中国土壤信息共享研究——1:400万中国土壤分布式查询数据库

基于INTERNET网络的信息高速公路的开通,为土壤资源信息网络化和共享提供基础条件,从而避免低水平的重复投资、重复建设,充分发挥土壤信息在国家建设、农业发展、生态环境保护、资源合理利用、科学研究和国内外同行学术交流中的作用。本研究利用当前世界上最流行的客户端/服务器,分布式查询的网络通信模型,以标准化的土壤信息为基础,采用先进的 Web GIS、ASP和Frontpage等网页编辑和发布技术去达到并实现 1:400万中国土壤空间信息和属性信息的分布式动态查询、静态查询和远程用户进行图形查询与编辑的目的。通过本项目的研究为促进中国土壤信息的标准化、规范化和网络共享提供了理论与方法论。

土壤数据对分布式流域水文模型模拟效果的影响

基于空间半分布式的SWAT模型和全分布式的WetSpa Extension模型,分析了高分辨率的SoLIM数字土壤数据和美国SSURGO传统土壤数据对流域径流空间分布式模拟和总量模拟的影响。结果显示:利用不同土壤数据得到的产水模拟结果在空间上差别明显,但模拟径流总量的差别随着模拟面积的增大而逐渐减小。根据实验结果,对于注重空间分布的模拟目的,需要较详细输入数据的支持;对于总量模拟,则可随模拟面积的增大而适当放宽对输入数据分辨率的要求。

大中流域尺度分布式土壤侵蚀学坡长提取的数据分片方法

流域坡长提取过程中如何划分数据单元,是大区域范围内高效提取坡长的关键问题之一。以地形比较平缓的东北漫岗丘陵区和地势比较陡的黄土丘陵区为样区,将每个样区9个1∶25万标准图幅的DEM拼接为一个数据单元后,分别以中等流域和带缓冲带的标准图幅为单元提取坡长,从提取结果的图形、统计特征和工作效率等方面进行对比分析。结果表明:1)根据流域分布式土壤侵蚀学坡长的含义和提取算法,流域坡长提取的基本数据单元是DEM上可以辨认的、具有水文地貌意义的最小流域(最小有效流域,WME);当工作区域范围远大于WME的面积时,WME最外围流域边界的连线(BNDWME)将接近于矩形;2)对矩形数据区域(如标准图幅)的数据范围做进行适当外扩,即可避免不完整流域带的影响,并以标准图幅为数据单元提取完整的流域坡长;3)在比较平缓和比较陡的丘陵区,不完整流域带(即数据缓冲宽度)分别为3 km和5 km。大区域坡长提取中,根据数据缓冲宽度对矩形数据进行缓冲后,可直接用矩形数据提取坡长。该研究为大区域流域坡长提前中以标准图幅或者规则矩形数据块为单元的高效快速提取提供了依据。

考虑重力侵蚀影响的分布式土壤侵蚀模型

黄土高原地区的土壤侵蚀具有水力侵蚀和重力侵蚀相伴发生的特点,在大多数针对黄土高原的侵蚀模型研究中未考虑重力侵蚀的影响,使得模型的模拟精度较差。针对黄土高原的侵蚀特点,采用量化影响重力侵蚀发生的主要因素,确定重力侵蚀发生的具体沟道栅格单元的方法,从而考虑了重力侵蚀对产输沙过程的影响。所建立的分布式土壤侵蚀模型以逐网格汇流的水文模型为基础,采用逐网格侵蚀输沙的模拟方式,能够模拟上方来水来沙对侵蚀输沙的影响。经小理河流域实测资料验证,模型具有一定的计算精度。

基于GIS的次降雨分布式土壤侵蚀模型构建——以晋西王家沟流域为例

利用野外试验小区观测与人工模拟降雨资料,在定量分析羊道沟小流域坡面—沟坡—沟道侵蚀产沙关系基础上,建立了羊道沟小流域侵蚀产沙模型。借助GIS技术,将王家沟小流域划分为40个沟间地、40个沟坡地及它们组成的40个子流域和一个输水输沙通道。通过对比分析每个子流域降雨、地貌、治理、植被覆盖、耕作措施和土壤6个主要侵蚀产沙影响因子与羊道沟小流域各因子的关系,得到王家沟各子流域相对于羊道沟小流域侵蚀产沙模型相应参数的修正系数,结合王家沟流域主沟道泥沙输移关系,建立了王家沟流域次降雨分布式侵蚀产沙模型。利用王家沟流域1963—1968年22次天然降雨资料,对模型进行检验,结果较为理想,预测精度达到55%。

黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型研究

以侵蚀动力学、地貌学、水文学、泥沙运动力学的理论为基础,以黄河多沙粗沙区岔巴沟流域为研究区域,以地理信息系统为平台,构建了黄河多沙粗沙区小流域分布式土壤流失数学模型,可用于计算小流域梁峁坡、沟坡和沟槽三部分的土壤流失量,并达到了产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合;提出了当量糙率系数的概念,初步解决了定量表达水土保持工程对产汇流的影响,使模型具备了预测评价不同水土保持治理方案效益的功能;利用3S技术实现了土壤流失预测模拟信息系统的自动提取。通过对岔巴沟流域和杏子河流域土壤流失实测资料的验证表明,本模型能基本正确反映黄河多沙粗沙区流域土壤流失规律。

分布式土壤风蚀模拟与应用

流域农业节水措施的大规模实施,直接影响到农田作物根系层含水率及其时空分布,而土壤水分是影响土壤风蚀的一个重要因子,农业节水是否会对流域土壤风蚀产生明显影响,已成为评估流域节水成效的重要指标。基于前期开发的分布式水资源分配与水循环模拟模型(WACM),本文开发土壤风蚀模拟功能,构建一个基于过程的、连续的、以日为时间尺度的分布式土壤风蚀模拟模型,可以模拟现状以及气候变化、人工供用水和农业耕作等影响下区域土壤风蚀过程。利用该模型,反演了徒骇马颊河流域1991—2005年15年系列流域土壤风蚀过程,模拟发现流域15年平均土壤风蚀模数为1.217kg(/m2.a),整体处于轻度侵蚀区,但部分年份和部分地区的土壤风蚀非常严重,1991年流域土壤风蚀强度达到中度,而流域中山东夏津等地区多年平均土壤风蚀也达到中度侵蚀。最后初步定量分析了大规模节水措施的实施对流域土壤风蚀的影响,结果表明大力节水对流域整体土壤风蚀影响较小,但对部分地区的土壤风蚀有较大影响。

复杂侵蚀环境下分布式土壤流失水动力学模型——以黄河多沙粗沙区为研究实例

以黄河多沙粗沙区为研究对象,基于实体模型试验对黄土坡面-沟道系统侵蚀产沙机理的认识,根据侵蚀动力学、水文学、泥沙运动力学的基本理论,以地理信息系统为平台,研发了复杂侵蚀环境下的分布式土壤流失水动力学模型;揭示了植被作用下坡面-沟道系统侵蚀产沙耦合规律;认识到坡沟产沙之间具有内在的自调控关系;提出了当量糙率的概念;建立了基于G IS的分布式土壤流失水动力学模型;构建了基于ArcG IS平台的支持系统,实现了G IS与土壤流失模型、产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合。通过实例验证了模型对于中尺度流域土壤流失的模拟亦有较满意的精度。

蓄水容量曲线设定分布式霍顿模型土壤含水量初值

分布式水文模型对土壤含水量的空间描述能力对土壤墒情模拟、分布式输出等具有重要的意义。但分布式水文模型的土壤含水量空间分布计算,需耗费大量的计算资源。为了提高分布式模型的计算效率,从定性的理论分析和定量的数据比对2个方面,证明蓄水容量曲线和分布式模型中逐单元土壤含水量序列的相关关系,并建立了二者之间的转换公式,据此可以将面平均的土壤含水量转换为空间分布的土壤含水量。用离散蓄水容量曲线法设置分布式模型的土壤含水量初值,并与传统模型预热法进行比较,结果表明两种方法得到的土壤含水量空间分布总体趋势完全一致,次洪模拟效果相同,并且节省了大量的计算资源,极大地提高了分布式模型的计算效率。

土壤水蚀分布式预报模型研究述评

随着对土壤水蚀形成过程及其模拟研究的深入,侵蚀预报模型已由经验模型、物理过程模型向分布式模型发展。重点介绍了几种国外具有代表性的分布式水蚀模型,并对国内土壤水蚀分布式模型的研究现状进行了评价,指出了目前我国模型研究中存在的问题,以及建立我国土壤侵蚀预报模型所必须开展的研究工作和需要解决的科学问题。

水蚀流域土地覆被格局土壤保持能力空间分布式评价

以丹江口水库以上的汉江流域为例,利用植被覆盖度、坡度加权的上游有效汇流面积空间分布型式和驱动-阻力耦合空间分布拟合函数2个指标,评价水蚀流域土地覆被格局土壤保持能力,并基于研究区14个子流域水文站泥沙资料进行验证。结果表明:汉江干流沿岸河谷盆地和丹江口水库周边丘陵区子流域是研究区城镇和农田的主要分布区,植被覆盖度低,距离汉江较近,当前覆被格局土壤保持能力相对较低,是河流泥沙的主要直接来源地;有效汇流面积空间分布型式和驱动-阻力耦合空间分布拟合函数能有效反映流域泥沙输出,可作为评价流域土地覆被格局土壤保持能力的指标。该评价方法基于土地覆被格局与土壤侵蚀的作用机制,简单易行,可为评价土地覆被格局土壤保持能力、土地覆被格局变化的土壤侵蚀效应提供一种简捷的途径。

分布式无线土壤湿度监测系统的设计

设计了一种分布式无线土壤湿度监测系统,由多个从机和一个主机组成。从机负责测量点土壤湿度数据的采集,装置分布安装在一片待测土壤的多个测量点中,主机负责土壤湿度数据的收集和显示。主机和从机之间是无线双向通信。系统包括土壤湿度信息采集、无线模块、按键控制以及显示模块等部分。系统可以对一片土壤的湿度进行同时监测,其结构简单、使用方便,具有小型化、可视性好等特点,同时采用无线方式,无需馈线连接,主机和从机可以随时移动,可扩展性好。

分布式土壤侵蚀模型研究概述

分布式模型是近年在经验统计模型和物理过程模型的基础上发展起来的土壤侵蚀模型。本文分析了几种分布式侵蚀模型的特征及物理过程,对其中的网格划分、网格单元侵蚀量的计算、流域出口侵蚀量的计算、模型参数的采用等主要技术环节进行了讨论,并展望了今后的研究方向。

基于C-DTS的土壤含水率分布式测定方法研究

基于碳纤维加热光缆的分布式测温系统(简称C-DTS),提出了一种土壤含水率分布式测定方法。该方法采用C-DTS测试系统,对埋设在土壤中的碳纤维加热光缆的温度变化进行测定,利用其升温过程中的温度特征值与含水率之间的关系进行分布式测定土壤中的含水率。定义了温度特征值Tt,通过试验证明了Tt与含水率w之间存在线性关系,相关参数可通过标定试验确定。试验结果表明:采用碳纤维光缆人为加热的方法,可有效地测定土壤含水率;而DTS技术的应用,可实现土壤含水率分布式测量;此方法的测量精度与温度特征值的选取有关。

基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法

为探讨加热光纤分布式温度传感技术测量土壤含水率不同方法的可行性,通过室内土槽试验,加热埋设于砂土的碳纤维光纤,利用分布式温度传感器测量不同含水率下沿光纤的温度变化,建立最大升温值、累积升温值和热导率与土壤含水率的关系,并比较这3种方法推求土壤含水率的测量精度。结果表明,光纤的温度波动随采样间距的增大或时间间隔的增大均减小,合理的采样间距和时间间隔设置能控制温度波动小于±0.1℃。在低(0~0.1 m^3/m^3)、中(>0.1~0.2 m^3/m^3)和高(>0.2~0.35 m^3/m^3)3个含水率水平,热导率法的测量精度均高于最大升温值法和累积升温值法,并且3种方法的测量精度均随含水率增加而降低;热导率法的均方根误差为0.015 m^3/m^3,低于最大升温值法(0.038 m^3/m^3)和累积升温值法(0.050 m^3/m^3)。研究对高时空分辨率精确获取田间尺度土壤墒情信息发展精准农业具有重要意义。

分布式水文模型中多源数据的应用

长江为中国的第一大河流，全长6300km，呈东西长、南北短的狭长形；流域地形复杂，地区气候差异明显；流域内降水充沛，但分布很不均匀；中下游水系复杂，洪水威胁十分严重，洪灾频繁。2002～2004年长江水利委员会与瑞士政府合作开展“长江防洪预报援助项目”，引进分布式水文模型PREVAH和遥感、地理信息系统等，开展了基于遥感、地理信息系统的分布式水文模型在长江三峡地区的试验研究。以PREVAH为例，简单介绍了该模型的基本框架，重点介绍了分布式水文模型对空间数据、气象数据、水文数据等多元信息的应用，对提高水文模型中多元数据应用水平、改善预报精度具有较大的借鉴和参考价值。

基于分布式水文模拟的流域土壤水分时间稳定性分析

针对大范围地面土壤水监测会耗费大量人力物力等问题,为了获取密度较高同时又准确可靠的流域土壤水数据用于时间稳定性分析,寻找可以反映流域土壤水平均状况的代表性点,利用分布式水文土壤植被模型(DHSVM)模拟淮河黄泥庄水文站以上小流域293个采样网格上、中、下三层土壤含水量数据。结果显示:垂向方向上,黄泥庄流域土壤水分时间稳定性随深度递减;流域上层和中层具备时间稳定性特征的代表性点具有较高的一致性,易发生于流域主要土壤和植被类型覆盖区域,在此区域布设测点观测土壤水,可以更准确快速地捕获代表黄泥庄流域上层和中层平均土壤水分特征;采样点7、17和215可作为上、中层土壤的流域平均土壤水代表性点,利用它们预测流域土壤水平均值,可降低观测成本。研究成果可为流域土壤水监测方案设计提供参考。

农田土壤湿度分布式监控系统的设计与实现

随着国家农业现代化的逐步实施,为了实现农田精细耕种,农田信息监控越来越重要。本文介绍了一种高效的农田土壤湿度分布式监控系统的设计与实现,为农田灌溉控制的现代化、智能化、精准化提供了重要的手段。

基于DEM的分布式流域水文模型及应用

提出了一个基于数字高程模型(DEM)的分布式流域水文模型,主要用来模拟湿润地区的蓄满产流机制。通过建立土壤蓄水能力和地貌指数的关系来描述蓄水能力的空间分布。坡面流流向采用多向流法来决定。应用结果表明,该模型模拟流量过程的精度较高,与三水源新安江模型、TOPMODEL基本相当;而且模拟的土壤蓄水量的空间分布也基本符合水文规律。

喀斯特流域分布式水文模型及植被生态水文效应

根据喀斯特流域多孔介质与裂隙水流特征,建立了达西流、裂隙渗流与槽蓄汇流演算相结合的混合汇流演算模式,实现了对分布式水文-植被-土壤模型(DHSVM)的改进。利用贵州普定喀斯特生态水文试验站陈旗小流域观测资料,对模型计算的流量过程及植被截流、蒸散发及土壤含水率时空分布进行验证。结果表明,模型能较好地模拟喀斯特流域陡涨、陡落的流量过程。同时,模型能模拟出土壤含水率、实际蒸散发与降雨、下垫面岩溶裂隙、植被覆盖的响应关系,对分析中国南方喀斯特地区下垫面变化条件下的生态水文效应具有重要意义。