基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模拟

为建立基于智能体和元胞自动机(Agent-CA)的鱼道内鱼类行为模型,该研究以计算流体力学软件得到的水流流场数据为基础,根据过鱼试验研究认识到的鱼上溯行为特征和规律,定义了不同场景下鱼的避开障碍、寻找主流、逆流向前、逆流后退、冲刺、随机6种行为和行为规则,将鱼道划分成多个二维元胞空间,将元胞空间中元胞状态为"鱼"的网格看作是一个智能体(Agent)。在3种体型的竖缝式鱼道中应用该模型对草鱼幼鱼的上溯行为进行模拟,并将模拟结果与实际过鱼轨迹进行对比。结果表明:该研究构建的模型能够较好地描述实际过鱼的主要上溯轨迹,针对3种体型竖缝式鱼道的模拟特征轨迹范围相对误差分别为23.5%、7.7%和2.3%。本研究提出的基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模型具有较好的适用性,可为鱼类行为模拟研究提供重要基础数据。     

工程堆积体坡面不同植被格局的控蚀效果研究

为探明不同植被格局对工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀的影响,采用10,20,30 L/min 3种放水流量,对黄土区不同格局（裸坡、坡顶、坡中、坡底、条带）下的高陡边坡（32°,20 m×1 m）进行模拟放水试验,选取径流率、产沙率、减流效益、减沙效益等因子对堆积体坡面植被的控蚀效果进行分析。结果表明：3种放水流量下,条带、坡顶、坡中、坡底的平均径流率较裸坡分别减小57.33%,61.17%,41.62%,24.78%,平均产沙率较裸坡分别减小74.99%,61.10%,55.01%,46.43%,且径流率与产沙率的线性关系（R²=0.57~0.80,p<0.01）整体上弱于裸坡（R²=0.71,p<0.01）。不同植被格局中,条带及坡顶格局的减流效益分别是65.97%,60.52%,减沙效益分别为71.44%,57.22%,二者的控蚀效果远高于其他格局。产沙率与径流功率的线性相关性（R²=0.61~0.83,p<0.01）高于径流剪切力（R²=0.29~0.76,p<0.01）,径流功率能更好地反映堆积体坡面土壤侵蚀机制。     

不同种植间距对香根草植物边坡优先流发育特征的影响

[目的]分析优先流在香根草边坡中的发育特征,研究植物根系与优先流之间的关系,为进一步研究降雨条件下植物根系对边坡土体稳定性的影响提供理论依据。[方法]以种植间距为50 cm和10 cm的香根草为研究对象,模拟30 mm和50 mm两种不同的降雨量,采用示踪剂试验研究了香根草边坡土壤的优先流发育特征。[结果]香根草种植间距从50 cm减少到10 cm会增大边坡的水力响应。在50 mm的降雨量作用下,10 cm种植间距的香根草边坡土壤的染色面积比率和优先流比分别是50 cm的1.55,1.76倍。表层土0—10 cm土层深度范围内染色路径数量变化不明显,在10—35 cm深度土层范围,10 cm种植间距的染色路径数量多于50 cm种植间距的香根草边坡土壤。当降雨量由30 mm增加至50 mm时,水流会通过优势通道更迅速迁移到边坡土壤中。降雨量为30 mm土壤的染色面积比率(36.11%)和优先流比(67.25%)小于50 mm土壤的染色面积比率(49.68%)和优先流比(79.96%),并且染色路径数量随着降雨量的增加而增多。[结论]香根草根系特征与优先流关系密切。选择植物护坡时,应合理选...     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

坡度对降雨径流挟沙能力影响的模拟试验

高陡边坡降雨径流侵蚀输移能力是一个重要的科学问题。通过室内模拟降雨试验研究相同雨强不同坡度和坡长条件下的降雨径流侵蚀输移规律。结果表明：(1)试验条件下,水深与水力坡度的1/3次方呈负相关,与坡长的3/5次方呈正相关,流速与水力坡度和水深呈幂函数增加;(2)相同雨强裸坡条件下,径流含沙量与水力坡度的1/2次方呈正相关,与坡长的4/5次方呈正相关。水流挟沙能力约与水力坡度的1/2次方呈正相关。(3)降雨径流的水流紊动扩散作用与重力作用的比值较明渠水流偏大,表明雨滴打击的紊动作用较明显,给出挟沙能力公式。与常用的河流泥沙挟沙能力公式比较,系数偏大,指数偏小。研究成果对深入分析降雨径流侵蚀输移的机制具有重要意义。     

Seasonal variation in canopy reflectance and its application to determine the water status and water use by citrus trees in the Western Cape, South Africa

This study describes the diurnal and seasonal dynamics of the canopy reflectance, water use and water status of Midknight Valencia citrus trees under semi-arid conditions. Hyperspectral canopy reflectance data was collected on 30 trees at monthly intervals over a period of 16 months in a commercial orchard in South Africa. The mean canopy reflectance in the wavelength range 350-2500 nm followed a clear seasonal trend influenced by environmental conditions and tree phenology. Mean monthly reflectance peaked in summer (∼22%) while the lowest value (∼15%) was reached in winter with the seasonal changes in the sun's position accounting for a significant proportion of the variations. A sensitivity analysis of a Penman-Monteith transpiration model showed that water use by individual trees changed by up to 13% when the canopy reflectance was varied over the seasonal range of measured values. This suggested that the seasonal changes in tree water use influenced the seasonal trend of the canopy reflectance. Thus monitoring the canopy reflectance of citrus trees could offer information on the tree water status. To test this, sap flow data of water uptake and loss by the trees were compared with the canopy spectra. Sap flow data showed a heavy reliance by the citrus trees on the internally stored water with up to 25% of the daily total transpiration withdrawn from the trees’ internal water storage pools when soil water was limited. This depletion of internally stored water, and hence the change in tree water status, was detected using spectral indices based on the first order derivatives of the canopy reflectance centered at two and, at most, four spectral bands. We conclude that even if citrus trees are evergreen, their canopy reflectance changes significantly throughout the year with a considerable impact on tree energy balance and water use. In addition, the contribution of the internally stored water to daily transpiration is a possible indicator of drought stress for citrus trees detectable from changes in canopy reflectance and it has potential applications in irrigation scheduling using canopy level spectral information.     

不同大孔隙深度对土壤水分入渗特性的影响

利用特定粒径砂石和特制模具模拟同一有效面孔隙度、不同深度的大孔隙域.研究积水入渗条件下水分在其中的三维运移行为.实验研究表明,大孔隙的存在导致水分入渗湿润锋在入渗初期剧烈紊动,但随着入渗的推移湿润锋逐渐平稳且其稳定的转折时间和孔隙深度相关性较高;大孔隙域的存在使得水分迅速充满孔隙域并到达大孔隙域底部.造成初期水分垂直和径向两部分入渗,累积入渗增量随着孔隙深度的增大而加大并与孔隙深度呈一定的函数关系;大孔隙域的存在使得湿润锋在转折时间T_p前后表现出不同的现象,大孔隙域中心处的湿润锋为入渗过程中的最深值即特征湿润锋Z_(mf),实验分析Z_(mf)与孔隙深度Z在转折时间T_p前后呈同一函数关系但前后系数不同.利用偏差J_p对所建立的回归函数模型进行了累积入渗量I、特征湿润锋Zmf预测值和实测值之间的精度检验.结果表明其满足精度要求.     

改进型和传统型复合垂直流人工湿地的净化效果研究

通过构建传统型复合垂直流人工湿地系统（IntegratedVerticalFlowConstructedWetlandsSystem：IVFCWS）和改进型复合垂直流人工湿地系统（ImprovedIntegratedVerticalFlowConstructedWetlandsSystem：IIVFCWS）,并在其中分别种植彩叶草-太阳草（Coleusblumei-Toninafluviatilis：CT）和美人蕉-大水剑（Cannaindica-Acoruscalamus：CA）,以无植物人工湿地系统为对照,比较研究不同植物组合下两种构型的人工湿地系统对生活污水的净化效果。结果表明,IIVFCWS对CODCr、NH4＋-N、TN的净化效果显著优于IVFCWS,而对TP的去除效果则是IVFCWS较IIVFCWS强。有植物的人工湿地系统去除污染物的效果较无植物的对照系统好,其中彩叶草-太阳草组合湿地系统的去除效果较美人蕉-大水剑组合的强,分别为：CODCr的平均去除率在80．8％-52．8％之间;NH4-N的去除率在93．6％-52．3％之间;TN的去除率在96．4％～67．6％之间,TP的平均去除率均达93．6％以上。     

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。     

土壤优先流运动的活动流场模型分形特征参数计算

活动流场模型分形特征参数控制着优先流的产生和发展,因此准确获得活动流场模型分形特征参数值对提高模型的模拟预测精度具有重要意义。该研究采用染色示踪方法,将优先流流场从流动背景中显示出来,通过数字图像分析和采样分析获得优先流流场和流场内土壤含水率的分布模式,根据活动流场模型本构方程拟合活动流场模型分形特征参数值;针对3种常见的入渗后染色区内土壤含水率分布模式,分别提供了相应的活动流场模型分形特征参数的计算方法。研究结果显示,1）由于入渗后土壤水重分布的影响,活动流场区域和染色区域在整个入渗深度范围并不完全重合,因此仅可选择活动流场与染色区域相重合深度范围内受土壤初始含水率影响较小的数据来拟合活动流场模型分形特征参数值;2）土壤质地对入渗后染色区内土壤含水率的分布模式有显著影响,细质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向逐渐减小,粗质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向先增大后减小。