保持功能逐渐减弱,但至20%坡度时,其对径流和土壤流失的降低作用仍维持在40%和50%以上。回归分析结果显示,草篱因素已经超过坡度和雨强,成为控制坡耕地水土流失的首要因素。     

不同土壤前期含水率和坡度下黄壤分离临界水动力特性

土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡度(1.0°~10.0°),利用冲刷槽实测土壤分离临界水动力学参数,探讨土壤分离临界水动力学参数对不同土壤前期含水率和坡度耦合作用的响应。结果表明:土壤分离临界流速、临界水深和流态均与坡度和土壤前期含水率呈幂函数减小关系;在坡度小于5.0°时,土壤分离临界水动力参数受坡度和土壤前期含水率耦合作用的影响;而在坡度大于5.0°时则主要受坡度的影响。因此,当坡度大于5.0°时,可直接采用简化幂函数方程对土壤分离临界水动力参数进行估算。在本研究试验条件下,坡面土壤分离临界水流流态基本属于层流、缓流,发生紊流、急流的概率很小。坡度和土壤前期含水率对坡面流阻力有重要的影响,阻力系数随临界单宽流量和雷诺数的增加呈幂函数下降趋势。     

便携式土壤电导率测试仪改进设计及实验

对基于"电流-电压四端法"的便携式土壤电导率测试仪进行了改进设计,对仪器的稳定性和重复性进行了测试.以北方潮土为研究对象,研究了土壤电导率随含水率和盐分含量变化的规律.实验表明,改进设计显著提高了仪器的重复性和测量精度.系统最大相对误差不超过4.4%,具有良好的稳定性;土壤电导率在含水率为8%～30%范围内呈线性变化,相关系数为0.9635;当盐分含量为0.1%～0.3%时,土壤电导率变化显著,呈线性变化;当盐分含量高于0.3%时,土壤电导率值基本稳定.     

华北土石山区模拟降雨下土壤溅蚀研究

采取野外模拟降雨试验,研究了降雨强度、降雨动能以及降雨历时对溅蚀量的影响规律,分析了溅蚀土粒的距离、方位的分布特征,以及溅蚀土粒的粒径组成规律。研究结果表明:雨滴击溅过程中,在不同强度的降雨作用下,下坡方向产生的溅蚀量最大,上坡方向产生的溅蚀量最小。溅蚀总搬运量与溅蚀净搬运量均与降雨强度呈正相关。溅蚀量与降雨强度呈指数函数关系,与降雨动能呈现线性函数关系。溅蚀率与降雨历时呈现指数函数关系。溅蚀土粒主要分布在0~10 cm,占溅蚀总搬运量的45.40%~57.75%,在50~60 cm内的溅蚀量所占比例不高于1.75%。溅蚀量与溅蚀距离呈负指数函数关系。溅蚀土粒径小于等于2 mm,溅蚀土粒中细砂粒和粗粉粒百分比与原状土壤较为接近,粗砂粒百分比远低于原状土壤,而粘粒百分比高于原状土壤,粉粒百分比低于原状土壤。溅蚀土粒中细砂粒(0.05~0.2 mm)最易于被溅蚀,而小粒径(小于0.002 mm)和大粒径(大于0.2 mm)土壤颗粒不易被溅蚀。当降雨强度足够大时,对于同种特征的土壤,溅蚀土粒存在稳定的粒径组成。当降雨强度保持不变时,溅蚀平均粒径随溅蚀距离的增加而变小。溅蚀距离在0~30 cm,溅蚀平均粒径的变化率较大;随溅蚀距离的不断增加,溅蚀平均粒径的变化率较小。     

烟台地区水面蒸发BP神经网络模型研究

运用BP神经网络模型对水面蒸发进行研究,并与多元线性回归和主成分回归2种方法的拟合结果进行比较。结果显示,多元线性回归各参数均通过t检验,拟合较好;主成分回归中,参数b2未通过t检验,拟合效果不如多元线性回归好。BP神经网络模型、多元线性回归、主成分回归建立的水面蒸发量观测值与拟合值的回归方程中决定系数分别为0.8986、0.7993、0.7984。应用BP神经网络进行分析,相对误差小于10%的样本个数超过总样本个数的40%,相对误差不超过30%的样本个数接近80%;而其它2种方法相对误差大于10%的样本个数超过总样本数的80%,相对误差大于50%的接近总样本个数的30%。可见,应用BP神经网络模型进行水面蒸发量计算,远优于其它2种方法,应用此方法进行水面蒸发量的预测是非常理想的。     

Soluble potassium transport in agricultural runoff water

Potassium transport in runoff from three agricultural soils was investigated in laboratory and field experiments using a kinetic equation describing soil K desorption. In the laboratory, this equation was used to study the effect of rainfall intensity and soil slope, cover, and residue incorporation on the effective depth of interaction between surface soil and runoff (edi), an important parameter in the kinetic equation. Using simulated rainfall, edi increased linearly (from 1.6 to 22.0 mm) with an increase in rainfall intensity (50 to 160 mm h⁻¹) and soil slope (2 to 20%). edi was reduced an average 82% following incorporation of 5.0 t ha⁻¹ of wheat straw (Triticum aestivum L. sp.) and 44% by a 0.5-mm² mesh screen, simulating crop cover, compared to the control (4.5 mm). This reduction was attributed to a decreased turbulent mixing of water at the soil surface brought about by an increased physical protection of soil. For all soils and treatments, edi was logarithmically related to soil loss (r² = 0.80), allowing estimation of edi under variable rainfall intensity, soil slope, type, and cover conditions from measured or estimated soil loss. The values of edi, thus estimated were used in the kinetic equation to predict solution K transport in runoff from eight agricultural watersheds in Oklahoma, U.S.A. Measured and predicted mean annual flow-weighted concentrations of solution K were not significantly different and were strongly correlated (r² = 0.92). These results improve our capability to predict K transport in runoff under field conditions. These methods could also be applied to other agricultural chemicals transported in runoff and results used to improve management of soil and water.     

雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响

基于模拟降雨试验和纱网覆盖消除雨滴打击作用的试验方法,研究雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响。试验包括3种黄土高原代表性的侵蚀性降雨强度(50、75、100 mm/h)和3个细沟侵蚀发生最常见的坡度(10°、15°和20°)。结果表明,与有雨滴打击试验处理相比,纱网覆盖消除雨滴打击后,坡面径流稳定产流率和含沙量均明显减小;坡面侵蚀量和细沟侵蚀量分别减少28.1%~47.7%和20.2%~38.6%;而细沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献率增加。消除雨滴打击后,坡度对细沟侵蚀的影响与有雨滴打击时相同,而降雨强度对细沟侵蚀的影响增加。有、无雨滴打击试验处理的细沟密度和割裂度均随着降雨强度和坡度的增加而增大;而细沟倾斜度的变化较为复杂,所以细沟密度和割裂度可作为描述细沟形态的最佳指标。试验结果还表明,雨滴打击对细沟沟槽形状也有间接影响,即消除雨滴打击后,细沟宽度和深度的变异程度减小,沟槽形状更为规则。同时,有雨滴打击试验处理的细沟宽深比随着坡度和降雨强度的增加而减小,而无雨滴打击试验处理的细沟宽深比随着坡度的增加而减小,随着降雨强度的增加呈微弱的增加趋势。     

土壤水分状况对温室滴灌番茄水分利用效率及果实品质的影响

在日光温室滴灌条件下,通过小区试验研究了不同生育阶段不同土壤水分状况对番茄产量、水分利用效率(WUE)及果实品质的影响.结果表明,番茄产量对土壤水分具有一阈值反应,只要土壤水分不低于田间持水率的60%,适度控制土壤水分对番茄产量影响较小,并有利于水分利用效率的提高;不同采摘时期的番茄果实可溶性固形物(SSC)和维生素c...     

次降雨有效降雨量的影响因素及其估算模型

利用沧州市南皮生态农业试验站点2011—2013年不同土层深度的含水率及降雨量和降雨时间,结合由植株叶面积指数得到的不同生育期植株的截留容量,分析了最大容水量S和最大降雨强度二者与降雨有效性的相关关系,并在此基础上建立了次降雨有效降雨的估算模型。结果表明,土壤初始含水率与降雨有效性线性相关,且在不发生溢流情况下,可以用土壤最大容水量S作为是否考虑土壤初始含水率折减作用的分界点;另外,对于降雨强度I≥0.7 mm/min的降雨,降雨强度与降雨有效性相关性显著,并且随最大降雨强度的增大,降雨有效性逐渐减小;最后将运用传统模型和新估算模型计算的有效降雨量值与实测有效降雨量值验证对比,新模型比传统模型更加贴近实测有效降雨,并且降雨量较大时差别更加明显。     

人工模拟暴雨条件下紫色土坡耕地入渗过程研究

结合室内物理化学试验等研究手段,运用人工模拟降雨法,分别探讨了不同暴雨强度,地面坡度及聚丙烯酰胺(PAM)加入量对紫色土坡耕地降雨入渗率的影响.研究结果表明,随着降雨强度的增大,稳定入渗率有增大的趋势;在0°～10°范围内随着坡度的增大紫色土坡面入渗量随之增加;PAM的加入可以较大程度促进土壤水分的入渗,提高稳定入渗率...     

Runoff estimation in southern Brazil based on Smith's modified model and the Curve Number method

The objective of this work was to measure and model the runoff for different soils classes at different rainfall intensities (30, 60 and 120 mm h⁻¹) in Southern Brazil. A portable rainfall simulator with multiple nozzles was used to simulate these rainfall intensities. For each soil, the initial time and runoff rate, rainfall characteristics (total, duration and intensities), surface slope, crop residue amount and cover percentage, soil densities (bulk and particle), soil porosity (bulk, macro and micro), textural fractions (clay, silt and sand), and the initial and saturated soil water content were measured. The runoff measured was compared to Smith's modified and Curve Number (USDA-SCS) models. The cumulative runoff losses were 67, 45 and 27% of the total rainfall, for a Rhodic Paleudalf, Typic Quartzipsamment and Rhodic Hapludox, respectively. An inverse relationship was observed between initial runoff and the runoff rate, independently of the soil surface and rainfall conditions. Increasing rainfall intensity decreased the time to runoff and increased runoff rate. The Smith's modified model overestimated the cumulative runoff by about 4%. The Smith's modified model presented a better estimate for both higher and lower rainfall intensities (120 and 30 mm h⁻¹). The SCS Curve Number model overestimated the cumulative runoff by about 34%. This large overestimate is probably due to that the model did not take into account the soil tillage system used in the field by farmers, particularly for irrigated conditions. The combination of high porosity, low bulk density and presence of crop residue on soil surface decreased runoff losses, independently of the soil texture class. Smith's modified model better estimated the surface runoff for soil with a high soil water content, and it was considered satisfactory for Southern Brazil runoff estimations. The SCS Curve Number model overestimated the cumulative runoff and its use needs adjustments particularly for no-tillage management system.     

基于无人机-卫星遥感升尺度的土壤水分监测模型研究

土壤水分是研究土壤-植物-大气循环系统中能量与物质交换的关键,通过尺度转换方法将无人机遥感数据上推以修正卫星数据,可有效改善卫星遥感反演模型精度。本文以河套灌区为研究对象,分别采用重采样和TsHARP升尺度法,引入多元线性回归(MLR)、BP神经网络(BPNN)和支持向量机(SVM)算法构建不同土壤深度下无人机-卫星升尺度土壤含水率反演模型。研究结果表明：重采样升尺度法在不同土壤深度下模型整体精度由高到低依次为SVM、MLR、BPNN,其中在土壤深度0～60 cm下采用SVM模型最优,R²达到0.571,RMSE为0.022%;TsHARP升尺度法在不同土壤深度下模型整体精度由高到低依次为BPNN、SVM、MLR,其中在土壤深度0～60 cm下采用BPNN模型最优,R²达到0.829,RMSE为0.015%。与升尺度修正前对应土壤深度模型对比,两种升尺度方法均能明显提高卫星遥感对土壤含水率的反演精度,但TsHARP升尺度法整体优于重采样法;重采样法的R²由0.413提升至0.571,RMSE由0.026%降至0.022%...