贾宏伟[1]2004年在《石羊河流域土壤水分运动参数空间分布的试验研究》文中提出流域水平上非饱和土壤水分运动参数的空间变异特征是解决土壤水分运动模型在大尺度上应用的前提,也是深入研究生态水文过程和土壤水分运动理论应用于解决实际问题的需要。本研究以甘肃省河西走廊石羊河流域为例,在大量试验和分析的基础上,对流域尺度上非饱和土壤水分运动参数的空间分布作了初步研究,取得了以下研究成果： 1．对土壤水分运动参数的空间尺度进行了划分,提出了土壤水分运动参数空间变异的研究思路,指出空间变异的研究需要解决叁个关键问题,即大尺度土壤水分运动参数测定难的问题;参数模型的系数单一化问题;参数的空间变异特征和空间变异结构问题。 2．在试验基础上,建立了石羊河流域土壤水分运动参数(土壤水分入渗曲线、土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率、非饱和土壤水分导水率)的单一参数模型。各模型均具有较高的拟合精度;模型参数只有一个，而且随土壤质地变化而变化,可以作为描述土壤水分运动参数空间变异的变异系数，适合大尺度土壤水分运动参数空间变异性的研究。对土壤水分入渗的单一参数模型(简易 Philip 入渗模型),只有一个参数α ，可以只测定入渗曲线上的一个点,通过该模型求得整个入渗过程曲线,具有比较高的精度。 3．针对土壤水分运动参数的单一参数模型,建立了相应的土壤转换函数,具有较高精度,能够满足大尺度的土壤水分运动参数的估算,解决了大尺度土壤水分运动参数测试难的问题,也对进一步研究土壤特性对土壤水分运动参数模型的影响有着重要的意义。 4．将土壤转换函数和单一参数模型结合起来,不但可以估算土壤水分运动参数,而且还可以直接估算各参数空间变异的变异系数。这是进一步研究大尺度区域非饱和土壤水分运动参数空间变异行之有效的方法。 5. 在对土壤颗粒组成的分形维数、土壤稳定入渗率及土壤饱和导水率分析的基础上,建立了相应的土壤转换函数,具有比较高的拟合精度,可满足预测的需要。 6．在单一参数模型和土壤转换函数的基础上,借助地理信息系统,建立了土壤水分运动参数的空间分布图和土壤理化参数的空间分布图,并对空间分布特征进行了分析。
李亚娟[2]2007年在《甘肃西峰南小河沟流域土壤水分运动参数空间分布的试验研究》文中提出土壤水分运动参数是土壤中水分运动和污染物迁移预测的基础,土壤水分运动参数的确定可以为生态环境建设和农业可持续发展研究提供依据,土壤水分运动参数的空间变异是确定流域土壤水分运动参数的一个难点。本研究以南小河沟流域为例,在大量试验和分析的基础上,对流域尺度上非饱和土壤水分运动参数的空间分布做了初步研究,取得了以下成果:1.南小河沟流域稳渗率为0.239～4.425mm/min,平均为1.745mm/min。对多点实测资料利用考斯加可夫公式、霍顿公式和通用经验公式的拟合分析表明,在入渗的瞬变阶段(0～10min),考斯加可夫公式的拟合效果较好;在入渗渐变阶段(10～70min),考斯加可夫公式和通用经验公式的拟合点与实测点均配合较好;而在稳渗阶段,则以通用经验公式和Horton公式拟合较好。总体上看来,在塬面和阴坡上宜用考斯加可夫公式进行拟合。2.在试验基础上,建立了南小河沟流域土壤水分运动参数(土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率、非饱和土壤导水率)的单一参数模型。各模型具有较高的拟合精度;模型中只有一个参数,而且随土壤质地或地貌变化而变化,可以作为描述土壤水分运动参数空间变异的变异系数,适合流域尺度上土壤水分运动参数空间变异性的研究。3.南小河沟流域土壤分形维数为2.392~2.593,随着土壤粘性的增加,分形维数有增大的趋势,南小河沟流域的土壤粘粒含量对分形维数有显着影响,呈指数关系;本文建立的分形维数与土壤粘粒含量的关系式可以估算南小河沟流域土壤颗粒组成的质量分形维数。对不同地貌下的土壤剖面上土壤颗粒质量分形维数的变化分析表明,土壤粘粒百分含量和土壤质量分形维数表现出一致的变化规律,质量分形维数与地貌和土地利用类型有关。4.推求了非饱和土壤水分扩散率的分形模型,并根据实测资料进行了分形维数的拟合,研究表明,土壤含水量较小时具有明显的分形特征。此模型是由土壤水分特征曲线和导水率分形模型推导而来的,只能从试验中验证其准确度,尚不能从理论上加以证明。5.用Brooks-Coreys模型估算了南小河沟流域的土壤水分特征曲线,具有较高的精度,该模型可以用在大区域上水分特征曲线的估算。6.建立了土壤水分运动参数的空间分布图和土壤物理参数的空间分布图,并对空间分布特征进行了分析。
余凯[3]2014年在《黄土丘陵区土壤入渗性能空间变异》文中认为土壤水分入渗是地下水的主要补给来源,在某些地区甚至是地下水的唯一补给来源,是“四水”转换的重要途径,它直接关系着地表径流,土壤侵蚀,水土流失等过程,是生态水文过程中的重要组成部分。本文选择黄土丘陵区典型小流域—安家沟流域为研究对象,研究了流域土壤理化性质的空间变异、典型植被类型下土壤大孔隙的分布和流域土壤入渗性能的空间变异情况,研究结果如下：(1)采用野外土壤采样和室内分析相结合的方法对安家沟小流域土壤理化性质的空间变异进行了研究。结果表明：(1)在流域表层土层中(0-20cm),土壤的容重、有机质、总孔隙度、毛管孔隙度和粉粒含量均呈弱变异性；非毛管孔隙度呈中等变异性；沙粒和粘粒呈较强的变异性。(2)不同坡向的土壤理化性质存在一定差异。阴坡的土壤有机质、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均大于阳坡；阴坡的土壤容重小于阳坡；(3)不同坡位的土壤理化性质表现出不同的变化规律。土壤容重以沟底最大,达到1.354g/cm3。坡中最小,仅为1.132g/cm3,从整体来看,从坡顶到沟底表现出高—低—高的变化规律。有机质表现出从坡顶到沟底逐渐增加的趋势；总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度则呈现出低—高—低的变化规律。(4)利用IDW插值法得到了研究理化性质的空间分布图。(2)采用亮蓝(Brilliant blue, FCF)野外染色示踪实验和图像分析技术,研究了黄土丘陵区安家坡流域典型植物种群下土壤大孔隙分布特征及其与土壤理化性质以及根系分布的关系。结果表明：6种植物种群下土壤中的大孔隙流不同,大孔隙流使水分在土壤中的运移深度提高了2-3倍；随着土层深度的加深,6种植物种群下土壤的染色面积均呈减小趋势；6种植物种群下土壤中各级别大孔隙以2、3级大孔隙最多,平均占染色面积的29.3%和29.4%,其次是1级和4级大孔隙,分别占17%和19.8%,5级特大孔隙最低,占4.5%。大孔隙分布特征与土壤有机质含量、容重和植被根系分布有关。(3)采用双环刀法对黄土丘陵区安家坡流域入渗性能进行研究,结果表明：安家沟流域阴坡的初始入渗率小于阳坡,而稳定入渗率和平均入渗率均大于阳坡；不同的坡位对土壤的入渗性能具有较大的影响,具体表现为坡中>坡上>坡下>坡顶>沟底；不同土地利用类型的土壤入渗率有较大差别。研究区6种植被类型下表层土壤入渗速率变化均表现为先急剧下降,后趋于稳定的趋势；土壤稳定入渗率和1h累积入渗量差异明显,但均表现出刺槐>杏树>油松>白杨>沙棘>柠条的特征。6种植被类型下土壤稳定入渗率和初始入渗率基本都随着土壤深度加深而不断减小,且植被对土壤入渗性能的提高在表层最为明显,随着土层加深,植被的影响力逐渐降低。(4)对于入渗模型的选择,Philip模型拟合效果好于Kostiakov和Horton模型,利用基于标定理论建立的Philip入渗模型,得到了标定因子αA和稳定入渗率A的土壤转换函数,相关系数分别为0.776和0.809,拟合精度较高,满足空间化的精度要求；安家沟小流域标定因子的空间变异性较大,但具有一定的规律性。初始含水量为0.1g/g时,αA介于0.71到1.05mm/min0.5之间,沟底标定因子值普遍偏小,坡上部较大；初始含水量为0.1g/g时,稳定入渗率介于0.171到0.258mm/min,整体表现为阴坡大于阳坡。
马亚平[4]2010年在《黑龙江西部半干旱区坡耕地土壤水文物理特性及其空间变异试验研究》文中提出土壤是自然生态环境中的一个极为重要的组成部分,它与人类的生活和生产有着密切的关系。然而,土壤并不是一个均质体,而是时空连续的变异体,具有高度的空间变异性,不论在大尺度上还是小尺度上土壤的空间变异性均存在。即使在土壤质地相同的区域内,同一时刻土壤特性值在不同空间位置上也具有明显差异,这使得土壤水分运动参数也存在空间变异性。土壤水分运动参数,包括水分特征曲线、扩散率和导水率。它表征了土壤本身的性质和特征,是应用数学物理方法定量分析研究土壤水运动的必不可少的资料,也是进行土壤水分运动数学模拟必不可少的依据。本研究以黑龙江省西部半干旱区坡耕地为例,选取含水量、饱和含水量、容重、有机质、机械组成为分析指标,在大量试验和分析的基础上,对该地区土壤水文物理特性的空间变异作了初步研究。在试验基础上,通过对水分特征曲线、扩散率和导水率各常用模型的分析,建立了土壤水分运动参数的单一参数模型,各模型均具有较高的模拟精度,单一参数模型中只有一个参数,可以只测定水分运动曲线上的一个点,进而通过该模型求得整个水分运动曲线,通过验证,具有比较高的精度,可应用于预测。采用经典统计和地统计学相结合的方法,对土壤理化参数(含水量、饱和含水量、容重、有机质、机械组成)的空间变异性进行比较定量分析。并借助地理信息系统,利用软件ARCGIS9.0绘制了土壤理化参数的空间分布图,比较直观地呈现了其空间分布格局。
刘继龙[5]2010年在《土壤水分特性的分形特征与传递函数研究》文中提出研究土壤特性的空间变异性对于推动农业、土壤和水科学等学科的发展和应用具有重要的科学意义。研究尺度不同时,土壤特性的空间变异特征有较大差异,主要影响因素和过程也不一定完全相同,多尺度分析能更深入地揭示土壤特性空间变异性的机理。此外,不同土层土壤水力特性参数的空间变异性及其与影响因素的尺度相关性不一定完全相同,不同土层土壤特性空间变异性之间可能存在某种程度的相互关系。为此,论文依托国家科技支撑计划项目(2006BAD11B04)和国家自然科学基金项目(50879072),以杨凌地区为例,利用多重分形方法研究分析不同土层土壤含水率、土壤电导率、土壤基本物理特性、土壤粒径分布分形维数、土壤水分特征曲线和土壤入渗特性的空间变异性;利用联合多重分形方法研究分析田间土壤粒径分布分形维数、土壤水分特征曲线、土壤入渗特性等土壤水分运动参数与影响因素在多尺度上的相关性,并基于上述分析得出的联合多重分形结论建立考虑尺度效应的田间尺度上上述参数的土壤传递函数;探索了田间尺度向区域尺度转换的方法,即将田间尺度上得出的联合多重分形结论应用到区域尺度上,建立区域尺度上土壤水分运动参数的土壤传递函数;同时探讨分析不同土层土壤含水率、土壤电导率、土壤基本物理特性、土壤粒径分布分形维数、土壤水分特征曲线空间变异性之间的相互关系。主要得出以下结论:(1)研究区域内土壤含水率、土壤电导率、砂粒含量、粘粒含量、有机质含量、稳定入渗率、前30min累积入渗量和van Genuchten模型参数α的多重分形特征比较明显;粗粉粒含量、土壤容重、土壤粒径分布分形维数、van Genuchten模型参数n和θs的多重分形特征不明显。(2)利用多重分形方法研究分析了土壤含水率、土壤电导率、土壤基本物理特性、土壤粒径分布分形维数、van Genuchten模型参数和土壤入渗特性的空间变异性,确定了引起上述研究对象空间变异性的局部信息,可为分析上述参数的空间变异性及尺度效应和深入揭示其空间变异机理等提供方法借鉴和参考。研究区域内土壤含水率和土壤电导率的空间变异性都分别随土壤含水率和土壤电导率平均值的增大而减弱。土壤含水率和土壤电导率的平均值不同时,土壤含水率和土壤电导率空间变异性的尺度效应都有所差异。土壤含水率和土壤电导率的平均值较大时,随着采样面积的增大,土壤含水率的空间变异性逐渐增强,土壤电导率的空间变异性很弱;土壤含水率和土壤电导率的平均值较小时,随着采样面积的增大,土壤含水率和土壤电导率的空间变异性较强,且空间分布中都存在斑块结构。土壤基本物理特性的多重分形分析表明,砂粒含量和粘粒含量的空间变异性较强,粗粉粒含量和有机质含量的空间变异性次之,土壤容重的空间变异性最弱;0～20cm土层和20～40cm土层砂粒含量的空间变异性都是由砂粒含量的高值分布造成的,不同土层粘粒含量、有机质含量和粗粉粒含量的空间变异性都是由对应变量的低值分布造成的。不同土层土壤粒径分布分形维数的空间变异性都很弱。0～20cm土层和20～40cm土层van Genuchten模型参数α的空间变异性较强,且分别是由其低值和高值分布引起的;参数n和θs的空间变异性较弱。稳定入渗率和前30min累积入渗量的空间变异性较强,其中前30min累积入渗量的空间变异性是由其高值分布造成的。(3)利用联合多重分形方法研究分析了田间土壤粒径分布分形维数、van Genuchten模型参数α和n、土壤入渗特性与影响因素在多尺度上的相关性,发现上述参数与影响因素的相关性具有尺度依赖性,在单一尺度和多尺度上的相关性特征并不完全相同。基于得出的联合多重分形结论建立了考虑尺度效应的田间尺度上上述参数的土壤传递函数,验证分析表明建立的土壤传递函数具有较强的理论基础,预测精度较高,可用于估算田间尺度上的上述参数。不同土层土壤粒径分布分形维数与土壤颗粒组成的相关特征相似,但土壤粒径分布分形维数与土壤颗粒组成在田间单一尺度和多尺度上的相关特征有所差异。田间单一尺度上,0～20cm和20～40cm土层土壤粒径分布分形维数与粘粒含量、砂粒含量、粗粉粒含量的相关程度依次降低;联合多重分形分析表明,田间多尺度上,不同土层土壤粒径分布分形维数与粘粒含量、粗粉粒含量、砂粒含量的相关程度依次降低。基于联合多重分形结论建立的考虑尺度效应的田间尺度上0～20cm和20～40cm土层土壤粒径分布分形维数的土壤传递函数具有较强的理论基础和适应性,预测精度很高,预测值的RMSE分别为0.0134和0.0117,可用于估算田间尺度上的土壤粒径分布分形维数。不同土层van Genuchten模型参数α、n与影响因素之间的相关特征不完全相同;van Genuchten模型参数α、n与影响因素相关的相关性特征,在田间单一尺度和多尺度上不完全相同。田间单一尺度上,0～20cm土层van Genuchten模型参数α与砂粒含量、粗粉粒含量之间的相关性最显著,参数n与砂粒含量、有机质含量之间的相关性最显着;20～40cm土层参数α与有机质含量之间的相关性最显著,参数n与砂粒含量、粗粉粒含量、有机质含量之间的相关性最显着。联合多重分形分析表明,田间多尺度上,0～20cm土层参数α与砂粒含量、粗粉粒含量之间的相关性最显著,参数n与砂粒含量、粘粒含量、有机质含量之间的相关性最显着;20～40cm土层参数α与土壤容重、有机质含量之间的相关性最显著,参数n与粗粉粒含量、砂粒含量、有机质含量之间的相关性最显着。基于联合多重分形结论建立的考虑尺度效应的田间尺度上不同土层van Genuchten模型参数α、n的土壤传递函数具有较强的理论基础,预测精度较高,其中利用0～20cm土层van Genuchten模型参数α、n的土壤传递函数预测的土壤含水量的RMSE为0.0386,利用20～40cm土层van Genuchten模型参数α、n的土壤传递函数预测的土壤含水量的RMSE为0.0473,可用于估算田间尺度上的van Genuchten模型参数α和n。土壤入渗特性与影响因素在田间单一尺度和多尺度上的相关特征并不完全相同。田间单一尺度上,稳定入渗率、前30min累积入渗量分别都与粗粉粒含量和粘粒含量的相关程度最高;联合多重分形分析表明,田间多尺度上,稳定入渗率与土壤容重、粗粉粒含量和粘粒含量之间的相关程度最高,前30min累积入渗量与粗粉粒含量和粘粒含量之间的相关程度最高。基于联合多重分形结论建立的考虑尺度效应的田间尺度上稳定入渗率和前30分钟累积入渗量的土壤传递函数具有较强的理论基础,预测精度较高,稳定入渗率和前30分钟累积入渗量土壤传递函数预测值的RMSE分别为0.1432和0.8019,可用于估算田间尺度上的土壤入渗特性。(4)探索了田间尺度向区域尺度转换的问题,即将田间尺度上土壤粒径分布分形维数、van Genuchten模型参数α和n、土壤入渗特性与影响因素之间的联合多重分形分析得出的结论进行尺度扩展,应用到区域尺度上,建立考虑尺度效应的区域尺度上上述参数的土壤传递函数。结果表明,可以将在田间尺度上得出的联合多重分形结论应用到区域尺度上,建立区域尺度上上述参数的土壤传递函数,基于此建立的土壤传递函数的预测精度较高,可用于估算较大尺度上的上述参数,这可为构建考虑尺度效应的区域尺度上上述参数的土壤传递函数提供方法借鉴和参考。区域尺度上,0～20cm土层和20～40cm土层土壤粒径分布分形维数的土壤传递函数的预测精度很高,预测值的RMSE分别为0.0129和0.0111。不同土层van Genuchten模型参数α、n土壤传递函数的预测精度较高,其中利用0～20cm土层和20～40cm土层van Genuchten模型参数α、n的土壤传递函数预测的土壤含水量的RMSE分别为0.0270和0.0304。稳定入渗率和前30分钟累积入渗量土壤传递函数的预测精度较高,预测值的RMSE分别为0.1855和0.9823。这说明建立的土壤传递函数可用于估算较大尺度上的上述参数,且具有较强的理论基础,可为构建考虑尺度效应的区域尺度上上述参数的土壤传递函数提供方法借鉴和。(5)利用联合多重分形方法研究分析了不同土层土壤特性空间变异性之间的相互关系,研究结果可为探讨不同土层土壤特性空间变异性之间的相互关系提供方法借鉴。研究区域内0～20cm土层土壤含水率、土壤容重、van Genuchten模型参数n和θs的空间变异性与20～40cm土层对应变量空间变异性之间的相互关系非常密切;0～20cm土层土壤电导率、砂粒含量、粘粒含量、有机质含量、土壤粒径分布分形维数和van Genuchten模型参数α与20～40cm土层对应变量空间变异性之间的相互关系比较密切;0～20cm土层粗粉粒含量的空间变异性与20～40cm土层粗粉粒含量空间变异性之间的相互关系不密切。论文研究结果可为研究揭示造成空间变异性的局部信息和深入分析研究对象的空间变异性机理等提供方法借鉴;可为识别在多尺度上对土壤水分运动参数都具有显着影响的因素,以及基于多尺度分析得出的结论建立考虑尺度效应的土壤水分运动参数的土壤传递函数等提供方法借鉴和参考;可为探索田间尺度向区域尺度的转换问题,即利用田间尺度上土壤水分运动参数与影响因素的联合多重分形结论,构建考虑尺度效应的区域尺度土壤水分运动参数的土壤传递函数提供方法借鉴和理论依据;可为深入分析不同土层土壤特性空间变异性之间的相互关系提供方法借鉴,同时也可为其它区域类似研究提供方法借鉴和参考。鉴于该研究的复杂性和时间限制,还需在以下几个方面展开深入研究:土壤特性的空间变异性是一个复杂问题,论文对造成土壤特性空间变异性的机理和物理解释还不够深入,在时间方面的变异性研究也尚且不足;研究区域和研究尺度不同时,论文中的一些规律和趋势有待于进一步研究和验证;基于田间尺度上土壤水分运动参数与影响因素的联合多重分形结论建立区域尺度上土壤水分运动参数土壤传递函数的可行性还有待于进一步研究;论文只是分析了上下两层土壤特性空间变异性之间的相互关系,多层土壤特性空间变异性之间的相互关系还有待于进一步深入分析;进一步研究离心机法测定土壤水分特征曲线过程中土壤容重的变化,对土壤水分特征曲线与影响因素尺度相关性的影响;如何将研究区域内土壤特性的时空变异性与作物生长有机结合起来,实施“精准农业”有待于进一步研究。
谭丽丽[6]2016年在《滨州农田土壤物理性质及水分入渗性能空间变异性研究》文中提出农田土壤物理性质空间变异性研究对于评价土壤松紧度、宜耕状况、农田生产力的恢复等具有重要意义,有利于农业生产的规模化、集约化,农田管理科学化,有利于因地制宜地开展农业生产。本文利用传统统计学和地统计学相结合的方法研究了滨州农田土壤特性空间变异性特征,以及剖面不同层次(0-10cm、10-20cm、20-30cm)土壤特性空间变异性;利用Phillip入渗模型和Kostiakov入渗模型对入渗(毛管水上升)实测数据进行拟合,进而选择最优拟合模型,并获得入渗(毛管水上升)参数吸渗率(A)和稳渗率(ic);利用保形曲线、样条插值和二次多项式对入渗速率(毛管水上升速率)进行模拟和预测,以验证稳渗率(ic)精度,进而研究了剖面不同层次土壤水分入渗(毛管水上升)参数吸渗率(A)和稳渗率(ic)的空间变异特征;利用相关分析法定量研究土壤入渗性能指标(1h累积入渗量、1h入渗率、稳渗率)与土壤特性(pH值、电导率、黏粒、粉粒、砂粒)之间的相关性。研究结果表明:(1)在研究区范围内,土壤粉粒、砂粒和pH值属于弱变异,含水率、容重、黏粒和土壤电导率属于中等变异。含水率、容重具有强烈的空间相关性,pH值和电导率空间相关性中等,黏粒、粉粒和砂粒在空间上完全独立。(2)不同深度土壤特性变异系数表明,自上而下含水率依次为中等变异—弱变异—中等变异,土壤容重、粉粒、砂粒、pH值各层次均为弱变异,黏粒和电导率各层次均为中等变异。0-10cm层块金值/基台值显示:土壤容重、电导率、pH值、黏粒均表现出强烈空间相关性,砂粒和粉粒为中等空间相关性,含水率在空间上完全独立;10-20cm层块金值/基台值显示:土壤容重、黏粒、pH值均为强空间变异性,而含水率、粉粒、砂粒和电导率与之相反,即在空间上不具有相关性;20-30cm层块金值/基台值显示:含水率和黏粒在空间上显现出强烈相关性,而土壤容重、粉粒、砂粒、pH值和电导率则在空间上完全独立,不具有空间相关性。(3)从土壤特性空间分布图来看,土壤含水率空间分布差异较大,主要是由研究区地势、坡度和格局所致;土壤容重区域差异不大,某些高值区是受大型机械压实作用影响;黏粒、粉粒和砂粒空间分布较为复杂,各粒级空间分布总体趋势特征比较明显;pH值空间分布差异较小;电导率呈斑块和条带状镶嵌分布,东北部电导率值差异较大且较高。(4)从剖面不同层次土壤特性空间分布图来看,20-30cm层土壤含水率西部较高,东部有两个低值区。0-10cm层土壤容重总体变化不大,10-20cm层土壤容重呈条带状和斑块状分布,在中部位置有明显的高值区。不同层次黏粒呈斑块状或带状分布,各层次黏粒高值区均出现在样线十字交叉位置。0-10cm层ph值有两个高值区和两个低值区,10-20cm层ph值在空间上分布特征明显,出现两个高值区,四个次高值区和叁个低值区,而整体来看,0-10cm层土壤ph值低于10-20cm层。0-10cm层电导率值东北部位置较高,北部偏中位置和东部大部分区域较低。(5)利用matlab软件对样线上各层次土壤入渗(毛管水上升)实测数据进行拟合,选择phillip模型为最优模型。利用保形曲线、样条插值和二次多项式对不同层次土壤入渗率和毛管水上升速率进行拟合,结果表明,保形曲线模拟效果最佳,并且保形曲线预测入渗结束后的入渗率值和毛管水上升速率值与稳渗率基本一致,表明确定的稳渗率值精度较高,可以代入phillip模型来拟合吸渗率(a)。(6)不同层次土壤入渗参数空间变异性分析表明:各层吸渗率(a)为中等变异,0-10cm和10-20cm层稳渗率(ic)为弱变异,20-30cm层稳渗率(ic)属于中等变异。0-10cm和10-20cm层吸渗率(a)具有强烈的空间相关性,20-30cm层吸渗率(a)在空间上完全独立。0-10cm和10-20cm层稳渗率(ic)在空间上不具有相关性,20-30cm层稳渗率(ic)空间相关性极强。不同层次土壤毛管水上升参数空间变异性分析表明:各层次稳渗率(ic)和吸渗率(a)为中等变异。0-10cm和10-20cm层吸渗率(a)不具有空间相关性,20-30cm层吸渗率(a)具有强烈空间相关性,0-10cm层稳渗率(ic)为中等空间相关性,其余两层稳渗率(ic)空间相关性很强。(7)不同层次土壤入渗性能指标与土壤特性相关性分析表明:0-10cm层累积入渗量(1h)与土壤黏粒含量有关,黏粒含量越高,累积入渗量越低。10-20cm层土壤入渗率(1h)与电导率有关,电导率越大,入渗率越小,这也从侧面说明土壤盐分含量影响水分入渗性能。20-30cm层土壤入渗率(1h)与粉粒含量与有关,粉粒含量越高,入渗率越小。(8)不同层次土壤毛管水上升性能指标与土壤特性相关性分析表明:0-10cm层毛管水累积上升量(1h)与电导率之间存在正相关性。10-20cm层土壤毛管水累积上升量(1h)与电导率、粉粒呈正相关;稳渗率与电导率、粉粒呈正相关;毛管水累积上升量(1h)、稳渗率与砂粒之间存在负相关性。20-30cm层土壤毛管水上升速率(1h)与毛管水累积上升量(1h)、粉粒与电导率都具有正相关性。
周宏民[7]2012年在《西北旱区葡萄园土壤水分特征参数、水盐及蒸散发的空间变异性研究》文中研究说明研究土壤水分特性的空间分布特征对研究土壤中物质与能量的交换，推动土壤与水科学等的发展具有重要的意义。在干旱地区土壤盐渍化现象十分普遍，土壤盐渍化不仅会影响作物生长，而且还间接造成生态环境恶化，因此有必要对土壤中的盐分状态进行研究。本文以西北旱区一葡萄园为研究对象，采用理论分析与室内外试验相结合的方法研究了葡萄园内土壤水分特征参数的空间特征，不同生育期灌水后不同时间不同深度处土壤水分的变异性，灌水后不同时间不同深度土壤盐分的空间变异性以及葡萄整个生育期蒸发蒸腾量的空间变异性。以期通过研究为葡萄园的精准灌溉和土壤盐渍化防治提供依据。取得了以下结果：（1）用Van Genuchten模型对葡萄园内实测的土壤水分特征曲线进行拟合，并对模型参数的空间变异性进行探讨。结果表明，饱和含水量θs和形状参数n具有中等偏弱的变异性，并且饱和含水量θs和形状参数n的变异性随着深度的增加具有增大的趋势；形状参数a具有中等的变异性，其变异性明显比饱和含水量θs和形状参数n大。（2）葡萄不同生育期灌水后不同时间土壤水分的平均值随深度增加而增加，各层土壤含水量的最小值、最大值也随着深度的增加而增加；不同生育期灌水后不同时间不同深度土壤水分具有中等变异强度，并且表层和根区土壤含水量的变异系数随时间增长而增大，深层的波动较小；试验设计的土壤水分采样数目满足置信度水平为95%，精度为10%时的合理取样数目。（3）指数模型和球状模型是适用于该葡萄园不同生育期灌水后不同时间各层土壤水分的最佳半方差模型；各个生育期灌水后不同时间表层和深层处土壤水分具有强的空间相关性，不同生育期灌水后不同时间根区处土壤水分具有中等的空间相关性；以新梢生长期灌水后不同时间的土壤水分为例，做出了土壤水分的空间分布图。（4）不同时间各深度土壤电导率的平均值随着深度的增加而增大；不同时间各土层的电导率具有中等强度的变异性，表层电导率的变异系数变化幅度最大，根区和深层电导率的变异系数比较稳定。（5）葡萄园内灌水后不同时间各层土壤电导率的半方差函数适用模型为球状模型和指数模型；表层和根区土壤电导率具有较强的空间相关性，深层土壤具有中等的空间相关性；表层土壤电导率的自相关系数变化幅度比根区和深层的变化幅度大；各层土壤电导率的正相关性均随着滞后距离的增大而减小。从绘制的土壤电导率的克里金插值图中可以看出，不同时间各层土壤电导率呈斑状分布的格局。（6）采用水量平衡法计算出葡萄全生育期各个测点处的蒸发蒸腾量。葡萄全生育期的蒸发蒸腾量在285.27mm-495.85mm之间，具有中等强度的变异。葡萄全生育期蒸发蒸腾量的克里金插值图呈斑块状分布，通过葡萄全生育期蒸发蒸腾量空间分布图可以为葡萄的精准灌溉提供参考。
李广文[8]2016年在《黑河上游八宝河流域土壤特性及入渗模拟研究》文中认为黑河流域涉及青海、甘肃、内蒙古叁省区,处于西北内陆,水资源尤为重要。但由于对黑河水资源开发利用缺乏科学的管理,加之全球气候变化,黑河生态环境,特别是中下游有逐步恶化的趋势。处于祁连山区的黑河上游不仅是中下游甘肃河西走廊中段张掖市的重要水源地,而且还是黑河下游内蒙古额济纳旗绿洲的水源地。如何利用好黑河流域的水,不仅关系到中游张掖市经济可持续发展,还关系到下游河道两侧荒漠的演变。针对黑河流域的水源地进行研究,对流域生态-经济-社会环境的可持续发展就显得尤为重要。土壤水分入渗是降雨—径流循环过程中的关键一环,是四水相互转化过程的一个重要环节。针对黑河流域上游土壤水分入渗研究不仅有利于促进非饱和带土壤水分入渗研究,提升八宝河流域水源涵养能力,而且可推动土壤水迁移基础理论研究的发展,为综合评价地表、地下水资源,减缓自然灾害,加强黑河流域生态建设提供科学依据。本文以西北地区重要内陆河水源区——黑河上游八宝河流域为研究对象,收集与处理气象、植被、土壤、入渗等多源数据,系统分析了研究区内土壤性质特征以及土壤入渗过程,基于原位测试所得的第一手入渗资料,对入渗过程进行不同模型拟合,并分析了土壤性质指标与入渗率的关系。在SSE,RMSE,R,ME,EF和W等指数定量评估拟合状况基础上,得出最优模型并建立土壤转换函数,实现点到面的转换,继而分析了研究区入渗率的空间分布特征。主要结论如下:(1)研究区生物量高值分布在流域中部,并且在河流南岸较集中,在河流干流沿岸生物量低值成斑块状分布。说明流域中部植被生长较好,在其中由于地形等原因出现植被覆盖度较低区域。研究还发现,流域内高寒草地生物量随海拔高度的不同有所差异。研究区降水未发生较明显的变化,而气温自1997年之后持续上升,使得区内土壤植被蒸散发量加剧,在阴坡、半阴坡、坡度较缓的地区生物量呈现最大值,植被长势较好。(2)研究区土壤含水量由表层向下呈幂函数趋势递减,含水率在20.35-47.55%之间变化。灌丛草地土壤含水量均高于草甸和草地植被类型。整个阴坡半阴坡土壤含水量较大。土壤表层富含有机质,可达11.87g/kg。从土壤表层向下呈幂函数递减趋势。整个土壤剖面,灌丛有机质高于草甸和草地。60cm深度内,坡顶土壤有机质较大。有机质空间分布,阴坡、半阴坡有机质含量较高。研究区土壤含水量变化与土壤有机质变化表现出一致性。(3)研究区土壤大部分属于粉土或粉壤土。粘粒含量大部分分布在5%～12%之间,平均8.28%,含量比较稳定,这也使得与之密切关联的土壤粒径分形维数变化较小,平均2.669,极差值为0.161,变异系数1.37%,在2.556～2.717间变化。结合土壤分形维数与草地退化关系研究结果判断,研究区内植被覆盖良好,未有明显的植被退化。研究区土壤水分特征曲线均呈幂函数曲线,曲线高低差别较大,说明区内土壤持水性差异大。(4)八宝河流域各样点间土壤初始入渗率和稳渗率变化较大,5cm水头下初渗率在 0.057cm/min～0.74cm/min 之间;稳渗率在 0.033cm/min～0.356cm/min 之间。10cm水头下初渗率由0.063cm/min变化到1.150cm/min,稳渗率也从0.040cm/min变化到0.671cm/min。对比不同深度同水头下入渗率变化,除个别样点40cm深度入渗率大于20cm深度外,大部分是20cm深度入渗率大于40cm深度。八宝河流域土壤初始入渗率平均在0.287cm/min～0.446cm/min之间,稳定入渗率平均在0.15cm/min～0.222cm/min之间;无论在不同深度还是不同水头下,整个入渗过程表现出如下特征:0～1Omin 土壤入渗率呈现明显减小过程;10～30min土壤入渗率减小缓慢;30min以后入渗速逐渐达到稳定,故此我们将八宝河流域土壤入渗划分为:0～10min快速变化阶段;10～30min缓慢变化阶段;30min以后稳定阶段叁个阶段。(5)在5cm水头20cm深度上,初始入渗率和稳定入渗率随含水率的增加有增大的趋势;而40cm深度上,二者随含水率增大呈现出减小趋势。在10cm水头20cm深度和40cm深度上入渗率和含水率相关关系较一致,整体表现出入渗率随含水率的增加而减小的趋势。入渗率与有机质进行相关分析,结果显示:20cm深度和40cm深度,入渗率随有机质增大呈现出减小趋势。不同深度上,入渗率与粘粒和粉粒成负相关关系,与砂粒呈现出正相关关系。(6)对Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型进行入渗过程拟合。5cm水头下,Kostiakov模型拟合参数a变化于0.07～0.63之间,40cm深度处各样点初渗率与稳渗率差值较20cm深度小,相对比较稳定。拟合参数b变化在0.15～0.34之间,40cm深度较20cm深度各样点入渗率随时间减小变化幅度较小。10cm水头下,拟合参数a变化于0.07～1.069之间,b变化在0.16～0.40之间。同样有40cm深度各样点初渗率与稳渗率差值较稳定,入渗率随时间减小变化幅度较小的规律。5cm水头下,Horton模型拟合参数k变化于0.032～0.328之间。20cm深度上,土壤入渗速率有的减小很快,有的减小很慢,而40cm深度上各样点入渗速率减小相对较为稳定。10cm水头下,参数k变化于0.034～0.420之间,同样说明40cm深度上,土壤入渗速率减小相对20cm深度较为稳定。在不同水头和不同深度下,模型拟合参数所反映的入渗率的变化规律表现出了高度的一致性。土壤各特性因子对入渗模型参数有一定的关系,Horton模型参数k随着土壤有机质、粘粒、粉粒含量的增加而减小,而随着砂粒含量的增加而增大,与土壤含水量关系不密切。Philip模型参数s与土壤有机质、含水量、粘粒、粉粒砂粒含量等指数没有明显的相关性。Kostiakov模型参数a值与土壤有机质、粘粒含量呈现出成幂函数式负相关关系,b值与土壤有机质含量、含水量呈现出负相关关系,与粉粒含量表现出正相关关系。同时,Philip模型参数s、Horton模型参数k与土壤初渗率、稳渗率表现出较好的正相关关系。而Kostiakov模型参数a与土壤初渗率、稳渗率表现出高度的正相关关系。通过对不同水头、不同深度各入渗模型拟合值进行SSE,RMSE,R,ME,EF和W评估分析,最终我们得出结论Kostiakov模型在研究八宝河流域草地土壤入渗中拟合程度最好。建立了初渗率和稳渗率与粘粒、粉粒、有机质、含水量等因子的土壤转换函数模型,并做了评价分析。通过模型实现八宝河流域土壤入渗率由点到面的转换,得出流域土壤入渗率的空间分布呈斑块状分布特征。
贾宏伟, 康绍忠, 张富仓, 佟玲, 姚立民[9]2006年在《石羊河流域平原区土壤入渗特性空间变异的研究》文中进行了进一步梳理在野外原位入渗试验的基础上,建立了简化Philip入渗模型及其土壤转换函数,借助ARCVIEW软件生成了石羊河流域平原区土壤入渗特性参数的空间分布图,并分析了入渗特性的空间变异特征。研究表明,简化Philip入渗模型是点面转化中比较理想的模型,模型参数α的土壤转换函数可以简便地估算土壤入渗特性,两者的结合是研究大尺度土壤入渗空间变异的一种有效方法。
张娜[10]2016年在《盐渍化灌区多尺度土壤水力特征参数空间变异规律及转换技术研究》文中进行了进一步梳理土壤是高度不均一的历史自然体,其特性参数空间分布具有一定的非均一性,且空间变异具有尺度效应,所以描述其不同尺度空间变异特性及变化过程等问题是当前灌溉水文学研究的热点。自然土壤特性在水平和垂直方向上都存在变异性,且不同土层土壤特性的空间变异存在着一定的相互关系,探求不同土层土壤特性空间变异特性及其相互对应的关系,对于了解土壤特性在叁维空间上的变化规律及模拟和预测具有一定的意义。在土壤水力参数空间变异研究中,建立水力参数与理化参数的转换函数成为获取水力参数的重要途径,但不同尺度的主导过程并不相同,如何将某一尺度建立的模型经过尺度转换应用于其它尺度,明确其精度及消除不确定性等问题值得进一步研究。为此,论文依托于国家自然科学基金项目(51069006),以内蒙古河套灌区为例,针对上述问题进行相关研究和讨论。(1)分别采用Bayesian神经网络(BNN)及BP神经网络建立土壤基本特性参数与土壤水分特征曲线模型参数、特征含水率之间的转换函数,进行模型验证及适应性比较。两种方法均能得到较好的训练及预测效果,且BP模型的训练精度优于BNN模型,但BNN模型的预测精度整体高于BP模型,且由于BNN模型的预测值为一个区间范围,可更好的体现土壤特性参数的空间随机性和结构性特征。(2)通过经典统计、地统计及多重分形进行土壤基本物理特性参数(粘粒、粉粒、砂粒、有机质)和水力参数(饱和含水率θs、van Genuchten模型参数α、n)在不同尺度(小尺度：52.40km2、1km×1km；中尺度：1.243×103km2、4km×4km；大尺度：3.708×103km2、8km×8km)不同土层(0～20cm、20～40cm、40～70cm、70～100cm)的空间变异性分析,得到结论如下：基本物理特性参数在不同尺度不同土层表现为强烈的空间自相关性,空间分布主要受母质、气候等结构性因素影响；在研究区域上均具有明显的多重分形特征,且在中尺度呈现最强的空间变异性(除了有机质在0-20cm、20-40cm土层),同时多重分形谱曲线(除了有机质在小尺度的20-40cm及40-70cm土层)表现为左钩状,即在其空间分布中,数值较大的数据占主导地位,其概率分布较大。水力参数不同尺度不同土层整体上具有强烈的空间自相关性,空间分布主要受母质、气候、土壤类型等结构因素的影响；van Genuchten模型参数α空间分布格局具有多重分形特征,但在3个尺度下多重分形谱谱宽没有一致性变化规律,vanGenuchten模型参数n和饱和含水率θs分布格局的多重分形特征不明显,其多重分形谱谱宽均较小。(3)通过联合多重分形方法研究了基本物理特性参数表层(0-20cm)与其它土层(20-40cm、40-70cm及70-100cm)空间变异性的相关程度并建立转换函数。整体上各参数0-20cm土层与20-40cm、40-70cm、70-100cm土层空间变异性的相关性依次递减,且其相关性在小尺度及大尺度高于中尺度。通过一元函数建立基本物理特性参数在3个尺度下表层(0-20cm)与其它土层(20-40cm、40-70cm及70-100cm)的转换函数,各参数3个尺度下0-20cm土层与20-40cm土层回归关系较好,决定系数在0.41～0.65之间,与40-70cm及70-100cm土层整体回归效果较差,决定系数分布在0.038～0.401之间。(4)通过多元回归、支持向量机及BP神经网络方法建立基于中尺度的水力参数与基本物理特性参数及基本物理特性参数与高光谱的转换函数,并将其尺度上推至大尺度与尺度下推至小尺度,并对其尺度转化的适用性进行评价。基于中尺度建立的高光谱与土壤颗粒组成及有机质的反演模型均可以较好的应用于其它两个尺度：多元回归方法在其它两个尺度上的相关性在0.33～0.60之间,支持向量机为0.41-0.52,BP神经网络为0.52-0.72,BP神经网络方法建立的模型在其它两个尺度上具有更好的适用性。且颗粒组成的效果整体好于有机质含量。基于中尺度建立的水力参数(饱和含水率θs、van Genuchten模型参数α)与基本物理参数(粘粒、粉粒、砂粒及有机质)的转换函数在其它两个尺度上均具有较好的适用性：多元回归方法在其它两个尺度上的相关性在0.535～0.944之间,支持向量机为0.602～0.968,支持向量机方法具有更好的适用性。van Genuchten模型参数n的建模及模型检验效果均较差。3个参数的尺度转换结果为饱和含水率θs效果最好,其次是van Genuchten模型参数α,而van Genuchten模型参数b效果最差。
参考文献：
[1]. 石羊河流域土壤水分运动参数空间分布的试验研究[D]. 贾宏伟. 西北农林科技大学. 2004
[2]. 甘肃西峰南小河沟流域土壤水分运动参数空间分布的试验研究[D]. 李亚娟. 西安理工大学. 2007
[3]. 黄土丘陵区土壤入渗性能空间变异[D]. 余凯. 兰州大学. 2014
[4]. 黑龙江西部半干旱区坡耕地土壤水文物理特性及其空间变异试验研究[D]. 马亚平. 东北农业大学. 2010
[5]. 土壤水分特性的分形特征与传递函数研究[D]. 刘继龙. 西北农林科技大学. 2010
[6]. 滨州农田土壤物理性质及水分入渗性能空间变异性研究[D]. 谭丽丽. 鲁东大学. 2016
[7]. 西北旱区葡萄园土壤水分特征参数、水盐及蒸散发的空间变异性研究[D]. 周宏民. 西北农林科技大学. 2012
[8]. 黑河上游八宝河流域土壤特性及入渗模拟研究[D]. 李广文. 陕西师范大学. 2016
[9]. 石羊河流域平原区土壤入渗特性空间变异的研究[J]. 贾宏伟, 康绍忠, 张富仓, 佟玲, 姚立民. 水科学进展. 2006
[10]. 盐渍化灌区多尺度土壤水力特征参数空间变异规律及转换技术研究[D]. 张娜. 内蒙古农业大学. 2016
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