基于Kostiakov-Lewis入渗模型参数的BP预报模型研究

发布时间：2016-08-06 07:04

第一章 引言 

1.1 研究目的及意义 
如今国家实力日益增强、社会经济飞速发展，然而经济的高速发展是建立在破坏我们赖以生存的生态环境基础之上的。目前存储的水资源已不足以满足生活和工农业发展的需求。“建设资源节约型、环境友好型社会”，“建设美丽中国”是现代社会的奋斗目标和美好愿景，水生态文明建设是基础和保障。“水是生命之源、生产之要、生态之基”。   中国的水资源短缺现象极为严峻，水资源人均占有量只有世界人均占有量的25%。水资源总量只占到世界总量的6%。 以山西省为例，全省水资源短缺现象尤为严峻。山西省位于黄土高原，总面积为156566平方公里，占全国总面积约百分之一点六三，平均年降雨量400-650毫米，与其他省份相比降雨量差距就大，又因其地形比较复杂，境内80%以上多为山地丘陵，坡度较大、沟壑多且植被的覆盖率低，导致水土流失严重，据统计全省水土流失面积达933万公顷，占到我国国土面积的0.97%，其土壤流失率达5000吨每平方公里，是我国土壤侵蚀最严重的省份之一，加上地形地势的原因，致使全省范围内降雨分布不均衡。另一方面水资源污染严重，据不完全统计全省的水资源在1984年到2000年间，总量由142亿立方米减少至81.5亿立方米，全省有三分之二的主要河流失去其使用功能，地表水衰减百分之71.8。在水资源质与量严重降低的今天，提高水资源的利用率，节约用水不仅是关乎民生、生态环境、资源利用永续发展的长远战略，更是眼下经济社会和谐发展的一项迫切任务。节约水资源功在当代，利在千秋。
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1.2 研究进展
土壤水分的入渗研究已有近200多年的历史。Henry Darcy于1852-1885年间通过一维均匀砂质土壤水分入渗试验，得到渗流量q与水力梯度成正比，砂层厚度成反比结论，即达西定律。1931年，Richard在非饱和土壤水分入渗中引入了达西定律，建立了非饱和土壤水分运动基本方程，让土壤水分入渗的研究迈向新的台阶。渗流理论不断发展的同时，人们在生产经营中对土壤水分入渗的研究提出了新的要求，需要了解土壤水分入渗量随着时间的变化规律，希望通过理论的研究帮助分析预测土壤水分入渗量。为此，研究学者们于上世纪提出了许多的半理论半经验入渗模型。土壤水分入渗研究不断发展，越来越多的学者对其入渗过程展开深入研究并提出预测模型。Horton在入渗试验中根据物理原理等概念进行了猜想总结，得到了Horton公式，该公式虽然被沿用至今，但由于其缺乏物理基础，并不能普及使用。相较于Horton模型，Philip模型具有明确的物理意义，然而由于其只对于均质土且入渗历时较短的情况才能够达到要求预测精度，对于历时较长的入渗过程，它的实际值与预测值偏差较大。1980年Ghosh经过反复实验分析结合前人的实践成果，提出了Ghosh入渗公式，其克服了Philip入渗公式不适用于长历时入渗过程的缺点，且具有较其他公式更高的精度，但其计算过程繁杂，实际生产过程中不便于使用。之后，一些其他入渗公式相继被提出，如Holtan公式、Sminth公式、方正山公式及蒋定生公式等。这些经典的入渗公式，不论是理论性的或是经验性的，在入渗理论和实践生产中都有较高的使用价值。 
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第二章 试验条件和方法 

为了分析土壤质地、土壤结构、土壤含水量、有机质等因素对土壤水分入渗特性的影响以及利用土壤基本理化参数对土壤入渗参数进行预测，项目团队展开了区域性的规模化耕作农田大田土壤水分入渗试验和室内入渗试验。大田入渗试验地点涵盖了山西从南到北三晋大地，其中包括十市36个县区。本文的试验数据大多为科研梯队试验积累，部分样本为本现团队合作补充。 

2.1试验区气候条件 
山西处于大陆东岸中纬度内陆，由于位于太行山脉的西方而由此得以命名。外缘山脉环绕，渤海与黄海的海风难以侵入，受到海洋的影响较弱，形成了较为明显的大陆性季风气候；山西北部毗邻内蒙古，由于受到内蒙古冬季冷空气的袭击，北部地区温度较低,较为寒冷；南部紧挨位于中原的河南省，由于受到河南黄淮海平原和豫北平原北上的夏季湿暖气团的滋润，使得山西南部气候较为温和；由这几方面的原因形成了山西南北差异明显的气候特征，具体表现为：冬季持续时间较长，受大陆性季风气候的影响，表现为干燥寒冷，雨雪稀少，而夏季受海洋性暖气流影响，雨水集中，但雨季时间较短，山西南北日照存在一定差异，通常表现为南长北短，与冬季气候差异明显，春季气候变化多端，受黄土高原的地形影响，风沙现象严重，秋季相对较短，气候温和少变。总体而言，山西日照时间充足，日照强度适当，拥有较为丰富的热量来源；同时，由于其地理位置的影响，全省降雨量分布不均匀，由东南向西北递减，水资源不充足，且极端性天气现象发生频繁[106]。 山西省幅员辽阔，地处华北西部黄土高原，地形复杂，高度差异悬殊，气候、水文等自然要素既有纬度地带性分布特征，也有垂直分布分布特征，近50年来，年平均气温大约在4.01~14.11℃(其中晋西北的朔州市处于气温低谷值，晋南运城市处于气温峰值)，气温略低于同纬度河北平原，全省气温总分布趋势由呈现由南向北逐渐降低，由高山向盆地逐渐升高。山西省全年降水均值在363.98~618.46mm之间波动，从区域空间分布特征来看，降水量由东南向西北递减，降雨分布不均匀，晋南大部分地区、晋中部分山区等年降雨量界于600~700毫米，是山西省降雨最多的地区；临汾、运城盆地在500~550毫米左右；晋中盆地在450~500毫米之间；晋北大部分地区为少雨区，年平均的降水量少于400毫米。山西降雨量另一特征表现为山地降雨量普遍大于山谷，，这是由于山脉地势高，暖气流遇到山地容易成云致雨而造成这样的气候特征。全省降雨量不仅因地势不同而有明显差异，年内各季降雨量差异悬殊。山西属大陆性季风气候，季节降水量受其影响显著，夏季降水量最多，占年降水总量60%左右；冬季降水量最少，占年降水总量2%左右；春秋季降水量差别不大，各占年降水总量15%~20%。同时，降雨量年际变化率较大，尤其是山西省西北部地区，最大相对变化率可达到50%，因此，降水量保证率低也是造成了山西省气候恶劣的原因之一。 
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2.2试验区土壤条件 
山西省地处黄河中游东岸，华北平原西侧，四面环山，与邻省区境界分明。山西拥有丰富的煤炭、铝土矿等矿产资源，黄土高原土壤颗粒较细，土质松软并富有矿质养分，因此便于农作。由于山西省的地理位置、地形地貌等特征及其气候条件造成了山西地区土壤复杂多样化。从土壤的形成类型来讲，可分为三大类，分别是地带性土壤(褐土、栗钙土壤、灰褐土等)、山地土壤(草甸土、棕壤、淋溶褐土、山地褐土等)、隐域性土壤[107]。地带性土壤多分布于内长城、恒山以北，阴山山脉以东，以大同盆地中心的北部草原地区；山地土壤是因为山地海拔高度、位置走向、植被气候等因素造成各种各样的土壤垂直地带谱，山西省是典型的黄土覆盖的山地高原，其垂直地带土壤谱变化多样复杂；对于隐域性土壤，其形成不仅与当地水文地质条件有关，与土壤生物分布地带性密切相关。 
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第三章土壤水分入渗主要影响因素的单因素分析 ........ 27 
3.1土壤结构 .... 27
3.3土壤质地 .... 35
3.4土壤有机质 ......... 43 
3.4.1土壤有机质对土壤水分入渗性能的影响 ........ 44 
3.4.2土壤有机质对土壤入渗模型参数的影响 ........ 47 
3.4.3土壤有机质与I90、k、a、f0间的数量关系表达式 .......... 53 
3.5土壤温度 .... 53
3.6 土壤含盐量 ........ 56 
3.7 影响土壤入渗参数主要因素、次要因素分析 ...... 57 
第四章 土壤水分入渗参数BP预报模型 ..... 59 
4.1备耕头水地土壤水分入渗 ............ 59 
4.2 BP神经网络的简介 .... 60 
4.3 基于BP神经网络的土壤水分入渗参数预报模型 ........ 68
4.4 线性、非线性、BP预报模型的比较与分析 ........ 92 
第五章冻结土壤水分入渗参数BP预报模型 ........ 99 
5.1基于KOSTIAKOV-LEWIS模型建立冻结土壤水分入渗参数的BP预报模型 ............ 100
5.2基于BP神经网络对KOSTIAKOV入渗模型参数K、A、F0的预测 ....... 102
5.3 90MIN累积入渗量I90的预测 ...... 117 

第五章冻结土壤水分入渗参数BP预报模型 

在我国北方绝大部分地区，大中型灌区的冬灌、储水灌溉、播前灌溉是在初冬、初春进行的，而此时的灌溉土壤处于季节交替期间，其土壤水分经历着冻结和消融两个状态的变化。土壤水分在冻结和消融的过程中，其中液态水和固态水（冰晶）随着外界环境的变化相互转变，引起土壤三相比例发生变化，导致土壤结构改变，进而影响土壤水分的入渗能力。 冻结土壤水分入渗研究的起步较晚，最早对冻土入渗进行研究的是在上世纪60年代，Stoeckler（1960）等人利用单环入渗仪对三种不同状态（密实、疏松、颗粒）的冻结土壤进行了入渗试验研究[120]；随后，Kane、Stein（1983）[121]通过利用双环渗透仪对初始含水率不同的冻土进行入渗试验分析；Thunholm（1989）等人[123]对冻结粘土的土壤水分入渗特性进行了研究分析；Burn CR（1990）[126]研究了当融雪不连续渗入时冻结土壤的入渗特性；Zuzel和Pikul（1991）等人通过进行深秋未冻前、冬季冻结期、初春消融期的土壤水分入渗试验，得出了冻土分布区，融雪产生地表径流、水土流失的主要原因是地面冻结以及土壤入渗能力的降低的结论[124]；Kelleners和Norton（2012）[122]等人在统一分析冻结区与非冻结区时，引入了土水势的概念。近年来，我国的科研工作者也逐渐开始重视冻结土壤水分入渗特性的研究，并取得了一批有价值的成果，樊贵盛、郑秀清等人通过对冬小麦进行大田入渗试验，分析了其在冻结条件下土壤水分的入渗特性，并先后报道了有关冻结土壤水分入渗特性的主要影响因素以及特有影响因素的研究[127~133]；付强、王立权[134]等人通过北方高寒地区土壤水分入渗实验，揭示了冻深对冻结土壤入渗能力的影响；程艳涛、王根绪[135]等人在长江源区进行土壤水分入渗试验之后，分析研究钻研认为影响冻土高寒区草甸土的入渗因素主要有地温、冻层深度、植被、初始含水率及地表结皮。在其当中，樊贵盛、郑秀清等人的研究为国内冻结土壤水分入渗的研究奠定了坚实的基础。 纵观国内国外对于冻结土壤的研究动态，主要大都是研究冻结条件下，土壤水分的运动特性及其影响的因素，而对农业实际生产过程中，如何提高冬春季节冻结土壤的灌水效率这方面的研究相对薄弱。针对我国多年冻土面积占到国土面积的20%，季节性冻土面积占到全国国土面积的53.5%[125]，且季节性冻土多分布于北方一些干旱、半干旱水资源短缺的地区，本章试图通过易获得的冻结土壤理化参数预测土壤水分入渗模型参数得到相应的灌水技术参数，从而为指导季节性冻土区进行合理的冬、春灌溉提供了非常有力的理论支撑。 

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结论 

本文基于区域尺度上的大田土壤水分入渗试验，对非冻结非盐碱地土壤入渗特性的主要影响因素与入渗模型参数间的定量关系进行了分析，同时结合灌溉过程入渗引起的土壤结构变形及对土壤入渗性能造成的影响，建立了土壤入渗参数的BP预报模型，并对模型的预报结果进行了分析与评价，通过预报模型对检验样本的预测，对预报模型的可靠性进行了检验；此外，还提出了冻结土壤及盐碱土壤的入渗参数的BP预报模型；并在对非冻结非盐碱地的入渗参数BP预报模型进行分析的同时，比较评价了BP预报模型与线性预报模型和非线性预报模型的精度。形成的主要结论有：对于非冻融土壤非盐碱地土壤的入渗性能及入渗模型参数的最为主要的影响因素有：土壤结构、土壤含水率、土壤质地（以粘粒含量与砂粒含量表征）、土壤有机质含量。 在建立大田土壤入渗型参数的BP预报模型时，对不同的土壤水分入渗参数应采用不同的模型输入变量，并应考虑疏松土壤灌水过程中的结构变形。 入渗系数k的BP预报模型的输入变量只考虑0~20cm耕层土壤基本理化指标：土壤含水率、土壤容重（0~10cm土壤结构变形前的容重）、土壤质地中的砂粒含量和粉粒含量、土壤有机质含量。 入渗指数a的BP预报模型的输入变量包括耕层（0~20cm）、犁地层（20~40cm）土壤基本理化性质（土壤含水率、土壤容重、砂粒含量和粉粒含量、土壤有机质含量），其中(0~10cm)土壤容重考虑结构变形后的容重。
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参考文献(略)

本文编号：86156