SWAT模型子流域划分引起的土地利用变化对径流和输沙模拟结果的影响

为揭示水文模型计算单元划分引起的土地利用变化对模拟结果的影响,采用SWAT模型,通过设置11种子流域阈值情景(4 000,3 200,2 000,1 500,1 100,800,400,200,100,50,25 hm²),并保持地形和土壤数据不变,定量分析了子流域划分引起的土地利用空间离散化对径流输沙模拟结果的影响。结果表明:(1)随着子流域数量的增加,流域内土地利用中面积最大的林地呈先增加后减少趋势,所有情景下林地面积均高于实际林地面积; 而随着土地利用离散程度的增加耕地面积呈减少趋势,水域、草地和建设用地面积则呈增加趋势并逐渐接近实际面积;(2)土地利用空间离散化导致年均径流量(1.85%)和输沙量(65.84%)减少,且对输沙量影响更显著;(3)土地利用空间离散化造成洪水过程和输沙峰值显著降低,并导致年最大1 d、连续最大5 d和连续最大7 d输沙量显著下降(p<0.01)。综上所述,SWAT模型不同子流域划分显著改变了流域土地利用分布,进而引起径流输沙有关参数变化,最终导致径流和输沙模拟结果的变化。     

勺夹式藠头排种器设计与试验

针对藠头（Allium chinense）种植劳动强度大、人工成本高等问题,该研究设计了一种由排种盘、取种勺、取投种凸轮、种箱、安装板等组成的勺夹式藠头排种器。对该排种器工作原理和取种、携种、投种过程进行理论分析,建立离散元仿真模型,对取种过程进行仿真分析,确定了最优种勺结构。以大叶藠为对象,以取种合格率和漏取率为试验指标,进行种勺直径、种勺深度、取种起始角、种面高度与种箱高度之比和取种速度5因素显著性筛选试验,并以种勺直径、取种起始角、种面高度与种箱高度之比为试验因素进行回归正交试验;采用Plackett-Burman试验法和Box-Behnken中心试验法建立取种合格率和漏取率的回归模型,并进行参数优化,获得最优参数组合为种勺直径27mm、取种起始角30°和种面高度与种箱高度之比92.5%。在最优参数组合下进行台架试验,得到取种合格率91.17%,漏取率6.17%。田间试验结果表明在前进速度0.1～0.2 m/s的条件下,该排种器平均播种合格率、平均重播率和漏播率分别为63.10%、12.76%和24.14%。研究结果可为藠头播种机械的研究与设计提供参考。     

基于离散小波分解与重构的多源土壤含水量数据融合方法与评估

为提高土壤含水量格点数据的区域适用性、准确性，该研究提出了基于离散小波多尺度分解与重构的多源土壤含水量数据融合方法，利用2016-2018年6-9月ESA-CCI、SMAP、ERA5-Land数据集以及地面站点观测的土壤含水量数据，在以黄河流域为主体的主要农业气候区开展了融合方法可行性和适用性研究。结果表明，融合方法能有效捕获融合数据源的多尺度特征信息，通过多源多尺度逐层特征信息权重融合与重构，能有效改进单一数据源在不同农业气候区域的适用性、时空结构和波动特征的准确性。融合结果总体评估的均方根误差、偏差(Bias)和相关系数(r)分别为0.053 m³/m³、0.001 m³/m³和0.721，时空分解评估的综合表现均优于单一融合数据源的评估指标，多尺度时空波动频谱结构特征与观测时空序列更吻合，特别在25 d时间尺度以内时空波动吻合度改进最为明显。该研究获得了较理想的区域土壤含水量改进预期，可为区域生态环境监测、农业可持续发展、水土保持、防灾减灾等科学研究和业务应用提供可行有效的方法参考。     

流域离散化对分布式水文模型径流模拟的影响

以嫩江上游诺敏河古城子水文站以上集水区为研究对象,利用分布式水文模型SWAT (Soil and Water Assessment Tool),对研究区进行6种子流域划分,研究不同时间尺度上径流模拟随流域离散化水平的变化,以了解输入数据空间集总程度对分布式水文模拟的影响.结果表明,在年和月尺度上,不同子流域划分对径流模拟精度影响较小,但在日尺度上对径流模拟精度有影响;不同时间尺度上流域离散化水平对出口流量的影响均较小,但地表径流随子流域数量的增加而增大,相对误差达到35.4％;径流模拟结果对降水量较敏感,湿润年份模拟精度更高,而子流域划分对径流模拟结果的影响在干旱年份以及夏季汛期更显著;当流域离散化达到一定水平即最小集水面积阈值为流域总面积的2％时,增加子流域划分对径流模拟结果的影响较小,但减少子流域划分则会导致模拟结果不稳定,且难以满足流域空间格局分析的要求.     

土壤速效钾养分含量空间插值方法比较研究

土壤养分连续空间分布数据是土壤信息系统工作的基础，土壤养分空间插值的研究因此变得尤为重要。对陕西省周至县北部猕猴桃适生区土壤进行采样，以对猕猴桃生长作用较为密切的土壤速效钾含量为研究对象，用普通克里格（OK）、样条函数（Spline）、趋势面拟合（TSA）、距离权重反比法（IDW）等常用插值方法对采样点进行插值获取土壤速效钾空间分布图，进行交叉验证，结果表明能够反映出结构性影响的克里格插值方法明显优于其它方法，其中又以球形模型为最佳，样条函数、距离权重反比法在采样点密集区也能内插出较好的效果，但其受采样点密度影响较大．在采样点稀疏的地区内插结果较差。     

反向旋抛式油莎豆起挖装置设计与试验

针对油莎豆挖掘装置以正向旋转挖掘方式为主,其漏豆率高、易拥堵、根系环抱体土壤难破碎,导致后续清选分离困难,联合收获工作效率极低等问题,应用离散元仿真分析方法,建立油莎豆根系-块茎-土壤离散元模型,分析油莎豆根系-块茎-土壤之间相互作用对油莎豆根系土壤环抱体碎裂的影响机理,设计一种反向旋抛式油莎豆起挖装置,并应用单因素和正交旋转中心组合试验方法,研究反旋挖掘装置旋耕刀相位角和安装间距对性能指标埋果率和土壤破碎率影响规律和优化参数组合,试验结果表明,反向旋抛式油莎豆起挖装置的最佳组合参数为：相位角61°、安装间距150 mm,此时土壤破碎率为94.10%、埋果率为1.39%,在相同参数设置下与普通旋耕刀组合进行田间验证试验,结果表明,埋果率降低了13.33%,土壤破碎率提高了3.15%,满足油莎豆机械化收获部颁标准技术要求。研究结果为进一步提升油莎豆收获机具研发提供了理论依据。     

高频二维脉宽调制转阀流体控制特性研究

传统的阀控液压系统是利用液压阀节流孔来控制流量,存在很大的节流损失。基于数字液压的思想及受高速开关阀全开和全关状态理论上无节流损失的启发,本文提出二维脉宽调制转阀构型,将液压系统流量以流体脉宽调制的方式进行控制及分配,降低节流损失,同时通过主动溢流方式极大地消除溢流损失。在高压(负载)支路和低压(油箱)支路之间通过阀芯旋转快速高频切换输出离散流量;通过阀芯轴向位移控制占空比(恒定转速下,负载支路连通时间与回油支路总连通时间的比)以实现输出平均流量的控制。通过数学模型、仿真以及实验验证了高频二维脉宽调制转阀可将流体连续性流动转变为离散、可控的流动,从流体系统工作介质离散化的角度实现了一种新的流量控制方式。     

秸秆旋埋还田后空间分布效果仿真与试验

对传统旋耕机(TR)、秸秆旋埋还田机(SR)和深松+秸秆旋埋还田机(SSR)进行了秸秆还田离散元仿真和田间试验对比。通过设计的秸秆三维坐标测量装置对秸秆在土壤中的空间坐标进行了测量,并在三维绘图软件中还原了秸秆在土壤中的空间状态,及秸秆在三维图中量化及可视化显示。对取样立方体进行分层、横向及纵向划分等探究了秸秆在土壤中垂直分布及水平分布的均匀性。利用离散元软件建立了相应的仿真模型,并与田间试验设定了相同的作业参数,在仿真作业完成后,通过设置不同尺寸的Geometry Bin计算区域内秸秆数量,并分别对应实际田间作业的分层、横向和纵向划分。在分层处理中,仿真与实测结果表明,SR和SSR埋入土壤中的秸秆量都明显大于TR,尤其是埋入土壤下层的秸秆量均是TR的数倍。TR、SR和SSR作业后各层秸秆占比仿真值和实测值的变异系数均呈递减趋势,其中SSR的变异系数最小,分别为28. 8%和28. 7%。3种耕作装备下仿真值与实测值的变异系数相差不大,平均误差为9. 6%。横向和纵向划分中,TR、SR和SSR的各区域秸秆占比仿真值和实测值的变异系数无绝对规律,SSR的变异系数均最小。离散元仿真和田间试验结果表明,SSR秸秆还田后,秸秆在土壤中垂直分布和水平分布的均匀性均最优。离散元仿真较好地拟合了实际田间作业后秸秆的空间分布状态,相对误差在可接受范围内。     

胡萝卜联合收获机高效减阻松土铲设计与试验

针对胡萝卜联合收获机作业时松土铲普遍存在作业阻力大、漏拔率高等问题,设计了一种高效减阻松土铲。以狗獾爪趾为仿生原型设计了仿生减阻铲尖,并分析了其减阻机理,建立了铲翼与土壤间的力学接触模型,确定了影响松土铲作业质量的铲翼结构参数。基于EDEM离散元仿真技术,建立了部件-土壤-作物多元仿真模型,通过单因素试验与正交旋转组合试验,确定了铲翼结构参数取值范围及其对指标的影响规律。建立了试验因素与指标间的多目标优化数学模型,运用Design-Expert 8. 0. 6软件确定了松土铲的最优参数组合,通过田间性能试验验证了高效减阻松土铲的作业性能。结果表明:影响胡萝卜联合收获机松土铲作业质量的主要结构参数为铲翼开角α和铲翼倾角β,当铲翼开角α和铲翼倾角β分别为120. 27°和47. 37°时,松土铲作业性能最优,最优组合下前进阻力与胡萝卜拔取力分别为1 908. 76 N和55. 37 N。经田间性能试验验证,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,与凿式松土铲相比,高效减阻松土铲前进阻力降低了5. 79%,胡萝卜拔取力降低了20. 68%,漏拔率降低了3. 8个百分点,满足胡萝卜收获农艺要求。     

有机基质臭氧消毒设备设计与试验

为实现有机基质的绿色、高效消毒,设计了有机基质臭氧消毒设备。基于离散元软件EDEM建立了有机基质颗粒模型,根据有机质物料输送及抛撒动力学特性与臭氧消毒工艺流程,利用Solid Works软件构建了有机基质臭氧消毒设备结构模型,并对两种模型进行接触参数标定。以有机基质倾尽角为评价指标,以抄板弯折角、转筒转速、填充率为试验因素,进行了三因素五水平正交旋转组合仿真试验。根据仿真结果,利用Design-Expert软件回归分析法建立倾尽角回归数学模型,对有机基质臭氧消毒设备模型中的抄板弯折角、转筒转速、填充率进行了参数优化与试验验证。结果表明,在各因素取值范围内,抄板弯折角对有机基质倾尽角影响极显著,转筒转速对倾尽角影响显著,填充率对倾尽角影响不显著;有机基质臭氧消毒装置最优作业参数组合为:抄板弯折角124.23°、转筒转速6.29 r/min,此时物料倾尽角仿真值为89.3°。臭氧消毒灭菌性能试验验证结果为:臭氧初始质量浓度64.2 mg/m~3,消毒60 min后,细菌灭菌率88.9%,真菌灭菌率97.9%,能够满足有机基质消毒生产要求。