土壤矿物驱动的反硝化研究进展

氮肥的大量施用虽然极大地推动了粮食的增产,但也引发了一系列生态环境问题。氮素在农田土壤中的转化规律长期受到研究人员的关注。本文介绍了农田土壤中除有机质以外的多种可以为反硝化提供电子的土壤矿物,如亚铁[Fe(Ⅱ)]和亚锰[Mn(Ⅱ)]的反硝化过程研究进展,探讨了可能影响土壤矿物驱动反硝化反应规律的因素。通过梳理发现,传统研究主要是在纯相条件下对Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)驱动反硝化过程进行研究。近年来愈来愈多的证据表明,在农田土壤这种复杂的介质中,Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)也可以为反硝化提供电子。然而,土壤矿物驱动的反硝化在农田土壤反硝化过程中的作用存在不确定性,其内在机理以及对农田土壤氮循环和温室气体排放的作用机制尚不明确。本文指出土壤矿物驱动的反硝化在农田土壤中的影响因素、作用机制以及该过程与有机质驱动的异养反硝化的相互关系是未来的研究方向。

武大AiFlow视觉测流技术在灌区流量监测的应用研究

在推进农田水利现代化建设的进程中,强化灌区水资源的信息化管理与自动化监测体系,成为引领灌区改革与农业发展的关键因素。鉴于新兴的视觉测流技术在各水文场景的逐渐推广,探讨其对灌区流量监测的适用性十分必要。本文主要研究了视觉测流在淠史杭灌区横排头、浙江金华安地灌区,以及湖北省王英水库的监测效果,结果显示,淠史杭灌区横排头站点视觉测流流量与横排头水文站查线流量之间的系统误差在±1%以内,随机不确定度在8%以内,测验精度符合一类精度水文站的相关要求;金华安地灌区两站点视觉测流流量与灌区瞬时放水流量的相对误差控制在±5%之内,且时段内总过水量与计划放水量的差异仅为3.62%,湖北王英水库法隆河站的视觉测流表面流速与浮标法的对比结果均在5%以内;充分证明了武大AiFlow视觉测流技术在灌区流量监测中的高精度、可靠性及稳定性,彰显了该技术在灌区具有良好的适用性。

面向智慧水利专业的测量学课程改革探讨——以武汉大学智慧水利拔尖人才培养为例

测量学作为智慧水利多门专业核心课程的重要前导课程,是水利专业与测绘新技术交叉融合的基础和起点。在学校“双一流”建设背景下,综合分析了智慧水利人才培养目标和测量学课程教学方面存在的问题,吸收和借鉴优势学科基础课程教学经验,提出以专题化模式重组测量学教学内容,拓展测绘基础理论、归并压缩传统仪器实践教学、引入智能测绘新技术的改革思路。通过组织开放实验课程,结合线上教学平台,解决教学容量与学时不足以及教学效果评价问题,实现培养理论基础扎实、学术视野广阔、专业技能全面的智慧水利人才。文中所提思路,为智慧水利测量学课程建设提供借鉴与参考。

输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法

为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化,考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性,提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路;基于渠道分段,提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架。基于有限的观测水位,在框架内应用集合卡尔曼滤波算法,在线估计各渠段的糙率值。结果表明:相比未分段时,2种估计方法可提高模型精度20%~50%,独立估计法误差累积小,适合复杂渠系;而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道。研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新,为建设数字孪生水网提供参考。

基于KL-Galerkin解法的地下水流动随机分析

为处理二维一般区域和具有复杂协方差函数的地下水流动随机问题,需要提出有效数值方法以求解基于摄动理论的谱分析模型。建立了进行K-L(Karhunen-Loeve)展开的Galerkin有限元方法,推导出任意区域K-L展开和Fredholm方程的矩阵形式和变换公式,研究了KL-Galerkin解法的计算性态。将基于KL-Galerkin解法的水流随机模拟得到的结果与解析解法的结果进行了对比。计算结果表明:文中提出的算法能够准确的模拟含水层中水头、含水量等物理量的分布,同时由于引入有限元原理和数值积分,该算法能够求解二维一般区域和任意协方差函数的随机场问题。

Karhunen-Loeve展开在土性各向异性随机场模拟中的应用研究

研究了Karhunen-Loeve(简称KL)展开在土性参数随机场模拟中的应用,分析了KL展开的特点,针对不规则区域和任意类型协方差函数提出了积分方程的Galerkin数值解法,模拟了土壤渗透系数各向异性随机场。分析结果表明:较低阶Karhunen-Loeve展开能够较好描述随机场的空间结构,与转动带法相比,KL展开法在模拟随机场的各向异性特性方面更具优势;与谱展开法相比,KL展开法具有更优的收敛性。

智慧灌区的架构、理论和方法之初探

我国灌区面临着多元化、精准化和智能化的管理需求。结合人工智能技术的发展趋势和水利学科本身特点,尝试提出智慧灌区的定义和基本功能。从灌区的感知智能、认知智能和管理决策三个方面讨论了智慧灌区研究的难点,初步论述了智慧灌区架构、理论和方法。在灌区感知智能方面,提出非接触式与接触式观测相结合、移动式和固定式观测相结合的观测体系,开发适用于灌区不同尺度观测的机器视觉技术、灌区特征解译技术和天地空数据智能交换技术;建立大数据环境下的信息理论,支撑灌区多源观测体系的研发和海量数据的解译和分析。在灌区认知智能方面,提出物理方程和机器学习相结合的灌区建模思路,建立“数据-物理”混合认知智能的理论基础,开发非完整先验物理机制下灌区水分、盐分、养分、污染物迁移转化以及作物生长和生态系统演化模型,开发灌区物理机制挖掘方法和动态建模方法。在灌区决策方面,提出可满足众多决策者需求以及可处理多种目标的智能优化决策系统,实现灌区尺度上的水量、水质和生态的最优化管理。

次降雨入渗补给系数空间变异性研究及模拟

本文分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理,应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异性,建立了协方差函数与方向角的函数关系;对次降雨入渗补给系数进行了Karhunen-Loeve展开,通过求解特征值、特征函数及随机向量模拟次降雨入渗补给系数随机场。分析结果表明,在水平径流微弱、潜水面坡度小的地区,平稳场理论可以有效地描述次降雨入渗补给系数空间分布规律,KL展开法具有优越的收敛速度。

三维地下水流随机分析的配点法

提出三维地下水不确定分析的随机配点法,比较了张量积配点法(TPCM)、Smolyak配点法(SmCM)、Stroud-2配点法(StCM)和概率配点法(PCM)等4种配点法的基本原理。其渗透系数场和水头场分别被表示为Karhunen-Loeve展开和多项式展开的形式;初始随机偏微分方程被转化为在相应配点上的确定性方程。进一步建立了基于Modflow-2000的随机模型,讨论了以上不同算法的计算精度及计算成本。分析结果表明,配点法可充分继承现有模拟软件或代码的求解功能,配点的选取方法决定了其计算成本,SmCM具有最高的计算精度,但StCM具有最好的性价比。

地下水位在非饱和水流数据同化中的应用

为理解地下水位观测信息在非饱和水流数据同化中的数据价值,建立了基于地下水位动态观测信息的一维饱和-非饱和水流集合卡尔曼滤波,通过虚拟数值实验检验了地下水位观测信息在非饱和水力参数估计和水分校正中的潜在价值。研究结果表明:在以地下水位为唯一观测数据时,同时更新参数和水头比仅更新水头能更好地校正土壤剖面的水头分布;当多层单个水力参数未知时,地下水位观测可以为参数估计提供有效信息;当多层多个参数未知时,地下水位与多层多个参数之间的复杂关系导致观测信息难以估计出最优的(唯一的)参数值;地下水位可作为辅助信息,与含水量观测等信息联合运用改善参数估计和含水量预测精度。

基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅰ——非条件模拟

将降雨视为随机场,考虑降雨入渗补给量与地下水埋深的关系,采用二维稳定-非稳定潜水运动的KLPC模型,分析了降雨的空间变异性对水头均值、方差和协方差的影响,利用变异系数描述了水头、流速和水动力弥散系数的变异程度。结果表明,KLPC算法的随机模型具有优越的计算效率;水头方差随降雨场方差和相关长度的增大而增大;在降雨空间变异的条件下,水头随机场呈现出明显的非平稳特性且具有各向异性结构;在非稳定流中,水头协方差表现出“扩散”和“平移”的特性;水头的变异程度较小,在随机模拟中可以不考虑降雨空间变异对地下水流动的影响;但水头的变异导致了流速和水动力弥散系数强烈的变异性,在溶质运移的随机分析中需要予以充分重视。

地下水流动的条件模拟

为分析参数的观测值对地下水流动不确定性的影响,建立了基于Karhunen-Loeve(KL)展开和扰动展开的地下水流动条件模拟模型,模型中联合考虑了渗透系数、补给和边界条件的空间变异性,推导了多条件作用下的地下水运动数值模型。数值试验的结果表明:在特定协方差函数或低阶KL展开时,所提出的数值模型具有良好的计算效率和计算精度;条件模拟可减小总体水头方差;相关长度越大,条件点越多,方差减少越明显;条件点的影响范围与条件点所处位置相关,应该在条件点影响范围大的区域布置观测点以最大程度的减小预测结果的不确定性。在实际的地下水问题中,应根据水流运动特性来确定不同参数的观测方案,以保证预测到的水流具有较小的不确定性和较高的可靠度。

双重介质饱和-非饱和流随机分析

为描述天然介质的复杂构成,引入指示函数模型,推导了双重介质参数均值、方差和协方差函数的表达式,提出了拟单介质的概念,然后将基于Karhunnen-Loeve展开的谱方法应用于双重介质饱和-非饱和流随机分析中,分别模拟了双重介质和拟单介质的饱和-非饱和流运动,分析了饱和水力传导度(Ks)和土壤孔隙分布参数α的变异性对双重介质和拟单介质之间等效性的影响。结果表明:双重介质变异参数总体方差的增大并不会导致KL展开截断阶数的增加;如果仅考虑Ks或α的空间变异性,Ks或α的总体方差越大,拟单介质模型预测的水头方差准确性越差;当两种介质的Ks或α显著不同且各自具有小方差时,拟单介质可以代替双重介质;参数α比Ks更大程度影响等效性。如果同时考虑Ks和α的空间变异性,Ks或α均值差异越大,等效性越差,Ks或α的总体方差与等效性之间的相关关系不明显。

基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅱ——条件模拟

建立了降雨空间变异条件下基于KLPC解法的潜水运动条件模拟方法,假设平面上若干测点的降雨量已知,分析了当随机模型中加入雨量站观测值时水头、流速和水动力弥散系数标准差的变化情况。研究结果表明:在条件模拟中,由于降雨协方差具有非平稳结构,需要采用数值解法来求解Fredholm方程;条件模拟方法计算出的水头、流速和水动力弥散系数的标准差要小于非条件模拟的结果;在降雨空间变异条件下,降雨的相关长度越大,方差越大,条件模拟对水头标准差削减越明显;与水头相比,条件模拟下流速和水动力弥散系数的标准差的消减更为明显,因此在考虑降雨的空间变异性时,条件模拟可减小溶质运移输入参数的不确定性具有一定作用。

基于尺度因素的地下水随机分析

针对小尺度的各态历经假设的失效,研究了小尺度上多孔介质特性参数统计特征。利用基于K-L(Karhunen-Loeve)展开和混沌展开的谱模型,分析了尺度大小对地下水流动的影响。结果表明,尺度大小导致了特征值系列和特征函数系列的变化,尺度的变化对水头、含水量、流速影响程度不同;水头和流速方差与尺度相关,尺度越大,水头和流速方差越大;研究尺度的变化对水头、含水量、流速均值产生的影响较小。

基于随机配点法的地下水污染风险评价

地下水污染事件难以被直接观测,其发生环境通常也具有多种不确定性,风险评价可以量化地下水污染事件的危害性。利用随机配点模型和多项式抽样技术,建立了高效的风险评价模型;考虑了渗透系数、孔隙率和弥散度等多种不确定性因子,探讨了复杂条件下的风险函数的分布特征。研究结果表明:基于随机配点法的风险评价模型避免了多次重复求解对流弥散方程,通过计算成本低廉的随机配点技术得到浓度随机场的拉格朗日多项式,进行多项式抽样获取浓度样本并得到风险函数;与传统的解析算法相比,该方法无需对输入参数和浓度的分布形态做出假设;与传统的蒙特卡罗(Monte Carlo)算法相比,该模型具有明显的效率优势和优越的收敛速度;输入参数的分布类型对风险分布产生显著影响。

降水入渗补给系数空间变异性分析

分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理，应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异性，建立了协方差函数与方向角的函数关系；对次降雨入渗补给系数进行了Karhunen-Loveve展开，通过求解特征值、特征函数及随机向量模拟次降雨入渗补给系数随机场。分析结果表明，在水平径流微弱、潜水面坡度小的地区，平稳场理论可以有效地描述次降雨入渗补给系数空间分布规律，KL展开法具有优越的收敛速度。

灌水率图形优化模型及可视化修正

灌水率的大小关系到渠道断面的设计尺寸和工程成本。提出了灌水率图形调整的数学模型。该模型以保证灌水率方差在总灌水延续时间内最小和图像连续为目标函数 ,考虑了实际中 4种可能的调整途径及相应的调整规则。开发了可视化界面程序 ,该程序将整个灌水率的调整过程形象地反映出来 ,便于人机交互求解合理的结果。

利用无人机影像构建作物表面模型估测甘蔗LAI

为探讨从作物表面模型(crop surface models,CSMs)中提取株高来估算糖料蔗叶面积指数(leaf area index,LAI)的可行性,该文采用无人机-RGB高清数码相机构成的低空遥感平台,以广西糖料蔗为研究对象,采集了糖料蔗全生育期的高清数码影像,分别在有无地面控制点条件下建立各生育期CSMs并提取株高。此外,该文利用高清数码影像计算了6种可见光植被指数并建立LAI估算模型,用以对比从CSMs提取的株高对LAI的估算效果。结果表明:全生育期CSMs提取的株高与实测株高显著相关(P<0.01),株高预测值与实测值高度拟合(R2=0.961 2,RMSE=0.215 2)。选取的6种可见光植被指数中,绿红植被指数对糖料蔗伸长末期以前的LAI的估测效果最好(R2=0.779 0,RMSE=0.556 1,MRE=0.168 0)。相同条件下,株高对LAI有更高的估测精度,其中CSMs提取的株高估测效果优于地面实测株高,预测模型R2=0.904 4,RMSE=0.366 2,MRE=0.124 3。研究表明,使用无人机拍摄RGB影像来提取株高并运用于糖料蔗重要生育期LAI的估算是可行的,CSMs提取的株高拥有较高的精度。该研究可为大区域进行精准快速的农情监测提供参考。

区域饱和-非饱和地下水流运动数值模拟

根据多孔介质中区域饱和-非饱和水分运动的特征,建立基于迦辽金有限单元法的拟三维数学模型.通过对三维Richards方程沿饱和含水层垂向平均得到水平二维模型的基本方程,在各选定区域非饱和带沿水平方向平均得到多个一维非饱和水流运动方程.一维非饱和模型与二维饱和模型的耦合点为非饱和带计算所得的通过潜水面的流量项.最后,验证拟三维模型的模拟结果,说明模型合理可行,为研究大区域饱和-非饱和水分运动提供了有效的分析工具.