灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数
发布时间：2022-02-09 21:44
土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm3/cm3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和...
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
研究区地理位置及采样点分布Fig.1Geographicallocationandsamplingpointdistributioninstudyarea
-1.98×10-4SA-1.35×103BD+1.11×104OM(R2=0.75,P<0.01)（8）lnn=-0.53-4.10×103SI-4.70×104OM+1.59D+0.24lnSI+40.22eOM-0.56D2(R2=0.96)P<0.01（9）–4–42OM22ln0.930.048.2510OM0.803.05101.69e0.860.75,0.0()1AASDSDRP（10）式中CL、SA、SI为黏粒、砂粒、粉粒体积百分数，%；BD为容重，g/cm3；D为分形维数；OM为有机质含量，g/kg。图2为不同土层所构建的土壤传递函数的估算值与实测值之间的关系。由图2可知，土壤传递函数的估算值与实测值基本落在1:1线附近，表明所构建的土壤传递函数估算值与实测值基本吻合，其中参数lnα对实测值的估算效果较好。由图2中0～20cm和>20～40cm土层模型参数r、lnα、lnn的MAE值可知MAE值接近于0，表明在不同土层所构建的土壤传递函数的估算值与实测值平均绝对偏离程度较小，估算精度较高。从R2值来看，在0～20和>20～40cm土层模型参数r、lnα、lnn的R2值都在0.66以上，可知在0～20和>20～40cm土层r、lnα、lnn的土壤传递函数估算值与实测值相近，估算效果较好。从RMSE值来看，在0～20和>20～40cm土层模型参数r、lnα、lnn的RMSE值接近于0，表明在不同土层所构建的r、lnα、lnn的土壤传递函数估算值与实测值吻合程度较高。不同土层饱和导水率与土壤理化指标之间的关联度及排序如表2所示。由表2可知，在
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年64函数估算精度较好。表3为vanGenuchten模型参数和饱和导水率土壤传递函数估算值的MAE、RMSE、R2值。由表3知，各土层r、lnα、lnn、KS的MAE和RMSE值均较小，表明各参数土壤传递函数估算值与实测值相接近。从R2值来看，在0～20cm和>20～40cm土层r、lnα、lnn、KS的R2，除0～20cm土层KS的R2值为0.68，其他均在0.9以上，表明在不同土层各参数土壤传递函数估算值与实测值基本吻合。总体上本文构建的研究区土壤水力参数传递函数估算精度较高。图3不同土层饱和导水率估算值与实测值的关系Fig.3Relationshipbetweenestimatedandmeasuredsaturatedhydraulicconductivityindifferentsoillayers图4验证阶段不同土层土壤含水率θ和饱和导水率Ks估算值与实测值关系Fig.4Relationshipbetweenestimatedandmeasuredsoilwatercontentandsaturatedhydraulicconductivityindifferentsoillayersduringverificationstage2.4本文模型与其他模型对比采用多元回归等方法构建的土壤水力参数传递函数，分别为Li等[9]、Vereecken等[10]、Wosten等[12]土壤水分特征曲线土壤传递函数和Wosten等[12]、孙丽等[14]、Cosby等[16]饱和导水率土壤传递函数与本文采用非线性规划构建的土壤传递函数（研究区PTFs）进行对比分析。图5为研究区27个点土壤含水率和饱和导水率估算值与实测值关系图。表3不同土层vanGenuchten模型参数验证Table3VerificationofvanGenuchtenmodelparametersestimationvaluesi
【参考文献】：
期刊论文
[1]再生水水质对斥水和亲水土壤水分特征曲线的影响[J]. 陈俊英,柴红阳,Leionid Gillerman,刘畅,蔡耀辉,张林. 农业工程学报. 2018(11)
[2]基于优先级指数的土壤采样设计方法研究[J]. 王子龙,陈伟杰,付强,姜秋香,印玉明,常广义. 农业机械学报. 2018(07)
[3]冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和热通量的影响[J]. 付强,颜培儒,李天霄,侯仁杰,周照强,马梓奡. 农业工程学报. 2017(20)
[4]宁夏引黄灌区土壤饱和导水率空间分异特征[J]. 赵云鹏,白一茹,王幼奇,石磊. 北方园艺. 2017(08)
[5]黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布及作用综述[J]. 张耀方,赵世伟,王子龙,李晓晓,李明瑞,杜璨. 中国水土保持科学. 2015(05)
[6]基于改进萤火虫算法的土壤水分特征曲线参数优化[J]. 付强,蒋睿奇,王子龙,李天霄. 农业工程学报. 2015(11)
[7]科尔沁沙丘-草甸相间地区表土饱和导水率的土壤传递函数研究[J]. 孙丽,刘廷玺,段利民,贾恪. 土壤学报. 2015(01)
[8]黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟[J]. 赵春雷,邵明安,贾小旭. 水科学进展. 2014(06)
[9]科尔沁沙地土壤水分特征曲线传递函数的构建与评估[J]. 姚姣转,刘廷玺,王天帅,童新. 农业工程学报. 2014(20)
[10]基于交叉验证的农田土壤饱和导水率传递函数研究[J]. 孙美,张晓琳,冯绍元,霍再林. 农业机械学报. 2014(10)
本文编号：3617688
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
研究区地理位置及采样点分布Fig.1Geographicallocationandsamplingpointdistributioninstudyarea
-1.98×10-4SA-1.35×103BD+1.11×104OM(R2=0.75,P<0.01)（8）lnn=-0.53-4.10×103SI-4.70×104OM+1.59D+0.24lnSI+40.22eOM-0.56D2(R2=0.96)P<0.01（9）–4–42OM22ln0.930.048.2510OM0.803.05101.69e0.860.75,0.0()1AASDSDRP（10）式中CL、SA、SI为黏粒、砂粒、粉粒体积百分数，%；BD为容重，g/cm3；D为分形维数；OM为有机质含量，g/kg。图2为不同土层所构建的土壤传递函数的估算值与实测值之间的关系。由图2可知，土壤传递函数的估算值与实测值基本落在1:1线附近，表明所构建的土壤传递函数估算值与实测值基本吻合，其中参数lnα对实测值的估算效果较好。由图2中0～20cm和>20～40cm土层模型参数r、lnα、lnn的MAE值可知MAE值接近于0，表明在不同土层所构建的土壤传递函数的估算值与实测值平均绝对偏离程度较小，估算精度较高。从R2值来看，在0～20和>20～40cm土层模型参数r、lnα、lnn的R2值都在0.66以上，可知在0～20和>20～40cm土层r、lnα、lnn的土壤传递函数估算值与实测值相近，估算效果较好。从RMSE值来看，在0～20和>20～40cm土层模型参数r、lnα、lnn的RMSE值接近于0，表明在不同土层所构建的r、lnα、lnn的土壤传递函数估算值与实测值吻合程度较高。不同土层饱和导水率与土壤理化指标之间的关联度及排序如表2所示。由表2可知，在
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年64函数估算精度较好。表3为vanGenuchten模型参数和饱和导水率土壤传递函数估算值的MAE、RMSE、R2值。由表3知，各土层r、lnα、lnn、KS的MAE和RMSE值均较小，表明各参数土壤传递函数估算值与实测值相接近。从R2值来看，在0～20cm和>20～40cm土层r、lnα、lnn、KS的R2，除0～20cm土层KS的R2值为0.68，其他均在0.9以上，表明在不同土层各参数土壤传递函数估算值与实测值基本吻合。总体上本文构建的研究区土壤水力参数传递函数估算精度较高。图3不同土层饱和导水率估算值与实测值的关系Fig.3Relationshipbetweenestimatedandmeasuredsaturatedhydraulicconductivityindifferentsoillayers图4验证阶段不同土层土壤含水率θ和饱和导水率Ks估算值与实测值关系Fig.4Relationshipbetweenestimatedandmeasuredsoilwatercontentandsaturatedhydraulicconductivityindifferentsoillayersduringverificationstage2.4本文模型与其他模型对比采用多元回归等方法构建的土壤水力参数传递函数，分别为Li等[9]、Vereecken等[10]、Wosten等[12]土壤水分特征曲线土壤传递函数和Wosten等[12]、孙丽等[14]、Cosby等[16]饱和导水率土壤传递函数与本文采用非线性规划构建的土壤传递函数（研究区PTFs）进行对比分析。图5为研究区27个点土壤含水率和饱和导水率估算值与实测值关系图。表3不同土层vanGenuchten模型参数验证Table3VerificationofvanGenuchtenmodelparametersestimationvaluesi
【参考文献】：
期刊论文
[1]再生水水质对斥水和亲水土壤水分特征曲线的影响[J]. 陈俊英,柴红阳,Leionid Gillerman,刘畅,蔡耀辉,张林. 农业工程学报. 2018(11)
[2]基于优先级指数的土壤采样设计方法研究[J]. 王子龙,陈伟杰,付强,姜秋香,印玉明,常广义. 农业机械学报. 2018(07)
[3]冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和热通量的影响[J]. 付强,颜培儒,李天霄,侯仁杰,周照强,马梓奡. 农业工程学报. 2017(20)
[4]宁夏引黄灌区土壤饱和导水率空间分异特征[J]. 赵云鹏,白一茹,王幼奇,石磊. 北方园艺. 2017(08)
[5]黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布及作用综述[J]. 张耀方,赵世伟,王子龙,李晓晓,李明瑞,杜璨. 中国水土保持科学. 2015(05)
[6]基于改进萤火虫算法的土壤水分特征曲线参数优化[J]. 付强,蒋睿奇,王子龙,李天霄. 农业工程学报. 2015(11)
[7]科尔沁沙丘-草甸相间地区表土饱和导水率的土壤传递函数研究[J]. 孙丽,刘廷玺,段利民,贾恪. 土壤学报. 2015(01)
[8]黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟[J]. 赵春雷,邵明安,贾小旭. 水科学进展. 2014(06)
[9]科尔沁沙地土壤水分特征曲线传递函数的构建与评估[J]. 姚姣转,刘廷玺,王天帅,童新. 农业工程学报. 2014(20)
[10]基于交叉验证的农田土壤饱和导水率传递函数研究[J]. 孙美,张晓琳,冯绍元,霍再林. 农业机械学报. 2014(10)
本文编号：3617688
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