發(fā)布時(shí)間：2016-08-06 07:04

第一章 引言 

1.1 研究目的及意義 
如今國家實(shí)力日益增強(qiáng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，然而經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展是建立在破壞我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)之上的。目前存儲(chǔ)的水資源已不足以滿足生活和工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求�！敖ㄔO(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”，“建設(shè)美麗中國”是現(xiàn)代社會(huì)的奮斗目標(biāo)和美好愿景，水生態(tài)文明建設(shè)是基礎(chǔ)和保障�！八巧础⑸a(chǎn)之要、生態(tài)之基”。   中國的水資源短缺現(xiàn)象極為嚴(yán)峻，水資源人均占有量只有世界人均占有量的25%。水資源總量只占到世界總量的6%。 以山西省為例，全省水資源短缺現(xiàn)象尤為嚴(yán)峻。山西省位于黃土高原，總面積為156566平方公里，占全國總面積約百分之一點(diǎn)六三，平均年降雨量400-650毫米，與其他省份相比降雨量差距就大，又因其地形比較復(fù)雜，境內(nèi)80%以上多為山地丘陵，坡度較大、溝壑多且植被的覆蓋率低，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)全省水土流失面積達(dá)933萬公頃，占到我國國土面積的0.97%，其土壤流失率達(dá)5000噸每平方公里，是我國土壤侵蝕最嚴(yán)重的省份之一，加上地形地勢的原因，致使全省范圍內(nèi)降雨分布不均衡。另一方面水資源污染嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全省的水資源在1984年到2000年間，總量由142億立方米減少至81.5億立方米，全省有三分之二的主要河流失去其使用功能，地表水衰減百分之71.8。在水資源質(zhì)與量嚴(yán)重降低的今天，提高水資源的利用率，節(jié)約用水不僅是關(guān)乎民生、生態(tài)環(huán)境、資源利用永續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略，更是眼下經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展的一項(xiàng)迫切任務(wù)。節(jié)約水資源功在當(dāng)代，利在千秋。
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1.2 研究進(jìn)展
土壤水分的入滲研究已有近200多年的歷史。Henry Darcy于1852-1885年間通過一維均勻砂質(zhì)土壤水分入滲試驗(yàn)，得到滲流量q與水力梯度成正比，砂層厚度成反比結(jié)論，即達(dá)西定律。1931年，Richard在非飽和土壤水分入滲中引入了達(dá)西定律，建立了非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程，讓土壤水分入滲的研究邁向新的臺(tái)階。滲流理論不斷發(fā)展的同時(shí)，人們在生產(chǎn)經(jīng)營中對土壤水分入滲的研究提出了新的要求，需要了解土壤水分入滲量隨著時(shí)間的變化規(guī)律，希望通過理論的研究幫助分析預(yù)測土壤水分入滲量。為此，研究學(xué)者們于上世紀(jì)提出了許多的半理論半經(jīng)驗(yàn)入滲模型。土壤水分入滲研究不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者對其入滲過程展開深入研究并提出預(yù)測模型。Horton在入滲試驗(yàn)中根據(jù)物理原理等概念進(jìn)行了猜想總結(jié)，得到了Horton公式，該公式雖然被沿用至今，但由于其缺乏物理基礎(chǔ)，并不能普及使用。相較于Horton模型，Philip模型具有明確的物理意義，然而由于其只對于均質(zhì)土且入滲歷時(shí)較短的情況才能夠達(dá)到要求預(yù)測精度，對于歷時(shí)較長的入滲過程，它的實(shí)際值與預(yù)測值偏差較大。1980年Ghosh經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)合前人的實(shí)踐成果，提出了Ghosh入滲公式，其克服了Philip入滲公式不適用于長歷時(shí)入滲過程的缺點(diǎn)，且具有較其他公式更高的精度，但其計(jì)算過程繁雜，實(shí)際生產(chǎn)過程中不便于使用。之后，一些其他入滲公式相繼被提出，如Holtan公式、Sminth公式、方正山公式及蔣定生公式等。這些經(jīng)典的入滲公式，不論是理論性的或是經(jīng)驗(yàn)性的，在入滲理論和實(shí)踐生產(chǎn)中都有較高的使用價(jià)值。 
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第二章 試驗(yàn)條件和方法 

為了分析土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水量、有機(jī)質(zhì)等因素對土壤水分入滲特性的影響以及利用土壤基本理化參數(shù)對土壤入滲參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)展開了區(qū)域性的規(guī)�；鬓r(nóng)田大田土壤水分入滲試驗(yàn)和室內(nèi)入滲試驗(yàn)。大田入滲試驗(yàn)地點(diǎn)涵蓋了山西從南到北三晉大地，其中包括十市36個(gè)縣區(qū)。本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多為科研梯隊(duì)試驗(yàn)積累，部分樣本為本現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作補(bǔ)充。 

2.1試驗(yàn)區(qū)氣候條件 
山西處于大陸東岸中緯度內(nèi)陸，由于位于太行山脈的西方而由此得以命名。外緣山脈環(huán)繞，渤海與黃海的海風(fēng)難以侵入，受到海洋的影響較弱，形成了較為明顯的大陸性季風(fēng)氣候；山西北部毗鄰內(nèi)蒙古，由于受到內(nèi)蒙古冬季冷空氣的襲擊，北部地區(qū)溫度較低,較為寒冷；南部緊挨位于中原的河南省，由于受到河南黃淮海平原和豫北平原北上的夏季濕暖氣團(tuán)的滋潤，使得山西南部氣候較為溫和；由這幾方面的原因形成了山西南北差異明顯的氣候特征，具體表現(xiàn)為：冬季持續(xù)時(shí)間較長，受大陸性季風(fēng)氣候的影響，表現(xiàn)為干燥寒冷，雨雪稀少，而夏季受海洋性暖氣流影響，雨水集中，但雨季時(shí)間較短，山西南北日照存在一定差異，通常表現(xiàn)為南長北短，與冬季氣候差異明顯，春季氣候變化多端，受黃土高原的地形影響，風(fēng)沙現(xiàn)象嚴(yán)重，秋季相對較短，氣候溫和少變�？傮w而言，山西日照時(shí)間充足，日照強(qiáng)度適當(dāng)，擁有較為豐富的熱量來源；同時(shí)，由于其地理位置的影響，全省降雨量分布不均勻，由東南向西北遞減，水資源不充足，且極端性天氣現(xiàn)象發(fā)生頻繁[106]。 山西省幅員遼闊，地處華北西部黃土高原，地形復(fù)雜，高度差異懸殊，氣候、水文等自然要素既有緯度地帶性分布特征，也有垂直分布分布特征，近50年來，年平均氣溫大約在4.01~14.11℃(其中晉西北的朔州市處于氣溫低谷值，晉南運(yùn)城市處于氣溫峰值)，氣溫略低于同緯度河北平原，全省氣溫總分布趨勢由呈現(xiàn)由南向北逐漸降低，由高山向盆地逐漸升高。山西省全年降水均值在363.98~618.46mm之間波動(dòng)，從區(qū)域空間分布特征來看，降水量由東南向西北遞減，降雨分布不均勻，晉南大部分地區(qū)、晉中部分山區(qū)等年降雨量界于600~700毫米，是山西省降雨最多的地區(qū)；臨汾、運(yùn)城盆地在500~550毫米左右；晉中盆地在450~500毫米之間；晉北大部分地區(qū)為少雨區(qū)，年平均的降水量少于400毫米。山西降雨量另一特征表現(xiàn)為山地降雨量普遍大于山谷，，這是由于山脈地勢高，暖氣流遇到山地容易成云致雨而造成這樣的氣候特征。全省降雨量不僅因地勢不同而有明顯差異，年內(nèi)各季降雨量差異懸殊。山西屬大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)降水量受其影響顯著，夏季降水量最多，占年降水總量60%左右；冬季降水量最少，占年降水總量2%左右；春秋季降水量差別不大，各占年降水總量15%~20%。同時(shí)，降雨量年際變化率較大，尤其是山西省西北部地區(qū)，最大相對變化率可達(dá)到50%，因此，降水量保證率低也是造成了山西省氣候惡劣的原因之一。 
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2.2試驗(yàn)區(qū)土壤條件 
山西省地處黃河中游東岸，華北平原西側(cè)，四面環(huán)山，與鄰省區(qū)境界分明。山西擁有豐富的煤炭、鋁土礦等礦產(chǎn)資源，黃土高原土壤顆粒較細(xì)，土質(zhì)松軟并富有礦質(zhì)養(yǎng)分，因此便于農(nóng)作。由于山西省的地理位置、地形地貌等特征及其氣候條件造成了山西地區(qū)土壤復(fù)雜多樣化。從土壤的形成類型來講，可分為三大類，分別是地帶性土壤(褐土、栗鈣土壤、灰褐土等)、山地土壤(草甸土、棕壤、淋溶褐土、山地褐土等)、隱域性土壤[107]。地帶性土壤多分布于內(nèi)長城、恒山以北，陰山山脈以東，以大同盆地中心的北部草原地區(qū)；山地土壤是因?yàn)樯降睾０胃叨�、位置走向、植被氣候等因素造成各種各樣的土壤垂直地帶譜，山西省是典型的黃土覆蓋的山地高原，其垂直地帶土壤譜變化多樣復(fù)雜；對于隱域性土壤，其形成不僅與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件有關(guān)，與土壤生物分布地帶性密切相關(guān)。 
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第三章土壤水分入滲主要影響因素的單因素分析 ........ 27 
3.1土壤結(jié)構(gòu) .... 27
3.3土壤質(zhì)地 .... 35
3.4土壤有機(jī)質(zhì) ......... 43 
3.4.1土壤有機(jī)質(zhì)對土壤水分入滲性能的影響 ........ 44 
3.4.2土壤有機(jī)質(zhì)對土壤入滲模型參數(shù)的影響 ........ 47 
3.4.3土壤有機(jī)質(zhì)與I90、k、a、f0間的數(shù)量關(guān)系表達(dá)式 .......... 53 
3.5土壤溫度 .... 53
3.6 土壤含鹽量 ........ 56 
3.7 影響土壤入滲參數(shù)主要因素、次要因素分析 ...... 57 
第四章 土壤水分入滲參數(shù)BP預(yù)報(bào)模型 ..... 59 
4.1備耕頭水地土壤水分入滲 ............ 59 
4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡介 .... 60 
4.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤水分入滲參數(shù)預(yù)報(bào)模型 ........ 68
4.4 線性、非線性、BP預(yù)報(bào)模型的比較與分析 ........ 92 
第五章凍結(jié)土壤水分入滲參數(shù)BP預(yù)報(bào)模型 ........ 99 
5.1基于KOSTIAKOV-LEWIS模型建立凍結(jié)土壤水分入滲參數(shù)的BP預(yù)報(bào)模型 ............ 100
5.2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對KOSTIAKOV入滲模型參數(shù)K、A、F0的預(yù)測 ....... 102
5.3 90MIN累積入滲量I90的預(yù)測 ...... 117 

第五章凍結(jié)土壤水分入滲參數(shù)BP預(yù)報(bào)模型 

在我國北方絕大部分地區(qū)，大中型灌區(qū)的冬灌、儲(chǔ)水灌溉、播前灌溉是在初冬、初春進(jìn)行的，而此時(shí)的灌溉土壤處于季節(jié)交替期間，其土壤水分經(jīng)歷著凍結(jié)和消融兩個(gè)狀態(tài)的變化。土壤水分在凍結(jié)和消融的過程中，其中液態(tài)水和固態(tài)水（冰晶）隨著外界環(huán)境的變化相互轉(zhuǎn)變，引起土壤三相比例發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響土壤水分的入滲能力。 凍結(jié)土壤水分入滲研究的起步較晚，最早對凍土入滲進(jìn)行研究的是在上世紀(jì)60年代，Stoeckler（1960）等人利用單環(huán)入滲儀對三種不同狀態(tài)（密實(shí)、疏松、顆粒）的凍結(jié)土壤進(jìn)行了入滲試驗(yàn)研究[120]；隨后，Kane、Stein（1983）[121]通過利用雙環(huán)滲透儀對初始含水率不同的凍土進(jìn)行入滲試驗(yàn)分析；Thunholm（1989）等人[123]對凍結(jié)粘土的土壤水分入滲特性進(jìn)行了研究分析；Burn CR（1990）[126]研究了當(dāng)融雪不連續(xù)滲入時(shí)凍結(jié)土壤的入滲特性；Zuzel和Pikul（1991）等人通過進(jìn)行深秋未凍前、冬季凍結(jié)期、初春消融期的土壤水分入滲試驗(yàn)，得出了凍土分布區(qū)，融雪產(chǎn)生地表徑流、水土流失的主要原因是地面凍結(jié)以及土壤入滲能力的降低的結(jié)論[124]；Kelleners和Norton（2012）[122]等人在統(tǒng)一分析凍結(jié)區(qū)與非凍結(jié)區(qū)時(shí)，引入了土水勢的概念。近年來，我國的科研工作者也逐漸開始重視凍結(jié)土壤水分入滲特性的研究，并取得了一批有價(jià)值的成果，樊貴盛、鄭秀清等人通過對冬小麥進(jìn)行大田入滲試驗(yàn)，分析了其在凍結(jié)條件下土壤水分的入滲特性，并先后報(bào)道了有關(guān)凍結(jié)土壤水分入滲特性的主要影響因素以及特有影響因素的研究[127~133]；付強(qiáng)、王立權(quán)[134]等人通過北方高寒地區(qū)土壤水分入滲實(shí)驗(yàn)，揭示了凍深對凍結(jié)土壤入滲能力的影響；程艷濤、王根緒[135]等人在長江源區(qū)進(jìn)行土壤水分入滲試驗(yàn)之后，分析研究鉆研認(rèn)為影響凍土高寒區(qū)草甸土的入滲因素主要有地溫、凍層深度、植被、初始含水率及地表結(jié)皮。在其當(dāng)中，樊貴盛、鄭秀清等人的研究為國內(nèi)凍結(jié)土壤水分入滲的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 縱觀國內(nèi)國外對于凍結(jié)土壤的研究動(dòng)態(tài)，主要大都是研究凍結(jié)條件下，土壤水分的運(yùn)動(dòng)特性及其影響的因素，而對農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，如何提高冬春季節(jié)凍結(jié)土壤的灌水效率這方面的研究相對薄弱。針對我國多年凍土面積占到國土面積的20%，季節(jié)性凍土面積占到全國國土面積的53.5%[125]，且季節(jié)性凍土多分布于北方一些干旱、半干旱水資源短缺的地區(qū)，本章試圖通過易獲得的凍結(jié)土壤理化參數(shù)預(yù)測土壤水分入滲模型參數(shù)得到相應(yīng)的灌水技術(shù)參數(shù)，從而為指導(dǎo)季節(jié)性凍土區(qū)進(jìn)行合理的冬、春灌溉提供了非常有力的理論支撐。 

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結(jié)論 

本文基于區(qū)域尺度上的大田土壤水分入滲試驗(yàn)，對非凍結(jié)非鹽堿地土壤入滲特性的主要影響因素與入滲模型參數(shù)間的定量關(guān)系進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合灌溉過程入滲引起的土壤結(jié)構(gòu)變形及對土壤入滲性能造成的影響，建立了土壤入滲參數(shù)的BP預(yù)報(bào)模型，并對模型的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了分析與評價(jià)，通過預(yù)報(bào)模型對檢驗(yàn)樣本的預(yù)測，對預(yù)報(bào)模型的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)；此外，還提出了凍結(jié)土壤及鹽堿土壤的入滲參數(shù)的BP預(yù)報(bào)模型；并在對非凍結(jié)非鹽堿地的入滲參數(shù)BP預(yù)報(bào)模型進(jìn)行分析的同時(shí)，比較評價(jià)了BP預(yù)報(bào)模型與線性預(yù)報(bào)模型和非線性預(yù)報(bào)模型的精度。形成的主要結(jié)論有：對于非凍融土壤非鹽堿地土壤的入滲性能及入滲模型參數(shù)的最為主要的影響因素有：土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水率、土壤質(zhì)地（以粘粒含量與砂粒含量表征）、土壤有機(jī)質(zhì)含量。 在建立大田土壤入滲型參數(shù)的BP預(yù)報(bào)模型時(shí)，對不同的土壤水分入滲參數(shù)應(yīng)采用不同的模型輸入變量，并應(yīng)考慮疏松土壤灌水過程中的結(jié)構(gòu)變形。 入滲系數(shù)k的BP預(yù)報(bào)模型的輸入變量只考慮0~20cm耕層土壤基本理化指標(biāo)：土壤含水率、土壤容重（0~10cm土壤結(jié)構(gòu)變形前的容重）、土壤質(zhì)地中的砂粒含量和粉粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量。 入滲指數(shù)a的BP預(yù)報(bào)模型的輸入變量包括耕層（0~20cm）、犁地層（20~40cm）土壤基本理化性質(zhì)（土壤含水率、土壤容重、砂粒含量和粉粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量），其中(0~10cm)土壤容重考慮結(jié)構(gòu)變形后的容重。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：86156