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Comparison between gradient based UCODE2005 and the ensemble Kalman Filter for transient groundwater flow inverse modeling

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Science China Earth Sciences 2017年第5期60卷 899-909页

作者： tong juxiu Bill X HU YANG JinZhong Key Laboratory of Groundwater Cycle and Environment Evolution (China University of Geosciences) Ministry of Education Beijing 100083 China School of Water Resources and Environment China University of Geosciences Beijing 100083 China Department of Earth Ocean and Atmospheric Science/Geological Sciences 108 Carraway Building 909 Antarctic Way Florida State University Tallahassee Florida 32306 USA State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science Wuhan University Wuhan 430072 China

Gradient based UCODE_2005 and data assimilation based on the Ensemble Kalman Filter(EnKF) are two different inverse methods. A synthetic two-dimensional flow case with four no-flow boundaries is used to compare the UCODE_2005 with the Ensemble Kalman Filter(EnKF) for their efficiency to inversely calculate and calibrate a hydraulic conductivity field based on hydraulic head data. A zonal, random heterogeneous conductivity field is calibrated by assimilating the time series of heads observed in monitoring wells. The study results indicate that the two inverse methods, UCODE_2005 and EnKF, could be used to calibrate the hydraulic conductivity field to a certain degree. More available observations and information about the conductivity field, more accurate inverse results will be obtained for the UCODE_2005. On the other hand, for a realistic zonal heterogeneous hydraulic conductivity field, EnKF can only efficiently determine the hydraulic conductivity field at the first several assimilated time steps. The results obtained by the UCODE_2005 look better than those by the EnKF. This is possibly due to the fact that the UCODE_2005 uses observed head data at every time step, while EnKF can only use observed heads at first several steps due to the filter divergence problem.

关键词： Inverse methods UCODE2005 Ensemble Kalman Filter Heterogeneous hydraulic conductivity Filter divergence

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考虑水迁移率动态变化改进土壤溶质地表流失模型

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农业工程学报 2016年第4期32卷 135-141页

作者：夏传安童菊秀中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点试验室北京100083 中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083

农田土壤溶质的地表径流流失是农业面源污染的重要组成部分,为了更加有效预测和控制农田土壤溶质的流失,该文将水迁移率考虑为随土壤侵蚀变化而变化的函数,并修改Hydrus-1D代码数值求解土壤溶质的地表径流浓度值。利用两组已经发表的试... 详细信息

农田土壤溶质的地表径流流失是农业面源污染的重要组成部分,为了更加有效预测和控制农田土壤溶质的流失,该文将水迁移率考虑为随土壤侵蚀变化而变化的函数,并修改Hydrus-1D代码数值求解土壤溶质的地表径流浓度值。利用两组已经发表的试验数据对改进的模型进行校验,研究结果表明该文模拟值与观测数据的相关系数r≥0.81,残差绝对均值和均方根差与原模型的模拟值相比,分别平均减少了35.42和60.77 mg/L,该文改进的模型能更好地模拟土壤溶质的地表径流流失规律。该文的研究成果将为实际预防和控制农业面源污染提供参考。

关键词：模型土壤径流土壤溶质地表径流 Hydrus-1D 农业面源污染

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土壤中溶解性溶质流失特征试验

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农业工程学报 2010年第6期26卷 77-82页

作者：童菊秀杨金忠暴入超武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

该文以含有一定初始溶质的壤土和沙土为试验材料,为了研究不同条件下土壤溶质的流失特征,考虑到农田在产生地表径流前存在地表积水的过程,进行了室内土壤测试试验。试验结果表明:在相同条件下,既存在地表径流又存在地下排水时,损失的土... 详细信息

该文以含有一定初始溶质的壤土和沙土为试验材料,为了研究不同条件下土壤溶质的流失特征,考虑到农田在产生地表径流前存在地表积水的过程,进行了室内土壤测试试验。试验结果表明:在相同条件下,既存在地表径流又存在地下排水时,损失的土壤溶质仅有小部分存在于地表径流水中,流失在地下排水中的溶质占损失的土壤溶质的主要成分。因此在实际田间操作中,当不能同时采用降低地表径流和地下排水的方法来提高土壤溶质的利用程度时,应首先考虑降低地下排水的措施。而在暴雨范围内,降雨强度越小、土壤初始含水率越低、地下排水条件越好、土壤质地越粗等都将导致土壤溶质在地表径流和地下排水中流失的质量越大,从而降低土壤溶质的有效利用程度,该成果可以为提高土壤溶质的利用效率和降低农业污染提供一定的参考意义。

关键词：径流排水土壤测试壤土和沙土暴雨强度土壤溶质流失特征

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土壤Cr(Ⅵ)在非线性Langmuir吸附条件下的径流流失试验与模拟

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农业工程学报 2015年第1期31卷 146-152页

作者：吴秀杰童菊秀谭超群中国地质大学北京地下水循环与环境演化教育部重点实验室北京100083 中国地质大学北京水资源与环境学院北京100083

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流... 详细信息

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。试验模拟的田间地表径流是由降雨引起的,根据降雨期间土壤与雨水相互作用情况,将降雨过程分为4个阶段分别求解进行研究。利用室内模拟降雨-径流试验所得数据进行模拟计算,并通过敏感性分析和模型参数对径流流失量的影响分析,阐明模型参数对土壤中吸附性溶质径流流失规律的影响。研究结果表明:此二层非完全混合模型能预测土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。该模型对入渗水溶质与土壤混合层溶质之间的非完全混合系数γ非常敏感,对土壤混合层溶质与地表积水-径流水溶质之间的非完全混合系数α不敏感,对Langmuir吸附方程中的参数B、C也不敏感。其中γ和α对模拟径流流失过程的影响主要作用于降雨前期,而Langmuir吸附方程中的参数B对模拟过程的影响作用于降雨前期,C也主要作用于降雨前期,但对后期的影响比其他参数更大。试验数据显示地表径流中溶质含量很低,说明该次试验中混合层溶质进入地表积水-径流层量很少,而模拟α值很小,与实际情况吻合,同时也说明,土壤中流失的污染物重金属Cr(VI)大多存在于地下排水中。

关键词：土壤重金属径流二层非完全混合模型非线性Langmuir吸附 Cr(VI)

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土壤中Cr(Ⅵ)吸附规律试验研究

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排灌机械工程学报 2020年第11期38卷 1167-1173页

作者：王玉雪童菊秀李壁君中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室北京100083 中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083

为了研究Cr(Ⅵ)在土壤不同初始pH和初始浓度条件下的吸附规律,以武汉东西湖蔬菜基地的土壤为试验材料进行土柱的动态吸附试验,调节初始溶液的pH和浓度,制备6种不同性质的土样进行动态吸附试验,选用Origin软件来拟合溶质的穿透曲线;并选... 详细信息

为了研究Cr(Ⅵ)在土壤不同初始pH和初始浓度条件下的吸附规律,以武汉东西湖蔬菜基地的土壤为试验材料进行土柱的动态吸附试验,调节初始溶液的pH和浓度,制备6种不同性质的土样进行动态吸附试验,选用Origin软件来拟合溶质的穿透曲线;并选用惰性离子Cl-进行示踪试验求取弥散系数,结合CXTFTI软件中的化学非平衡模型——两点模型进行数值模拟,求取Cr(Ⅵ)在该土壤中的溶质运移参数,从而对在土壤中Cr(Ⅵ)的吸附过程进行分析及预测.研究结果表明:Cr(Ⅵ)的吸附对pH值非常敏感,通入溶液的初始pH值越低,穿透时间以及达到吸附饱和的时间越早;而初始浓度也会对Cr(Ⅵ)的吸附有一定影响,通入溶液的初始浓度越高,穿透时间以及达到吸附饱和的时间越早.利用两点模型求取的Cr(Ⅵ)在该土壤中的溶质运移参数能很好的解释土柱试验的结果,Cr(Ⅵ)在该土壤的吸附过程中大约60%都是瞬时完成的,40%是受到速率限制作用,满足一阶动力学方程.

关键词：土壤六价铬土柱试验初始pH 初始浓度吸附特征穿透曲线数值模拟

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案例教学法在《地下水模拟不确定性分析》教学中的应用与探究

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创新创业理论研究与实践 2021年第9期4卷 141-143,146页

作者：童菊秀中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083 中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室北京100083

《地下水模拟不确定性分析》是面向地下水科学与工程及水文水资源专业的大学四年级学生开设的教学改革课程,是一门理论性、专业性较强的课程。该课程以地下水模拟为基础,将概率统计方法应用于地下水模拟中,对学生的数学抽象思维要求比... 详细信息

《地下水模拟不确定性分析》是面向地下水科学与工程及水文水资源专业的大学四年级学生开设的教学改革课程,是一门理论性、专业性较强的课程。该课程以地下水模拟为基础,将概率统计方法应用于地下水模拟中,对学生的数学抽象思维要求比较高。为了利于学生对地下水模拟不确定性分析方法的理解、掌握,提高教学效果,笔者将案例教学法应用于课程的教学中,通过具体的仿真案例,使抽象的知识具体化,进行具体分析,调动学生的学习积极性,拓展学生的创造性思维,使学生掌握地下水模拟不确定性分析方法。

关键词：案例教学法地下水模拟不确定性分析

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硕士研究生科研创新能力培养策略初探

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大学（研究与管理） 2021年第2期 75-76页

作者：童菊秀中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083 中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室北京100083

研究生是高等学校培养的高层次人才,肩负着创新创造的重要使命,关系着国家未来的创新发展。本文以近几年某导师培养硕士研究生的教育实践为例,从持续提高导师自身的科研及实践水平、引导学生进入积极科研创新状态、因材施教、树立“重... 详细信息

研究生是高等学校培养的高层次人才,肩负着创新创造的重要使命,关系着国家未来的创新发展。本文以近几年某导师培养硕士研究生的教育实践为例,从持续提高导师自身的科研及实践水平、引导学生进入积极科研创新状态、因材施教、树立“重学术、重应用、重创新”理念四个方面,介绍了硕士研究生科研创新能力的培养措施和心得体会,简述了科研创新能力培养的探索与效果,为进一步提高硕士研究生教育质量提供借鉴。

关键词：研究生培养创新能力因材施教措施

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稻田地表径流氮素流失量数值模拟及淋失规律

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灌溉排水学报 2018年第1期37卷 63-69页

作者：杨瑞童菊秀李佳韵魏文硕中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室北京100083 中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083

【目的】研究稻田氮素径流流失和淋失规律。【方法】在连续淹水条件下开展稻田野外试验,对氮素径流流失过程进行了数值模拟,同时分析了施肥前后土壤剖面氮素质量浓度分布。【结果】施肥当天径流试验中总氮、氨态氮和硝态氮以及施肥后第1... 详细信息

【目的】研究稻田氮素径流流失和淋失规律。【方法】在连续淹水条件下开展稻田野外试验,对氮素径流流失过程进行了数值模拟,同时分析了施肥前后土壤剖面氮素质量浓度分布。【结果】施肥当天径流试验中总氮、氨态氮和硝态氮以及施肥后第18天硝态氮的径流流失质量浓度随时间的下降过程可以用幂函数拟合,而施肥后第18天总氮和氨态氮用指数函数拟合。氮素径流流失过程前期,累积流失量与累积径流量的关系曲线可用抛物线函数拟合,径流后期用抛物线函数拟合效果略好于对数函数。在连续淹水下稻田中硝态氮量很低,主要以氨态氮形式流失。上层土壤(0~30 cm)氮素量大于下层,且上层的氮素量随时间的变化幅度高于下层。【结论】稻田氮素径流流失过程可通过初等函数拟合进行定量描述,提高根系对上层土壤氮素利用率有利于减小氮素淋失,且氮素量呈现高离散程度的上层土壤区是淋失过程定量描述的重点和难点。

关键词：氮水稻田径流流失土壤剖面数值模拟

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陕北黄土高原柠条灌丛穿透雨特征与影响因素

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生态学报 2018年第17期38卷 6063-6073页

作者：艾长江高光耀袁川童菊秀安金霞傅伯杰中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 云南大学国际河流与生态安全研究院昆明650500

穿透雨是降雨再分配的主要组分,对干旱半干旱区的土壤水分补给和植被生长具有关键作用。灌丛穿透雨的影响机制特别是植被特征对穿透雨的影响需要进一步的定量研究,且目前对穿透雨空间异质性与聚集效应的研究相对较少。以陕北黄土高原典... 详细信息

穿透雨是降雨再分配的主要组分,对干旱半干旱区的土壤水分补给和植被生长具有关键作用。灌丛穿透雨的影响机制特别是植被特征对穿透雨的影响需要进一步的定量研究,且目前对穿透雨空间异质性与聚集效应的研究相对较少。以陕北黄土高原典型灌丛—柠条为研究对象,于2016年对六道沟小流域柠条冠层下8个方位的穿透雨以及降雨和植被因子进行系统观测,分析穿透雨量、穿透雨率、穿透雨空间变异和聚集效应的变化特征,辨识影响穿透雨的主要降雨和植被因子,并建立相应的定量关系。结果表明:次降雨下柠条的穿透雨量、穿透雨率和空间变异系数平均值分别为11.88 mm、75.71%和21.80%。穿透雨量主要由降雨量决定,随降雨量增加而线性增加(R^2=0.99)。穿透雨率和空间变异系数主要受降雨量和降雨强度影响,穿透雨率随降雨量和I_30增加而呈对数增加(R^2=0.71和0.54),渐进值约为95%,而穿透雨空间变异系数则随降雨量和I_30增加而呈幂函数递减(R^2=0.71和0.60),稳定值约为10%。冠层厚度和枝倾角是影响穿透雨的主要植被因子,并分别呈显著的线性负相关和正相关(P<0.05)。柠条穿透雨具有一定的聚集效应,平均发生频率为8.53%,且聚集效应在大雨量、高雨强和长历时降雨事件中更加明显。

关键词：穿透雨空间异质性聚集效应冠层特征定量关系

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土壤中氮磷流失试验研究

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灌溉排水学报 2016年第8期35卷 9-15页

作者：杨瑞童菊秀魏文硕李佳韵张效苇中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室北京100082 中国地质大学(tL京)水资源与环境学院北京100083

为了探讨农田土壤中氮磷对水环境的污染,开展室内模拟降雨试验,通过对比分析不同试验条件下氮磷在地表径流和地下排水溶液中的流失质量分数和流失速率,研究了土壤中氮磷的流失规律。结果表明,同时存在地表径流与地下排水时,地下排水流... 详细信息

为了探讨农田土壤中氮磷对水环境的污染,开展室内模拟降雨试验,通过对比分析不同试验条件下氮磷在地表径流和地下排水溶液中的流失质量分数和流失速率,研究了土壤中氮磷的流失规律。结果表明,同时存在地表径流与地下排水时,地下排水流失的氮占氮流失总量的主要部分,而磷则主要通过地表径流途径流失。总体上来说,土壤中氮磷溶质从地下排水途径中流失比重大,故通过控制流失途径来减少流失时,需优先采取降低地下排水量的措施。当地下排水条件越差、地表最大积水深度越大时,氮磷的流失总量越少;土壤初始含水率越大,土壤中氮磷溶质在地表径流途径中的流失量越大。

关键词：氮磷地表径流地下排水土壤溶质流失

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