地下水浅埋区土壤水分运动参数田间测定方法探讨

研究ＧＳＰＡＣ系统的水分运移机理和建立统一的水系统模型需要确定土壤水分运动参数,本文根据田间土壤排水试验的观测数据,初步探讨了地下水浅埋区土壤水分运动参数的确定方法。该方法将多维问题最优化技术与土壤水运动方程数值求解技术相结合,寻求田间条件下最优的土壤水分运动参数,克服了室内试验方法的不足。田间土壤排水试验无须特殊的试验设备和试验条件,具有较强的可操作性。     

非饱和土壤水分运动参数空间变异性研究进展与展望

非饱和土壤水分运动参数的空间特征是科学认识大尺度土壤水分动态变化的基础和先决条件。在参考国内外大量文献的基础上,对非饱和土壤水分运动参数的研究进展从模型研究到空间尺度研究进行了分析与评述,指出机理模型研究是未来土壤水分运动参数空间变异性研究的方向,而尺度研究目前研究的精度不够;在对土壤水分运动参数的空间变异性研究各类方法分析和归纳后,指出土壤水分运动参数变异性研究的方法包括直接测定方法和间接估计方法两种,并对各种方法的优缺点及适用条件进行了总结;最后指出土壤水分运动参数空间变异性研究存在的问题主要集中在土壤水分运动参数的空间变异性结果的标准化问题和不同尺度土壤水分运动参数的相互转化等问题。     

砂性漏斗法测定土壤水分特征曲线

土壤水分运动参数是模拟水分和污染物在非饱和土壤中运移的关键参数.本文根据张力仪原理设计的砂性漏斗实验装置测定了中砂的土壤水分特征曲线,曲线呈很好的滞后性,实验结果采用Van公式进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,所得出的土壤水分运动参数可为模拟水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供关键参数.     

基于Matlab方法确定VG模型参数

根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ实验数据,采用van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),VG模型中的参数利用Matlab非线性拟合函数来确定,通过对四参数模型和三参数模型的比较表明,四参数模型拟合的参数与三参数模型中的参数非常接近,但四参数模型能够更好地拟合实测数据,误差比三参数模型相对较小。且计算值与实测值的残差平方和范数小于0.07%,拟合较好。     

利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线

利用Van Genuchten模型对用砂性漏斗测量中砂的吸湿过程和脱湿过程土壤水分特征曲线进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,并得出Van Genuchten模型中的残余含水量、特性参数α和n,模拟计算表明,中砂有αw=1.69αd的关系,为研究水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供土壤水分运动键参数.     

土壤水分特征曲线模型模拟性能评价

土壤水分特征曲线模型作为实验测定土壤水分特征数据的一种替代方法,因其具有计算方便快捷和便于嵌入数值模拟程序的优点,开始受到越来越广泛的关注。虽然文献中存在众多的土壤水分特征曲线模型,但是这些模型的适用范围及拟合性能尚不明确。为了获得更加准确适用的土壤水分特征曲线,在实际应用中通常需要花费大量时间和精力去测试各种模型。为了解决上述问题,在国内外研究成果的基础上收集整理了12种典型的土壤水分特征曲线模型,并利用包含不同质地、有机质含量及容重的8种土壤的实测土壤水分特征数据来评估比较这些模型的模拟性能。模型性能通过均方根误差（RMSE）、平均偏差（AD）、AIC准则（Akaike Information Criterion）和纳什效率系数（NSE）4个指标评估。研究结果表明：大部分的模型能够提供比较接近于实际的拟合结果,评价指标值也比较相近。其中,KCGS2006（包含3个参数）和K1999模型（包含2个参数）拟合效果最好,而Gregson1987（包含1个参数）的拟合效果最差。该研究可以深入了解各种土壤水分特征曲线模型的适用性与局限性,更好地为生态环境建设和农业可持续发展研究中土壤水力参数的选取提供依据和参考。     

Verhulst反函数滑坡预测预报模型的改进

由于位移时间曲线不一定通过第一个数据点,原始Verhulst反函数模型将第一个数据点作为已知条件来求取模型参数的理论依据不充分,可能导致预报误差较大。为了解决该问题,本文基于误差最小原则,将非线性拟合的方法应用到Verhulst反函数模型的参数求取中。两个实例预报结果表明:经非线性拟合确定模型参数后,Verhulst反函数模型在滑坡时间预报上能取得较准确的预报结果,且预报的时间多稍早于滑坡实际发生时间,这说明经非线性拟合确定模型参数后,用Verhulst反函数模型进行滑坡时间预报是可行的,其预报结果可能能起到提前预报的作用。     

含碎石土壤水分入渗试验研究

采用一维积水垂直入渗法测定含碎石土壤的入渗过程,分析碎石含量和碎石组成对土壤水分运动影响。对试验数据采用Kostiakov入渗公式拟合,得出反映入渗速率的拟合参数比值与土石比成幂函数关系;采用简略的Philip垂直入渗方程幂级数解拟合湿润峰随时间的变化,拟合精度高,并发现拟合参数与土石比仍成幂函数关系。采用简单相关分析碎石粒径对入渗过程影响,得出粒径2~3 mm碎石与入渗过程成显著的负相关关系,而>25 mm碎石有利于入渗。研究结果可为含碎石土壤的水循环提供重要的基础。     

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

海河流域不同下垫面土壤水分动态模拟研究

针对海河流域不同的下垫面类型,选取密云(果园林地)、大兴(城郊农田)、馆陶(平原农田)3个观测站,建立垂直方向上以含水率θ为因变量、含根系吸水项的非饱和土壤水分运动数值计算模型。该模型以一维Richards方程为基础(以下简称RE模型),采用实测的降水和蒸散数据作为模型的上边界条件,运用全隐式有限差分法,分别对不同生长期内的土壤水分进行数值模拟,得到时间序列的土壤水分廓线,并分别采用成熟软件HYDRUS-1D的模拟结果和各观测站实测土壤水分对RE模型进行交叉验证和直接验证。结果表明RE模型能够很好地模拟海河流域不同下垫面土壤水分动态变化过程,3个站模拟结果与实测土壤水分数据的均方根误差(RMSE)分别为0.03127,0.0359和0.0409 cm3/cm3。与HYDRUS-1D软件模拟结果(其与观测值的RMSE分别为0.03759,0.0647和0.0467 cm3/cm3)相比,RE模型模拟的土壤水分具有更高的精度,也显示出RE模型的可靠性。探讨3个站土壤水分的时空变异规律及其影响因子并以大兴站为例,通过优化RE模型参数,探讨犁底层对土壤水分模拟结果的影响,进一步改善RE模型的模拟精度。     

基于物理模型的被动微波遥感反演土壤水分

利用土壤水分和海洋盐度(SMOS)卫星进行土壤水分反演的算法中,对地表发射率的描述仍采用半经验Q/H模型,该模型描述地表粗糙度对有效发射率在V和H极化下影响相同.基于微波散射理论模型-高级积分方程模型(AIEM)建立了一个针对SMOS传感器的参数配置,包含各种地表粗糙度和介电特性的裸露地表辐射模拟数据库,发展了L波段多角度地表辐射参数化模型.在此基础上,利用SMOS多角度双极化特点,建立了土壤水分反演算法.该算法可以消除粗糙度对土壤水分反演的影响,同时最小化反演过程中辅助信息引入带来影响.反演算法通过美国农业部提供的L波段多角度地基辐射计数据(BARC)进行验证,在20°~50°入射角,土壤水分反演精度在4%左右.     

包气带水分运移问题讲座(二)——土壤水分运动参数测定方法

在第一讲中我们介绍了土壤水分运动的基本微分方程。方程式中包含有水力传导度k(θ)(或k(h)),扩散度D(θ)和容水度C(h)等几个土壤水分运动参数。为了对土壤水分运动进行定量分析,必须要有这些参数资料。因此,土壤水分运动参数是研究土壤水分运动规律时需要首先解决的问题。以下我们分别介绍一下这些参数的测定方法。     

由土体级配近似确定土-水特征曲线的一种方法

利用毛细管理论推导了特定粒径颗粒堆积物中毛细水的上升高度,据此建立了土体级配与非饱和土土-水特征曲线的联系,构造了一个近似确定土-水特征曲线的新的物理经验模型。对大部分土而言,模型中引入的修正参数ouR与吸力水头h在对数坐标下呈现明显的线性相关性,可以使用ouln R?aln(h/m)?b进行拟合;利用非饱和土数据库UNSODA中406种土样的测量数据(包括干燥过程的土-水特征曲线和级配曲线)对拟合参数a、b进行了参数分析,统计了a、b的分布规律;计算显示,a、b与级配和孔隙比无关,可能受矿物组成影响。利用提出的模型进行预测时,可以用矿物组成类似的土样试验结果计算a、b值以确定修正参数ouR,在资料缺乏时也可使用统计得到的a、b平均值。该模型为间接确定土-水特征曲线提供了思路。     

干旱半干旱地区包气带热参数模型研究

在干旱半干旱地区,包气带垂向温度梯度对其中水分运动的影响不可忽略。欲定量研究温度变化引起的包气带水分运移,需要建立水热耦合模型,而模型中热参数的确定成为模型求解的关键和难点。本文以实测数据为基础,对数据进行深入分析,提出一种以含水率为自变量推求导热系数的模型,模型中提出饱和导热系数和残余导热系数的概念,并对其可靠性、求解方法及敏感性进行了分析和验证,结果认为该模型能够方便求解水热耦合模型中的导热系数,并且可用多种方法求解,拟合精度高,实用性强。     

基于分形理论研究土壤结构及其水分特征关系

为定量获得土壤结构对其水力性质的指示作用,室内实验选用华北平原子牙河流域原状土样为研究对象,用张力计法和激光粒度分析仪分别测定土壤水分特征曲线和样品粒度分布,基于分形理论计算土壤粒度分布的分形维数,采用实验测定与模型验证相结合的方法对水分特征曲线进行分析.结果表明,土壤颗粒粒度分布在[10 μm,50 μm]区间内的分段分维值是表征土壤粒度累积分布显著上升段特征的关键参数,与0~80 kPa吸力范围内的土壤水分特征曲线幂函数模型拟合参数(a、b)有极显著相关关系.研究区内土壤水分特征曲线以分形形式表达的幂函数模型为:θ=100.78×(3-D)S(D-3)/3,利用土壤结构分形特征能够有效指示其水力性质.      

联合机载PLMR微波辐射计和MODIS产品反演黑河中游张掖绿洲土壤水分研究

土壤水分是气候、水文学研究中的重要变量,微波遥感是获取区域地表土壤水分的重要手段,而L波段更是微波土壤水分反演的最优波段。依托HiWATER黑河中游绿洲试验区的地面观测及机载PLMR微波辐射计亮温数据,利用微波辐射传输模型L-MEB,并将MODIS地表温度产品(MOD11A1)和叶面积指数产品(MYD15A2)作为模型及反演中的先验辅助信息,借助LM优化算法,通过PLMR双极化多角度的亮温观测,针对土壤水分、植被含水量(VWC)和地表粗糙度这3个主要参数,分别进行土壤水分单参数反演、土壤水分与VWC或粗糙度的双参数反演以及这3个参数的同时反演。通过对不同反演方法的比较可以得出结论,多源辅助数据及PLMR双极化、多角度信息的应用可以显著降低反演的不确定性,提高土壤水分反演精度。证明在合理的模型参数和反演策略下,SMOS的L-MEB模型和产品算法可以达到0.04 cm3/cm3的反演精度,另外无线传感器网络可以在遥感产品真实性检验中起到重要作用。     

基于模拟月壤挖取采样扭矩试验及建模

开展月球探测对于提升我国综合实力具有重要意义.按照计划我国将在2017年左右完成月球采样并返回地球的目标.目前国内各科研院所对采样机具的研究多集中在钻取机具的设计及其仿真模拟上,对表层取样机具研究较少.基于表层取样研发了一套由直流电机驱动,并能通过检测其电流间接测算挖取运动扭矩的试验机构.利用该机构在6种不同的模拟月壤中进行不同试验参数的挖取试验后可知,在不同的试验条件下挖取机构承受的扭矩变化趋势大致相同,并能由4个特征点进行描述.4个特征点的取值随试验参数的不同而改变.完成试验后将试验数据进行归一化处理后导入BP神经网络进行学习和训练,建立了以运动参数(运动角度、机构悬挂高度)、模拟月壤类型(内聚力、内摩擦角)、模拟月壤密实程度(容积密度、孔隙度、相对密实度)为输入量,机具承受扭矩为输出量的神经网络模型.通过与实测数据对比可证明本文建立的BP神经网络挖取力学模型具有很高的拟合和预测精度.     

抽水试验确定中深层微咸水水文地质参数

在浅层地下水超采区,深层微咸水将会被作为部分地下水替代水源,水文地质参数是研究地下水运动情况的重要参数,确定该地下水层的水文地质参数将为下一步水资源论证工作提供科学依据。确定水文地质参数的方法一般分为经验数据法、经验公式法、室内试验法和野外试验法四种。由于野外试验法求得的参数精确度较高,供水水文地质勘察中主要采用野外试验法。通过野外试验法现场单孔稳定流及多孔非稳定流抽水试验数据,探讨本项目在水文地质参数的确定。     

营口软土的固结不排水剪切蠕变特性

利用自行改装后的三轴蠕变仪对海相沉积的营口软土进行蠕变试验,获得了在不同围压、不同偏应力条件下的剪切应变与时间关系数据。分析表明:(1)固结不排水蠕变中没有体积变化,不同偏应力下剪切蠕变可用对数形式表达;(2)固结不排水剪切蠕变在低应力水平下表现为线性粘弹性,而高应力水平时则具非线性的特性。由此,提出了描述软土蠕变规律的Singh-Mitchell经验模型和五参数的广义Kelvin模型,并确定了相应的模型参数。与试验数据拟合发现:Singh-Mitchell经验模型对应力水平为20%~80%时具有较高的拟合精度;Kelvin模型中的变形模量和粘滞系数均不为常数。     

利用优化方法求算Van Genuchten方程参数

运用单纯形调优法,拟合描述土壤水分运动特征曲线的Van Genuchten参数。该方法可广泛地用于不同弯曲程度Van Genuchten方程曲线的拟合求参,拟合精度高,另一方面也表明Van Genuchten方程的线性选配适当。此外,算法程序用VB语言编写,实现了参数初值实时修改、多种数据格式输入输出和实时图形结果输出等多种友好人机界面功能,方便易用。