基于随机森林的电容式土壤水分传感器校准研究

土壤含水量信息对于自然生态修复、农田灌溉管理、土体工程建设等具有重要的意义,电容式土壤水分传感器是获取该信息的主要途径之一。为准确校准电容式土壤水分传感器(以5TE设备为例)的土壤含水量观测数据,开展了不同温度、含盐量、土壤含水量条件下的土壤介电常数、电导率和温度观测实验,构建了基于随机森林机器学习方法的土壤含水量估计模型。结果表明:①变温、变含盐量情况下,土壤介电常数受含盐量和温度影响显著,仅基于土壤介电常数的传统土壤含水量估计模型失效;②以电容式土壤水分传感器观测的土壤介电常数、电导率和温度数据为输入,基于随机森林机器学习方法的土壤含水量估计模型可有效改善土壤含水量估计结果(RMSE为0.05 m^(3)/m^(3),R^(2)为0.77;修正Topp公式的土壤含水量估计结果:RMSE为0.07 m^(3)/m^(3),R^(2)为0.54);③土壤电导率观测对土壤含水量估计最为重要,介电常数次之,温度最弱,但均未达到可忽略不计的程度。研究成果可为电容式土壤水分传感器在变温、变含盐量地区的成功应用提供支撑。

高寒山区典型小流域河流溶解性有机碳输出的年内变化及其成因

高寒山区河流溶解性有机碳(DOC)的输出可能有别于北极、亚北极地区,但却少有人研究。选取青藏高原黑河上游的典型高寒小流域——葫芦沟流域为研究对象,通过流域出口处河水DOC浓度的连续观测,分析了河水DOC输出的季节性变化规律,并探讨了流域水文过程对河水DOC输出的影响。结果表明:河水的DOC通量与河道径流量的变化趋势一致,从冬季至春季逐渐降低,夏季急剧增高,秋季又逐渐降低;河水DOC浓度的变化则恰好相反,冬季时最高,春季时略有下降,夏季时急剧降至最低值,秋季再次增高;河水DOC的输出主要集中在夏、秋两季,7~11月份的输出量占河水DOC年输出总量的80%。各水源和流动路径对河水贡献比例的变化是导致上述季节性差异的深层机制:在夏季,低DOC浓度的冰川融水和山区产流对径流有更高的贡献,故河水具有较低的DOC含量,但因其流量远高于其他季节,故DOC通量为全年最高;秋季至初冬,高DOC浓度的寒甸带冻土层上水对径流贡献比例逐渐增大,导致河水的DOC浓度增高;冬季时,河水全部源于秋季时储存在平原区含水层中的高DOC浓度的地下水,故河水的DOC浓度最高;春季中后期,除秋季时储存起来的地下水外,具有较高DOC浓度和极低溶解性无机碳(DIC)浓度的寒甸带融雪水对河水也有一定贡献,故河水DOC浓度变化不大,但其DIC浓度明显降低。

敦煌盆地地下水水化学特征及水质评价

通过对敦煌盆地38个地下水样品的采集和测试,运用描述性统计法和因子分析法对地下水的化学特征及其成因进行了分析。在此基础上,利用美国农业部(USDA)评价方法和Wilcox图解法对地下水质进行了评价。研究结果表明:敦煌盆地浅层地下水中主要阳离子为Ca^(2+)、Na^+、Mg^(2+),主要阴离子从补给区→径流区→排泄区由HCO_3^-→SO_4^(2-)→Cl^-转换;深层地下水中阳离子以Na^+、Mg^(2+)为主,阴离子主要为Cl^-、SO_4^(2-)、HCO_3^-,且三者含量较为接近;影响盆地内地下水化学特征的主要因素为蒸发浓缩作用和矿物的溶解作用;水质评价结果显示,可作为农作物灌溉用水的水样约占总水样的26.3%,分布在党河洪积扇扇顶补给区、扇中与扇缘径流区和盆地东南部细土平原径流区。

基于水稳定同位素的地下水型陆地植被识别:研究进展、面临挑战及未来研究展望

地下水型陆地植被具有重要的生态服务功能,但正遭受严重威胁,亟需在水资源管理中予以关注和保护.准确识别地下水型陆地植被是其管理和保护的前提.水稳定同位素方法是识别地下水型陆地植被的唯一直接方法,其中:①直接比较法只能获得植物对地下水利用的定性信息,但目前的应用最为广泛;②同位素混合模型能定量评估植物对地下水的依赖性,近期随贝叶斯模型的引入取得了较大进展.当前,植物对地下水利用的时空异质性增加了基于水稳定同位素的地下水型陆地植被的识别难度,还限制了小尺度上的研究成果向大尺度上的拓展;部分植物以间接方式利用地下水,对地下水型陆地植被的识别造成了困扰;根系吸水过程中的同位素分馏和同一植株内木质部水同位素组成的时空异质性常使植物样品的代表性受到质疑;采集到具有代表性的地下水和土壤样品也是当前面临的一个主要挑战.为应对上述挑战,未来应加强3个方面的研究:①研发植物木质部水同位素组成的原位在线连续观测技术,提升基于水稳定同位素的地下水型陆地植被识别的时空分辨率;②借助控制性的同位素标记实验,精细刻画地下水-土壤-植物体系内同位素体的迁移和分馏过程;③将同位素观测与具有物理学意义的生态水文模型相耦合,提高定量评估的分辨率和降低不确定性,探索解决时空异质性和升尺度难题的途径.

西北典型内陆流域地下水与湿地生态系统协同演化机制

以生态输水为代表的湿地修复工程在西北内陆流域得到了广泛应用,生态输水情形下地下水与湿地植被的交互作用决定着湿地生态系统的演化过程。以西北典型内陆流域—石羊河流域青土湖湿地为研究区,基于地下水-湿地生态系统多要素一体化动态监测网络,结合稳定同位素和卫星遥感技术手段,分析生态输水情形下的地下水动态变化与湿地植被恢复情况,从水文地质角度揭示地下水与湿地生态系统的协同演化机制。结果显示:夏季末和秋季生态输水时,湖水补给地下水且土壤含水率增大,最大土壤含水率可达0.45 m^(3)/m^(3);冬季湿地湖面和表层土壤冻结,湖水对地下水补给量减少,春季冻土和湖面消融导致地下水略有回升,同时增大土壤含水率;夏季在下次生态输水前湖面面积最小(湖面面积最小约为1 km2,地下水水位最大埋深为3.6 m),部分区域地下水补给湖水,此时表层土壤含水率也最低(最小土壤含水率为0.01 m^(3)/m^(3));夏季末和秋季生态输水通过将生态水储存在地下水和土壤中进而作用于次年的植被恢复与生长,增大生态输水所形成的湖面面积有助于增加湿地植被覆盖度(相关系数均值为0.655);湿地地表水-土壤-地下水相互作用所形成的土壤水环境是影响湿地植被类型、根系分布和水分利用策略的主要原因,其中地下水埋深是关键性因素,地下水埋深增大导致植被类型增多、根系分布深度加大、倾向于利用深层土壤水。研究成果可为西北内陆流域湿地生态系统恢复和水资源高效利用提供科学依据。

高寒山区河水与地下水相互作用的温度示踪:以黑河上游葫芦沟流域为例

高寒山区的地表水与地下水相互作用的定量研究对水资源的评价及管理等具有重要意义,而目前在高寒山区开展的地表水与地下水相互作用的定量研究相对较少.以黑河上游葫芦沟流域为研究区域,采用温度示踪方法对高寒山区河水与地下水的相互作用进行了研究,并对温度示踪方法在高寒山区的适用性进行了讨论.监测了研究区两个时段的地温、河水水位、地下水水位以及河床沉积物底部不同深度处的温度,并对温度系列数据进行定量分析,计算了不同位置处河水入渗流速.结果表明:研究区河水水位普遍高于地下水水位;河床底部温度在9月份整体低于7月;流速计算结果表明监测时段内主要为河水入渗补给地下水,入渗速率整体介于2×10^(-6)～5×10^(-5) m/s.温度示踪法在高寒山区的适用性分析表明:在地下水受多途径补给时,温度示踪法仅指示河水对地下水的补给,而其他水源对地下水的补给还要通过同位素方法和数值模拟等其他手段进行计算.影响高寒山区河水对地下水补给的因素主要有:河水与地下水水位、河床沉积物的水力传导系数与热容.