新工科背景下土力学课程教学改革与实践

土力学是一门理论性和实践性较强的水利类专业基础课。在新工科背景下,如何有效改革现有土力学课程的教学模式和教学理念,对于打牢学生的专业基础知识、培养综合能力强的水利类人才具有重要的现实意义。文章阐述了新工科背景下土力学课程的内涵与要求,分析了土力学课程教学改革的现状和问题,梳理了土力学课程教学改革的思路与方法,提出了新工科背景下土力学课程教学改革的方向。

不同耕作模式和生物炭添加对黑土区土壤氮磷转化及玉米生长的调控

[目的]为探究不同耕作模式和生物炭施加量对黑土区农田土壤氮磷转化和玉米生长发育的影响。[方法]通过野外大田试验,设置2种耕作(深耕和浅耕)和5个生物炭添加处理(0,3,6,9,12 t/hm^(2)),探究不同耕作模式和生物炭施加量对土壤氮磷组分、酶活性及玉米生理特性的综合影响。[结果](1)深耕和浅耕配合施加生物炭可有效改善土壤结构,提高团聚体几何平均直径,降低破坏百分比,且深耕处理效果优于浅耕处理;(2)施加生物炭提高土壤氮磷组分、脲酶活性和碱性磷酸酶活性,施加9 t/hm^(2)生物炭效果最好,且深耕更为显著;(3)深耕处理下生物炭施加量达到9 t/hm^(2)时,提高叶片的全氮、全磷含量和谷氨酰胺合成酶活性,降低酸性磷酸酶活性;(4)深耕条件下施加9 t/hm^(2)生物炭的玉米的产量达到17.37 t/hm^(2),相比于0提高28.9%。[结论]深耕处理并施加9 t/hm^(2)生物炭对于黑土区农田养分环境和作物生长提供参考意义。

松嫩平原不同耕作模式与秸秆还田量对土壤磷组分及大豆产量的影响

了解黑土地区外源介质与不同耕作模式对土壤磷影响,对于优化黑土地区农业系统施肥具有重要意义。玉米秸秆因其自身性质对土壤理化性质具有良好调控作用,该研究在完全随机设计的基础上,通过田间试验分阶段监测不同耕作模式和秸秆还田量对土壤磷组分变化的影响。研究结果表明:1)秸秆通过改善土壤的环境稳定性提高土壤的固磷能力。深耕(DP)搭配9750 kg/hm^(2)的秸秆还田后,土壤的总磷(TP)含量增加了31%。2)秸秆改善土壤环境增加了土壤磷酸酶含量。与浅耕(SP)相比,深耕搭配9750kg/hm^(2)的秸秆可使酸性和碱性磷酸酶含量分别提高到12%和32.5%。深耕搭配9750 kg/hm^(2)的秸秆还田量在大豆植株需磷关键时期时土壤植酸酶含量最低;与0秸秆还田相比,植酸酶含量减少了11.3%~19.4%。3)Langmuir模型在解释磷吸附数据方面优于Freundlich模型,可以更好地评估磷的最大吸附值,秸秆处理的最大磷吸附量、磷吸附亲和常数和最大缓冲容量分别比0秸秆还田处理低2.4%~8.3%、8.3%~13.9%和2.2%~26.3%。4)施用秸秆有助于促进土壤磷有效性的提高,并且深耕作用会进一步增加磷素有效性。根据Hedley磷分级结果,深耕搭配秸秆还田可促进不同环境下土壤磷组分的改变,土壤中不稳定态磷的含量总是高于CK组。施用秸秆显著提升了土壤中各组分磷含量,其中,秸秆施用对不稳定态磷组分影响最大。深耕搭配9750kg/hm^(2)的秸秆还田量的调控模型提高土壤有效磷含量,为提高土壤磷的利用效率提供了科学依据。5)深耕时施用9750kg/hm^(2)玉米秸秆,大豆产量最高达到1425kg/hm^(2),为今后黑土区土壤肥力保持和农田土壤耕作提供参考和指导意义。

不同调控模式下寒区土壤物理结构与水力特性改良研究

为探究季节性冻土区冻结前后施加生物炭和秸秆对农田土壤的改良效果,选取黑土作为研究对象,基于田间试验,设置4种不同调控措施(BL:空白对照;CLS:施用生物炭;JLS:施用秸秆;CJLS:联合施用),分析土壤团聚体稳定性、孔径分布特征、土壤水分特征曲线、土壤累计入渗量、饱和导水率K_(sat)的变化,在此基础上,探究土壤持水性、导水性等土壤物理特性变异特征。结果表明,施用生物炭和秸秆有效抑制冻融循环作用对土壤结构的不利影响,有效保持土壤团聚体稳定性。施加外源生物质材料改善土壤孔隙分布,在冻结前期增加中间段孔径(0.3~100μm)比例,在外源生物质材料和冻融交替作用双重影响下,增加中间段孔径比例19.05%~35.04%,增加土壤空隙(>100μm)比例4.33%~16.22%,降低极微孔径(0~0.3μm)比例9.09%~18.18%,其中CJLS处理表现最优。在冻结前期,施用生物炭和秸秆增加张力-5 cm条件下60 min的土壤累计入渗量73.68%、60.52%、151.10%,而在融化期,受外源生物质材料冻融老化影响,其发挥的积极效应有所减弱,土壤累计入渗量最高仅增加112.28%。同时,施加生物炭和秸秆提高冻融前后的土壤饱和含水率,增强土壤持水能力,这有助于提高春季土壤抗干旱能力。在外源生物质材料和冻融循环双重作用下植物可用含水率增加,同时冻融前后K_(sat)均增加,但融化期CLS和JLS处理与BL的差异逐渐减缓。研究结果对于合理施用生物炭和秸秆资源、揭示改良土壤物理特性响应机制具有重要意义。

黑龙江省降水变化趋势及其对农业生产的影响研究

基于黑龙江省36个气象站的降水量数据和12个地级市及1个地区的农业相关数据,采用改进的MannKendall检验法,通过计算年降水量和季节降水量的趋势检验统计量Z值,揭示了研究区降水量的变化趋势,进而分析了农业旱涝灾害的空间分布。结果表明,黑龙江省大部分地区冬、春季节降水量呈现上升趋势,夏、秋季节降水量及年降水量均呈下降趋势。黑龙江省农业受涝灾影响大于旱灾,涝灾主要分布在黑龙江省东部的双鸭山市、鹤岗市和佳木斯市,其未来降水量的下降趋势可在一定程度上缓解涝灾产生的危害;旱灾主要分布在黑龙江省西部的齐齐哈尔地区,其未来降水量的增加趋势可在一定程度上缓解旱灾产生的危害。

基于DPSIR模型的水土资源承载力评价

以齐齐哈尔市为例,从水土资源的概念入手结合DPSIR模型,构建5个子体系24个指标的水土资源承载力评价指标体系。通过采用实码加速遗传算法优化投影指标函数,确定各评价单元的一维投影值,构建水土资源承载力评价的投影寻踪模型。结果表明,齐齐哈尔市市区2007~2010年的水土资源承载力最高,其他各市县承载力等级均有一定幅度的波动。研究成果可为齐齐哈尔市水土资源可持续利用提供科学依据。

黑龙江省农业水土资源时空匹配格局研究

基于黑龙江省2000~2014年13个地市水资源总量、耕地面积、土地面积等数据,采用农业水土资源匹配系数和基尼系数研究黑龙江省农业水土资源时空匹配格局。结果表明,黑龙江省农业水资源和土地资源空间分布不均匀,水资源量大致呈现东西两侧贫乏,中部和西北部丰富特点,而耕地面积大致呈现东西两侧较多,中部和西北部较少特点;农业水土资源匹配系数时空差异较大,全省仅大兴安岭地区、伊春市、鹤岗市和牡丹江市多年平均农业水土资源匹配系数超过全省平均值1.79×104m3·hm^(-2);不同年份黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数呈现一定波动性,但波动性不大,最大值和最小值相差仅0.1903,多年平均农业水土资源匹配基尼系数为0.4687,属于匹配较差。随时间推移,黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数具有明显先增后降趋势,2008年达到最大值0.5307,随后减小。研究结果对保障区域粮食生产和提高农业水土资源利用效率具有重要理论意义和实践价值。

三江平原年降水量1959-2013年演变趋势及突变分析

以三江平原1959-2013年降水量数据为基础,采用逐一增减法和Mann-Kendall突变检验等方法,研究了三江平原近几十年来年降水量的长期演变趋势和突变特征。结果表明:三江平原年降水量下降趋势特征不明显,气候倾向率为-0.5mm/a,年际逐一增减对降水量趋势影响突出,验证了特殊年份降水量对总体变化趋势具有较大的影响;三江平原年降水量可分为1986年以前的下降期,1986-1998的上升期和1998年以后的下降期等3个阶段,突变点分别为1960、1981、1994和2008年。

区域月降水量周期特征及影响因子分析

以三江平原粮食主产区—佳木斯地区1959-2014年月降水量和月平均气温、日照时数、平均相对湿度、平均风速和平均气压等数据为基础,采用小波变换、多元线性回归等方法分析了佳木斯地区1959年以来月降水量的周期特征以及与其影响因子之间的关系。结果表明:佳木斯地区月降水量具有明显的3个主周期,分别为12、288和480个月;影响月降水量的主要影响因子为平均相对湿度和平均气温,其次为平均气压和日照时数,最后为平均风速。研究成果可为三江平原粮食主产区雨水资源高效利用提供理论依据。

基于AHP的方正县农民用水户协会影响因素评价研究

近几年来,随着水田面积的增加,方正县农民"争水抢水"现象日益严重,极大地影响了农村用水次序,增加了民事纠纷,不利于农村和农民生活的稳定。而农民用水户协会作为一个民间性的群众组织,能够增强用水户的节水意识,规范用水管理,增加水事活动透明度,切实维护灌溉秩序,保障灌溉安全,这对促进农业发展、农民增收、维护农村社会稳定具有十分重要的意义。以黑龙江省方正县为例,采用层次分析法(AHP)对农民用水户协会影响因素进行分析和排序,研究成果能为方正县乃至黑龙江省农民用水户协会的建立和管理提供科学依据。

农业水土工程学科研究生创新能力不足成因分析

创新能力培养是研究生教育的核心环节。结合农业水土工程学科研究生创新能力培养的实践,从学校层面、导师层面、学生层面等方面对研究生创新能力不足的成因进行了分析,旨在为农业院校农业水土工程学科研究生创新能力培养提供帮助。

北方寒区冬季土壤蒸发量主要影响因子评价

为解决冬季土壤蒸发影响因子之间存在的多重相关性问题,以哈尔滨地区为例,采用主成分分析法对2008年11月至2009年3月的相对湿度、水汽压、气压、风向、风速、地面温度和气温等7个主要影响因子进行了分析评价。结果表明:哈尔滨地区冬季土壤蒸发量的变化是众多影响因子综合作用下相协调的结果。其中地温、气温、气压和水汽压是主要影响因素,研究结果为哈尔滨地区制定灌溉制度提供了参考依据。

基于博弈论赋权的灌溉用水效率GRA-TOPSIS评价模型

在构建区域灌溉用水效率综合评价指标体系的基础上,运用博弈论(Game theory,GT)思想将层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)所得主观权重与改进熵值法(Improved entropy value method,IEVM)所得客观权重进行综合集成以获取组合权值,并将灰色关联分析(Gray relation analysis,GRA)与逼近理想解排序(Technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)相结合,以三江平原10个大型灌区为例进行验证,对区域灌溉用水效率作综合评价。采用Spearman等级相关系数检验灌溉水有效利用系数排序与GRA-TOPSIS法排序,得到的相关系数高达0.863,且GRA-TOPSIS法、GRA法、TOPSIS法对同一灌区综合排序的位次相差均不超过2,表明评价结果具有合理性和一致性;GRA-TOPSIS法所得综合值的极差为0.343,变异系数为0.267,均高于单独使用GRA法或TOPSIS法的极差与变异系数,更有利于对灌区灌溉用水效率进行辨识分区。此外,根据目标层与准则层排序差异度将灌区分为3类,辨识各灌区灌溉用水效率主控因子,对区域灌溉用水效率发展策略的制定具有参考价值。

水足迹视角下黑龙江省粮食生产用水分析

运用水足迹理论,计算黑龙江省各地区2007—2012年的粮食水足迹,分析其粮食作物用水情况。结果表明:黑龙江省粮食生产用水量巨大,粮食作物灌溉用水量存在逐年增加的趋势,用于粮食生产的灌溉用水量占黑龙江省水资源消耗量的绝大多数。黑龙江省各地区的粮食水足迹在空间分布上存在显著差异,大体上呈东北部高,西南部低的趋势;粮食蓝水足迹明显低于绿水足迹,粮食生产对绿水的依赖度较高。黑龙江省粮食水足迹整体上小于单产需水量,部分地区粮食作物生产过程中缺水现象严重。空间自相关分析显示,黑龙江省2007—2012年的粮食绿水足迹和蓝水足迹均存在相似值之间的空间聚集性。黑龙江省农垦总局的粮食产量较高,但粮食蓝水足迹比例较高,粮食生产比较依赖灌溉水资源,水资源消耗量较大。由于2009年粮食作物单位面积产量显著降低,使得2007—2012年被分成2007—2008年和2009—2012年2个不同的时期,粮食水足迹在2个时期均存在逐年降低的趋势,粮食生产的用水效率逐年升高。

北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。

季节性冻土区不同时期土壤剖面水分空间变异特征研究

为解决季节性冻土水分在冻融过程中迁移复杂性及空间非均一性的定量化描述困难问题,以季节性冻土区土壤剖面水分为研究对象,运用地统计学的理论与方法对季节性冻土区不同时期土壤剖面水分的空间变异特征进行研究。结果表明,不同时期土壤剖面水分具有良好的空间结构及较强的空间相关性;季节冻融过程削弱土壤剖面水分的空间相关性,并且对土壤含水量具有强烈的空间重分布作用。地统计学理论与方法的应用可为季节性冻土区土壤冻融过程中水分运移机理的研究提供一种新的思路和方法。

积雪覆盖下土壤热状况及其对气象因素的响应研究

为研究季节性冻土区在积雪覆盖条件下,土壤温度变化趋势及气象因素对土壤热状况的影响,以野外实测试验数据(2013年11月8日—2014年4月28日)为基础,分析裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖条件下5、10、20、40、60、100、140 cm深度土壤温度变化特征,采用灰色关联度分析的方法筛选出影响土壤热状况的主要气象因素,进而统计土壤温度与气象因素之间的相关关系。结果表明:积雪的存在阻碍了环境与土壤之间的能量交换,引起土壤温度和土壤冻融过程的差异;随着积雪覆盖深度的增加,土壤的冻融日期会出现延迟现象,土壤温度相对稳定在较高水平,并且地、气之间温差增大;冻融过程中土壤温度变化的主要影响因素为环境温度,积雪覆盖使得气象因素与土壤温度的关联度减弱。

基于区间多阶段随机规划模型的灌区多水源优化配置

灌区多水源灌溉系统中存在许多不确定性因素,随着系统环境的变化及不确定性因素的影响,导致其配水过程具有动态特征。针对灌区多水源灌溉系统的配水特点,该文建立基于区间多阶段随机规划的灌区多水源优化配置模型。同时,考虑灌溉水对作物产量的影响,引入水分敏感指数权重系数,并以黑龙江省和平灌区水稻不同生育阶段灌溉水资源优化配置进行实例研究。结果表明,在不同来水情境下,管理者可根据各个生育阶段水分敏感指数权重系数,判断作物不同生育阶段的需水敏感程度,当来水情境的来水量多时,会产生余水量,可调配给下一生育阶段;当来水情境的来水量少时,管理者可在减少灌溉水量与增加外调水之间进行权衡,并根据需水关键期与需水非关键期做出决策,使水资源在作物生育阶段间及作物生育阶段内进行分配,实现灌区多水源灌溉系统的动态配水。该模型的应用在确保作物产量的同时,使灌溉水资源在作物各个生育阶段进行合理配置,有效地避免了水资源浪费,对提高灌溉水利用效率、保证水资源的可持续利用具有重要意义。

秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响

以北方高寒区典型城市哈尔滨市为研究区域，通过冬季大田试验（试验周期 2013-11-01—2014-04-30），设置自然无覆盖、覆盖秸秆厚度 5、10、15cm4 个处理，分别测定不同处理下 20、40、60、100、140、180cm深度土壤液态含水率以及气象数据，分析季节性冻融期秸秆覆盖对土壤水分变化特征的影响。研究结果表明：秸秆覆盖使0-60cm 土层内液态含水率增加或减小的时间拐点发生延迟，随着秸秆覆盖厚度的增加其延迟效果越明显，但土壤冻结期的延迟效果比冻土融化期明显；秸秆覆盖阻碍了冻土融化初期融雪水入渗，使自然无覆盖处理液态含水率在20、40、60cm 土壤深度出现短暂的峰值，而在冻土融化末期秸秆覆盖抑制了土壤水蒸发，使各秸秆覆盖处理液态含水率在 20、40、60cm 土壤深度又高于自然无覆盖。秸秆覆盖可有效平抑冻融期 0-60cm 土层土壤液态含水率的变化幅度，且随着土壤深度的增加其平抑效果具有减弱趋势；积雪融水和秸秆覆盖的双重作用能够有效增加土壤墒情，但其增墒能力随着土壤深度的增加而降低，不同秸秆覆盖处理对 0-60cm 土层的平均增墒能力由大到小排序依次为：15、10、5cm。

考虑风险价值的不确定性水资源优化配置

保障区域农业用水的可持续发展,对水资源进行优化配置至关重要。由于粮食主产区水资源配置过程中存在许多不确定性因素,在追求最小用水成本时,也存在着较大的风险,因此该文以三江平原涵盖的七台河、佳木斯、双鸭山、鹤岗和鸡西5个重要粮食主产区为研究区域,以区间两阶段随机规划模型为基础,引入风险偏好,构建地表水和地下水优化配置模型。结果表明,双鸭山和鸡西的配水过程中地表水缺水量很大,主要开采利用地下水;佳木斯作为粮食生产面积较大的行政区,需要外来水进行补给;七台河和鹤岗的种植面积较小,综合考虑引水成本和粮食收益,引用较少的外来水来降低成本;最后得出不同来水水平下,各种风险偏好下水资源优化配置的最小成本的变化规律,即在低来水水平下,用水成本从344.2×108~355.4×108元增加到411.5×108~430.7×108元;在高来水水平下,总用水成本从422.5×108~435.3×108元降低到351.7×108~365.3×108元;在中来水水平时,总用水成本则呈现出先增加后减少的规律。该模型兼有区间两阶段和风险价值模型的特点,综合衡量成本和风险,可有效节约用水成本,并能增强水资源系统规避风险的能力,并以佳木斯2014年实际用水为例,计算得到相对误差在15%以内,较为真实地反映水资源优化配置过程中的不确定性和风险性,为提高水资源利用效率和区域水资源规划管理提供依据。