基于集合卡尔曼滤波同化方法和HYDRUS-1D模型的土壤水分模拟

研究建立了一个基于集合卡尔曼滤波方法和HYDRUS-1D模型相结合的数据同化方案,利用2021年4月26日—10月5日内蒙古巴彦淖尔五原站0~80 cm的土壤水分观测数据进行模拟验证,以提高土壤水分的模拟精度。结果表明:(1)集合数大小和观测误差的选取对同化系统性能有较大影响。集合数在100以上,土壤含水量的同化精度不再有明显提高。观测误差越小土壤水分模拟精度越高,因此观测误差为0.025时的同化精度最高。(2)数据同化后,各层土壤水分模拟精度较同化前均有明显提高,各层土壤水分同化值与观测值间的相对误差、均方根误差、平均绝对误差分别减少至0.025~0.063、0.01~0.017 cm^(3)·cm^(-3)、0.008~0.016 cm^(3)·cm^(-3)。证明数据同化方法能够有效改善土壤水分模拟效果。(3)0~20 cm土壤水分同化效果最好,20~40 cm次之,40~80 cm土壤水分同化效果较差。模拟精度分析值优于同化预报值,同化预报值优于HYDRUS-1D预报值。

考虑下界面水分通量的棉田土壤水分模拟研究

考虑根系层下界面水分通量,以根系层土体水量平衡方程为依据,构建了棉田土壤水分模拟模型。用2006—2008年山西省水利职业技术学院灌溉试验基地棉花生长季的土壤水分观测数据,对该模型进行参数确定和试验验证。结果表明:采用的根系层储水量模型的模拟计算值与实测值吻合较好,其相关系数达到0.916 3,F检验结果达到显著水平。模型用于其他地区时,土壤供水系数、作物系数和下边界通量等具体参数必须通过田间试验获得。

土壤水分模拟与墒情预报模型研究进展

土壤墒情预报是在土壤水分模拟模型的基础上对农田耕作层土壤水分的增长和消退程度所进行的预报。墒情预报是灌溉预报的基础 ,对于水资源短缺条件下农田水分的合理调控具有重要意义。墒情预报模型可以分为确定性模型与随机性模型两大类 ,其中确定性模型包括水量平衡模型、土壤 -植物 -大气连续体 (SPAC)水分传输模型、SPAC水热耦合传输模型等 ,随机性模型包括数理统计模型 (包括回归模型、时间序列模型、人工神经网络模型等 )、随机水量平衡模型与随机土壤水动力学模型等。本文对各类墒情预报模型进行比较 。

基于HYDRUS-1D的城市草地土壤水分模拟——以扬州市人工草地为例

[目的]研究城市化背景下草地土壤水分运动规律,为提升海绵城市建设水平提供科学依据和技术支撑。[方法]以江苏省扬州大学扬子津校区农水与水文生态试验场的人工草地为研究区,利用实测降雨和同期土壤含水量数据对不同降雨事件下的雨水入渗深度进行分析。通过HYDRUS-1D模型对研究区土壤含水量变化过程进行模拟。[结果]在小雨(<10 mm)和中雨(10~25 mm)事件中,研究区草地的雨水入渗深度分别小于15 cm和30 cm;在大雨(25~50 mm)到暴雨(>50 mm)事件中,雨水入渗深度通常超过30 cm,或可达60 cm以上;土壤含水量模拟值与实测值的均方根误差范围为0.012~0.034 cm 3/cm 3。[结论]不同等级降雨事件下的草地雨水入渗深度存在明显差异,入渗深度总体上随着降雨量的增加而增加;HYDRUS-1D模型能够准确模拟不同等级降雨事件下的城市人工草地区雨水入渗深度。

基于最小二乘向量机土壤水分动态模拟与分析

土壤水分动态的模拟对水分循环与农业生产中水分的合理利用与管理具有重要的意义。应用最小二乘支持向量机对加入气象因子随机变量的红壤中土壤水分动态变化进行了训练、检验及模拟。结果表明,最小二乘支持向量机相比与神经网络方法不论是模拟性能指标还是建模的数学意义都有更好的可靠性和优越性;本研究应用最小二乘支持向量机对土壤水分动态日变化进行了模拟,并采用bior 3.3小波函数5层分解提取日变化趋势图进而把该研究区土壤水分日变化划分为4个阶段,其结果可为研究区水分合理利用和土壤墒情的预测预报提供科学依据。

灌溉方式对土壤中水分运动影响的模拟研究

在温室生产中,作物需要的水分主要依靠滴灌和喷灌方式供给,为了解在不同灌溉方式下土壤中水分运动的规律,以Navier-Stokes方程为框架、运用CFX流体动力学分析软件对滴灌和喷灌方式下水分运动情况进行了三维稳态模拟,模拟中设单位时间内供水量相同.模拟结果显示:灌溉方式对土壤中水分运动和分布有重要作用.在滴灌下,水分主要集中在作物根系区域,水分利用效率高.土壤水分呈近球状分布,随着灌溉时间的增加,球形边界逐渐模糊并向土壤深层延伸.在喷灌下,土壤水分一层层向下渗透,水分含量呈从上往下逐步递减,在每一层中的水分含量相对均一,在相同灌溉量下水分接触土壤量比滴灌时少.

根系水分胁迫响应函数对土壤水及作物生长动态和产量模拟影响的研究

为探究根系水分胁迫响应函数对农田水分动态及产量模拟的影响,基于Richards方程和PS123作物生长模型分别进行了土壤水分动态和小麦产量的模拟,对比分析了VG(S型曲线)、MP(凹凸型曲线)及LS(S型曲线)3种水分胁迫响应函数。采用山西省霍泉站(3 a)及潇河站(2 a)的试验资料对模型中的土壤水力特征参数、水分胁迫响应函数参数进行反演,确定最优的参数值,得到了土壤含水率、蒸散量及籽粒产量的模拟结果。结果表明:(1)VG、MP及LS函数条件下的土壤水分及产量模拟结果均较好,回归估计标准误差(RMSE)值在0.021~0.036之间,模拟值与实测值间的R检验达到了极显著水平;对于霍泉站,VG、MP、LS函数条件下,土壤含水率模拟值与实测值的平均相对误差分别为6.37%、8.26%及7.18%,相关性系数值最小为0.7814,模拟产量的平均相对误差值分别为8.73%、8.40%及8.42%;对于潇河站,土壤含水率模拟值与实测值的平均相对误差结果普遍大于霍泉站,最大为12.47%。(2)土壤水分动态模拟,S型曲线的水分胁迫响应函数较凹凸型曲线的水分胁迫响应函数表现出了更好的效果,其中使用VG函数模拟的平均相对误差较小,模拟的蒸散量更接近于实测值。(3)产量模拟,3种水分胁迫响应函数差异不明显。综上,VG函数是一种精度较高的根系水分胁迫响应函数,且模型简洁、方便;改进的LS函数能够提高模拟精度,但模型的稳定性有待近一步研究。

干旱内陆河灌区土壤水分变化模拟

通过改进的新安江模型田间水分模拟模型,模拟干旱内陆河灌区田间土壤水分变化规律,模拟结果较好。对当地农业生产具有一定的指导和现实意义。

武威盆地典型地区包气带水分运移模拟

以上案村为例,通过典型剖面监测、元数据统计分析和数值模拟等研究方法,开展植被生态与地下水关系研究,模拟了典型植被的根系吸水速率分布规律。结果表明:地表植被结构越多,土壤水分交换越频繁,包气带同时受到大气降水入渗和毛细水的支持,整个包气带含水量较高;利用Hydrus-1D模型分析,发现典型植被在7—8月植被生长成熟期间,由于气温升高,蒸发量较大,植物需水量增加,根系吸水速率增强;9月植被进入衰退期,植被吸水能力逐渐减弱;当地下水埋深<3.0 m时,包气带中土壤水分能达到植被生长所需要的水平,植被根系吸水速率在10~40 cm内达到最大。

基于SiB2模型的低丘红壤区花生根域土壤水分动态模拟与数据同化

SiB2(Simple Biosphere Model version 2)是将植物生理学、土壤微气象学结合起来用以研究单层植被中的水、能量以及CO_2通量变化的陆面过程模型。为了使SiB2适用于江西低丘红壤区农田小流域生态系统,根据在余江县花生地试验区的实地测量以及SiB2提供的土壤和作物分类,确定土壤特性参数和花生形态学参数,调整部分花生生理学、光学参数,并修正SiB2长波辐射的计算。在此基础上,选取花生幼苗、开花和饱果成熟三个关键的生长期的近地层观测资料代入模式,对花生根域土壤水分动态变化进行短期模拟,探究不同生长期的花生生长特性和气象因素对模拟结果的影响,并且针对模型提出了基于集合卡尔曼滤波的单点数据同化方案以提高精度。与观测结果进行验证后,结果表明:在不同生长期下,极端天气越少、植株形态越成熟稳定,模拟结果越准确。在进行数据同化后,模型精度得到明显提高。

降雨集流渗灌系统室内模拟土壤水分运动研究

为解决宁南山区旱地经济林干旱缺水的现状及小降雨(4~16 mm)无法入渗到根系(20~40 cm)分布范围,设计了一种降雨集流渗灌装置,通过室内土箱试验,以降雨量作为控制因子,研究不同雨量条件下径向和垂向土壤水分的运动特征。结果表明:随雨量增加累计入渗量逐渐增大,入渗速率逐渐减小;不同雨量条件下土壤含水率增量在垂向0~40 cm范围内随土层深度的增加呈先增加后减小的趋势,径向沿距渗灌器距离的增加逐渐减小;灌水结束24 h后土壤水分高含水率区主要分布在垂向20~40 cm和径向0~20 cm,湿润体大致呈半椭球体;集流渗灌器明显提升了小降雨的利用,使经济林主要根系分布范围(20~60 cm)内,土壤含水率明显增加,有利于缓解经济林生育期缺水,促进其生长,该研究结果可为集流渗灌器在田间推广应用提供可靠的数据支撑。

北京地区典型冷季型草坪草灌水量模拟

为了减少北京地区草坪草灌水量、提高降水量的利用率,该文研究了充分利用降雨条件下的典型冷季型草坪草灌水量。根据典型冷季型草坪草(早熟禾、高羊茅)2003年的田间试验资料对灌溉制度模拟模型(ISAREG模型)进行了率定,然后用2004年的田间试验资料对ISAREG模型进行了验证,最后应用此模型对所研究的两种冷季型草坪草在干旱年、平水年和丰水年及不同养护条件下的灌水量进行了模拟研究。研究结果表明:生长季节内早熟禾、高羊茅的作物系数在0.5～1.0之间;在特级养护条件下,早熟禾和高羊茅所需灌水量分别为432～682mm/a、462～752mm/a;在一级养护条件下,早熟禾和高羊茅所需灌水量分别为252～432mm/a、312～492mm/a。研究结果可为北京地区冷季型草坪草的灌溉管理提供科学依据。

模拟显示烘干法水分测定仪测量结果的不确定度评定

本文对模拟显示烘干法水分测定仪在校准过程中的各影响量进行分析,评定了该类仪器示值误差测量结果的不确定度,为该类仪器校准结果的评估提供依据。

水分胁迫对沙棘(Hippophae rhamnoides)和中间锦鸡儿(Caragana intermedia)蒸腾作用影响的比较

多年生灌木沙棘和中间锦鸡儿是黄土高原生态重建的重要物种,设计人工模拟水分胁迫实验,测量沙棘和中间锦鸡儿蒸腾作用的各种指标,研究其蒸腾特性对水分胁迫的适应方式。结果表明,同等水分处理条件下,中间锦鸡儿单叶水平上的蒸腾速率高于沙棘。沙棘和中间锦鸡儿的蒸腾速率日进程在晴天、阴雨天和生长发育的不同阶段明显不同。夜间蒸腾占全天蒸腾的比例相当大,夜间蒸腾在不同物种之间、不同供水量之间存在明显差异,而且越干旱的环境比例越大。两种植物气孔阻力的季节变化格局在不同水分处理间大体相似。沙棘的昼夜蒸腾节律在各种水分处理条件下都表现出明显的气孔振荡现象,而中间锦鸡儿没有。叶片温度、光合有效辐射和气孔阻力是各种水分条件下沙棘和中间锦鸡儿蒸腾作用的共同的限制因子,相对于沙棘,中间锦鸡儿还更多地受到空气相对湿度的影响。

不同程度的水分胁迫对中间锦鸡儿幼苗气体交换特征的影响

为探讨未来降水减少对内蒙古皇甫川流域人工栽培主要灌木树种中间锦鸡儿气体交换特征的影响 ,特设计正常降雨水平、偏旱、干旱和极端干旱 4种水分处理水平 ,进行人工模拟水分胁迫实验。结果表明 ,不同的水分处理显著影响土壤含水量、土壤温度、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、资源利用效率和叶片水势。适度的水分胁迫 (干旱环境 )能够提高中间锦鸡儿的水分利用效率和抗旱性 ,同时也降低了净光合速率与蒸腾速率。随水分胁迫的增强 ,中间锦鸡儿的净光合速率日变化曲线逐渐从典型的单峰型转变成双峰型 ,出现光合“午睡”现象。根据 Farquhar和 Sharkey提出的判别标准 ,干旱和极端干旱下光合“午睡”的原因分别以气孔因素和非气孔因素 (叶肉细胞光合能力下降 )为主。中间锦鸡儿通过自身的生理调节以抵抗干旱 ,是其能够适应干旱环境、历经

水分供应和氮素形态对水稻一些水分生理特征的影响

为探明不同水分供应和氮素形态对水稻一些水分生理特征的影响,设正常水分及50 g L-1PEG模拟水分胁迫及3种不同NH+4-N/NO-3-N比例(75/25,50/50,25/75)的处理,测定了水稻叶片的NO-3、Ca2+和Mg2+含量,叶片浸出液电导率,叶片相对含水量,叶片水分临界饱和亏以及叶片水势。结果表明,在NH+4-N/NO-3-N比例较低时,模拟水分胁迫使广陵香粳水稻幼苗吸收更多的NO-3-N。模拟水分胁迫条件下,水稻幼苗叶片浸出液电导率随NH+4-N/NO-3-N比例的降低呈下降趋势,且在NH4+-N/NO-3-N比例为25/75时,叶片浸出液电导率低于正常水分培养条件下的叶片浸出液电导率。而在正常水分培养条件下,水稻幼苗叶片浸出液电导率随NH+4-N/NO-3-N比例的降低呈上升趋势。水分胁迫使高NH4+-N/NO3--N处理水稻叶片相对含水量降低、水分临界饱和亏上升,但对低NH+4-N/NO-3-N处理(25/75)水稻叶片相对含水量和水分临界饱和亏影响很小。同样,低NH4+-N/NO-3-N处理削弱了水分胁迫对水稻叶片水势的降低。总体上说,低NH4+-N/NO3--N能减轻水分胁迫对水稻水分生理的不良影响。

青海环湖地区草原土壤含水量及富集规律

【目的】研究青海环湖地区草原土壤水分运移与富集规律、土壤水分剖面分布模型、水分循环与水分平衡,揭示该地区土壤水库蓄水特点、土壤干层及其恢复条件,为该地区土壤水资源及草原植被保护、土壤水库建设和草原生态环境的可持续发展提供科学依据。【方法】利用轻型人力钻连续4年采取600多个土壤样品,采用烘干称重法测定土壤含水量。采用双环入渗法原位测定土壤入渗率,采用激光粒度仪分析土壤粒度,采用负压计原位测定土壤吸力。【结果】青海环湖地区的土壤剖面水分分布较为稳定,不论旱季还是雨季,约65%的水分富集在0—0.4 m土层中,0.6 m以下土层水分严重不足。该地区土壤吸力为0.17—0.42 MPa,土壤田间持水量为20%左右。0—0.4 m土层含水量一般为23%,大于田间持水量(20%),故存在约3%的重力水;土层0.6 m以下含水量仅约为6.5%。该地区0.6 m以下土层一般发育有不同等级的土壤干层,且土层厚度越大干层发育越严重。该地区0.4 m以下土层水分含量与深度之间的关系可以用幂函数模拟描述,模拟函数的增量曲线表明,在2009—2011年降水累积增加约50 mm的条件下,土壤含水量的增加量由0.4 m深度的约5%逐渐降低到0.8 m深度的约3%,0.8 m以下土层水分增加量不足3%。该地区土壤入渗率为1.3—3.0 mm·min-1,入渗率较高有利于降水向土壤水转化。该地区的土壤质地优良,但0.6 m以下土层含水量已接近或低于粉砂土无效水的含量(5%)。【结论】青海环湖地区气温低、土壤冻结期长,造成该地区土壤水分具有在土壤上部滞留和富集的突出特点。该地区土壤平均厚度不足1.5 m,导致该地区土壤水库的调蓄功能较弱。而土壤水分的上部滞留和富集增强了该地区土壤水库对浅根系草原植被的调蓄功能,并且具有抑制草原荒漠化发生的重要作用。青海环湖地区在2009—2011年降水量增加到400—420 mm的条件下,土壤水分表现出微弱的正平衡,薄土层中的土壤干层消失,而较厚土层中的土壤干层仍然存在。该地区土壤干层恢复速度很缓慢,恢复的水分增加量低于5%。土壤干层的发育和分布深度很小不仅指示出该地区生态系统较为脆弱,而且还指示出该地区不适于发展需水较多的乔木植被。

区域尺度农田土壤湿度研究方法综述与展望

当前,水资源供需矛盾日益突出,急剧增长的工业和城镇生活用水严重挤占了农业用水。区域大尺度农田湿度的监测和计算是提高农业水资源的利用效率的关键。通过查阅国内外相关文献,对现有的农田土壤湿度监测手段和模拟技术进行了较为系统的梳理,介绍了它们的工作原理,分析了各自的优缺点,为今后农业墒情管理实践工作提供参考。基于土壤湿度的监测和模拟计算,可以发展和完善农业测墒管理技术,为我国走"适水发展,逐水农业"的道路,解决我国农业用水紧张提供新途径和新方法。

黄土关键带深层土壤水分动态模拟与主控因素

地球关键带是维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域，土壤水分是黄土高原关键带植被恢复与生态环境重建的关键因子之一。为探明黄土关键带深剖面土壤水分变化过程并进行模型模拟，对黄土高原长武塬区苹果地和小麦地的深层土壤水分（0~18m）进行监测（2011~2013年，共选择11个不同日期进行深剖面土壤水分监测），在此基础上，采用Hydrus-1D进行模型模拟，分析了深剖面土壤水分动态及其模拟效果的主控因素。结果表明：1）苹果地（6~18m）、小麦地（3~18m）的深层土壤含水量随时间变化很小；0~1m的土壤含水量随时间变化较大；不同土地利用类型会产生不同的土壤水分过程及运动机制；在根系及近根系区，土壤含水量变化受根系分布格局及土壤质地共同影响，接近地表时还同时受降雨、蒸发等上边界条件影响；在非根系区，土壤含水量的主要影响因素为土壤质地；2）利用前6次的实测数据进行调参和校正，后5次实测数据进行预测效果检验，取得了较好的深剖面土壤水分模拟效果——苹果地的决定系数、相对误差绝对值、均方根误差分别介于0.5923~0.7637、3.33%~5.20%、0.0149~0.0168cm3/cm3之间，小麦地分别介于0.2414~0.6822、2.64%~4.58%、0.0177~0.0247cm3/cm3之间；3）叶面积指数、根系深度与分布是影响深剖面土壤水分动态模拟效果的主控因素。相关结果可为黄土关键带深剖面土壤水分模拟与调控提供参考。

4树种主要生理指标对模拟水分胁迫的响应

比较了白毛锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、驼绒藜和霸王的主要生理指标叶片含水量、自然饱和亏、超氧化物歧化酶(SOD)活性、可溶性糖和丙二醛(MDA)含量,在不同生长期(夏季和秋季)对不同浓度聚乙二醇(PEG=10%、20%、30%)及不同胁迫时间(0 h、12 h、24 h)模拟水分胁迫的响应差异。结果表明:①霸王、驼绒藜抗干旱损伤的能力总体比两种锦鸡儿强;②同样处理水平下,种间SOD活性差异不显著,各指标夏秋响应差异显著,秋季较夏季敏感,树种抗旱能力与生长期及生理状态有密切的关系;③相关性分析表明,水分胁迫后水分亏缺大的树种,质膜受伤重,SOD保护酶与可溶性糖对树种抵抗水分胁迫起到一定的保护作用,调节协同机制及响应时间存在差异。