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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

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干旱地区农业研究 2023年第2期41卷 141-149页

作者：王春娟刘全明尹承深王福强内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院内蒙古呼和浩特010018 黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理自治区协同创新中心内蒙古呼和浩特010018

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... 详细信息

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。

关键词：土壤水分模拟数据同化 hydrus-1d模型集合卡尔曼滤波

基于hydrus-1d模型的毛乌素沙地杨柴(Hedysarum laeve)灌木林土壤含水量模拟

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中国沙漠 2022年第6期42卷 233-242页

作者：洪光宇王晓江刘铁山海龙吴振廷胡尔查高孝威杨海峰李卓凡李梓豪斯琴王乐军内蒙古自治区林业科学研究院内蒙古呼和浩特010010 扎鲁特旗草原技术服务中心内蒙古扎鲁特旗029100

在干旱半干旱区植被恢复与重建过程中,土壤储水量会发生明显变化。土壤水分是限制植被生长的主要因子,运用数学模拟的方法研究植被建设后土壤水分变化特征,能更快预测土壤水分的亏缺情况。本研究选用hydrus-1d模型,模拟毛乌素沙地典型... 详细信息

在干旱半干旱区植被恢复与重建过程中,土壤储水量会发生明显变化。土壤水分是限制植被生长的主要因子,运用数学模拟的方法研究植被建设后土壤水分变化特征,能更快预测土壤水分的亏缺情况。本研究选用hydrus-1d模型,模拟毛乌素沙地典型灌木林杨柴(Hedysarum laeve)群落的土壤水分空间和时间变化,评估hydrus-1d模型在毛乌素沙地杨柴人工林地的适用性。以杨柴生长季为研究期,通过调查的各项实测值带入hydrus-1d模型并对参数进行优化后模拟杨柴群落土壤水分时间和空间的变化过程,利用同时间段Watchdog土壤水分监测仪连续监测的不同土层土壤含水量数据作为对照值验证其模拟值的适用性。结果表明:研究区飞播杨柴灌木林地不同深度土壤水分实测值与模拟值的决定系数0.55—0.78,均方根误差0.005%—0.0143%,实测值与模拟值具有较好的一致性,说明hydrus-1d模型适用于模拟毛乌素沙地杨柴灌木林土壤剖面的水分变化。

关键词：毛乌素沙地杨柴灌木林土壤水分 hydrus-1d模型适用性

基于hydrus-1d模型的水库近坝区土壤水分动态模拟

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长江科学院院报 2023年

作者：黎洪德董小涛李巧玲河海大学水文水资源学院水利部综合事业局

为探究五强溪水库近坝区土壤水分动态变化规律，以研究区内土壤墒情站为研究对象，利用实测逐日降雨与逐日蒸发数据驱动hydrus-1d模型反演土壤水力特性参数，在10 cm、20 cm、40 cm观察点处进行了土壤水分动态模拟，探讨了研究区土壤水... 详细信息

为探究五强溪水库近坝区土壤水分动态变化规律，以研究区内土壤墒情站为研究对象，利用实测逐日降雨与逐日蒸发数据驱动hydrus-1d模型反演土壤水力特性参数，在10 cm、20 cm、40 cm观察点处进行了土壤水分动态模拟，探讨了研究区土壤水分动态变化规律及模型的应用效果。结果表明：不同观察点土壤水分模拟值与实测值的决定系数的平均值为0.74，纳什效率系数的平均值为0.71，均方根误差在0.011～0.035 cm3·cm-3之间；0～10 cm深度的土壤水分对降雨和蒸发的响应最灵敏，波动最大；在水库主汛期(4～6月)土壤水分变化平稳，且保持在较高的水平；研究期内7-12月的土壤水分在较大降雨情况下出现短暂的饱和，土壤干湿变化明显，模拟值与实测值吻合度较高；整体上，hydrus-1d模型在研究区土壤水分动态模拟中具有较高的精度，可为研究区土壤水分估计及其动态变化规律研究提供有效方法。

关键词： hydrus-1d模型土壤水分动态水库近坝区参数反演墒情站

应用hydrus-1d模型分析Cr(Ⅵ)在负载针铁矿的石英砂中的迁移特征

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环境工程 2023年第S2期41卷 1186-1189,1195页

作者：焦独醒李家斌李进花程微中南民族大学资源与环境学院武汉430074

采用负载针铁矿的石英砂填充柱子,通过柱穿透实验研究了浓度、流速、砂柱填充量和pH对Cr(Ⅵ)在负载针铁矿的石英砂(GCS)中迁移规律。结果表明:Cr(Ⅵ)在柱子中的迁移随初始浓度的增加而增加,随流速的增加而增加,随砂样填充量的增加而减少... 详细信息

采用负载针铁矿的石英砂填充柱子,通过柱穿透实验研究了浓度、流速、砂柱填充量和pH对Cr(Ⅵ)在负载针铁矿的石英砂(GCS)中迁移规律。结果表明:Cr(Ⅵ)在柱子中的迁移随初始浓度的增加而增加,随流速的增加而增加,随砂样填充量的增加而减少,随pH的升高而增加。用hydrus-1d模型对Cr(Ⅵ)在不同条件下的穿透曲线进行拟合,模型模拟值与实验实测值拟合度较好,从而揭示不同环境因素对Cr(Ⅵ)在GCS中的迁移的影响。

关键词： Cr(Ⅵ) 针铁矿石英砂 hydrus-1d模型迁移

hydrus-1d模型在推导基于保护地下水的土壤风险控制值中的应用

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环境科学 2019年第12期40卷 5640-5648页

作者：林挺罗飞朱艳杨坤郗秀平深圳市环境科学研究院国家环境保护饮用水水源地管理技术重点实验室

为合理推导基于保护地下水的土壤风险控制值和风险控制土方量,以珠三角某企业的电镀车间为研究区域,采用hydrus-1d耦合地下水稀释模型构建水流和溶质运移方程,模拟六价铬和镍在包气带的迁移过程,并将计算结果与土壤-水分配耦合地下水稀... 详细信息

为合理推导基于保护地下水的土壤风险控制值和风险控制土方量,以珠三角某企业的电镀车间为研究区域,采用hydrus-1d耦合地下水稀释模型构建水流和溶质运移方程,模拟六价铬和镍在包气带的迁移过程,并将计算结果与土壤-水分配耦合地下水稀释模型进行比较.结果表明,考虑包气带吸附作用下,hydrus-1d耦合地下水稀释模型计算六价铬和镍的土壤风险控制值分别为41. 6 mg·kg-1和619. 1 mg·kg-1,与土壤-水分配耦合地下水稀释模型的计算结果相比,其风险控制值分别提高了近10倍和45倍,风险控制土方量分别减少1 804 m3和44 590 m3.对于地下水位埋深较浅、水力联系密切的污染场地,可进一步开展水文地质调查,完整考虑污染物在包气带的迁移过程,采用hydrus-1d耦合地下水稀释模型推导基于保护地下水的土壤风险控制值,以节约后期治理修复或风险管控成本.

关键词：土壤-水分配模型 hydrus-1d模型地下水稀释模型包气带六价铬镍

基于EnKF和hydrus-1d模型的土壤水分遥感数据同化研究

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基于EnKF和HYDRUS-1D模型的土壤水分遥感数据同化研究

作者：王春娟内蒙古农业大学

学位级别：硕士

土壤水分是农业、水文、气候系统等研究中的关键参数,在陆表与大气间的物质交换和能量循环中发挥着重要作用。特别是在干旱半干旱地区,土壤水分信息对作物生长、节水灌溉、水土流失过程研究等具有重要影响,如何及时获取精准的时空连续... 详细信息

土壤水分是农业、水文、气候系统等研究中的关键参数,在陆表与大气间的物质交换和能量循环中发挥着重要作用。特别是在干旱半干旱地区,土壤水分信息对作物生长、节水灌溉、水土流失过程研究等具有重要影响,如何及时获取精准的时空连续性土壤水分信息一直是国内外学者们研究的重点。目前,土壤水分信息的获取方式主要有地面观测、模型模拟和遥感监测,这三种方法各有优势和局限,因此如何融合不同的土壤水分监测方法达到优势互补,进而有效提高土壤水分的预测精度是非常值得研究的课题。因此,本文以内蒙古河套灌区五原县两万亩盐渍化耕地为研究区,采用水云模型去除植被覆盖影响后的土壤后向散射系数,构建了表层土壤水分反演的人工智能模型。采用hydrus-1d模型对不同深度土壤水分进行模拟,并对模拟结果进行率定和验证。以表层遥感土壤水分反演值和实测土壤水分观测值分别作为观测算子,运用集合卡尔曼滤波算法(EnKF)将土壤水分观测值引入到hydrus-1d模型中,构建不同深度的土壤含水量数据同化方案,并对同化过程进行敏感性分析,确定了最佳数据同化方案。研究得到的主要结论如下:(1)采用水云模型去除植被覆盖影响后得到的土壤后向散射系数,构建BP神经网络、RBF神经网络两种表层土壤水分反演模型,由反演结果可见:RBF神经网络模型的预测土壤含水量与实测土壤含水量之间的决定系数R为0.7978,相比BP神经网络模型提高了0.1029;均方根误差RMSE为0.020cm·cm,相比BP神经网络模型减少了0.006cm·cm。这表明RBF神经网络模型更加适用于研究区土壤水分的反演研究,其反演预测值可作为观测算子用于表层土壤水分遥感数据同化模拟。(2)基于研究区的气象数据与土壤水分实测数据,利用hydrus-1d模型模拟土壤含水量,阐明了土壤水分在垂直方向的变化情况,得到各采样点在深度0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm模型模拟值的均方根误差分别为0.020～0.056cm·cm、0.017～0.043cm·cm、0.018～0.050cm·cm、0.020～0.046cm·cm。这表明hydrus-1d模型对土壤含水量有较好的模拟效果。(3)提出了基于EnKF的土壤水分数据同化方案,经敏感性分析后确定集合数N为100时,土壤水分同化效果最佳。数据同化的观测算子为表层遥感土壤水分反演值和实测土壤水分观测值,同化算法为EnKF算法,同化的模型算子为hydrus-1d模型。(4)将EnKF算法进行数据同化后的结果,与单独使用hydrus-1d模型结果相比,在固定观测站点上,各土层水分同化分析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、0.010～0.017cm·cm、0.008～0.016cm·cm,确定数据同化方法能够有效改善土壤水分的模拟精度。其中0～20cm土壤水分同化效果最好,20～40cm次之,40～80cm土壤水分同化效果较差。分析值模拟精度优于同化预报值,同化预报值模拟精度优于hydrus-1d预报值。在区域尺度上,17个采样点不同月份下同化土壤含水量与实测土壤含水量决定系数R在0.6313～0.8747之间,区域同化结果反映了研究区土壤含水量北低、南高的空间分布规律,且土壤含水量随土层深度增加而逐渐增加;土壤含水量在4～9月份总体呈现上升趋势。表明本文的数据同化研究方案能够有效提高土壤含水量的模拟精度,对土壤水分信息的时空分布监测具有一定的参考价值。

关键词：土壤水分水云模型神经网络模型 hydrus-1d模型数据同化集合卡尔曼滤波

hydrus-1d模型模拟渭北旱塬深剖面土壤水分的适用性

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应用生态学报 2019年第2期30卷 398-404页

作者：李冰冰王云强李志西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061

黄土高原生态恢复过程中,深剖面土壤水分平衡状况发生了重要变化,但传统观测方法难以量化深层渗漏等水文变量,需要借助模型进行分析.本研究利用hydrus-1d模型,模拟渭北旱塬长武塬农地和苹果园10 m深剖面土壤水分的垂直分布和时间变化,... 详细信息

黄土高原生态恢复过程中,深剖面土壤水分平衡状况发生了重要变化,但传统观测方法难以量化深层渗漏等水文变量,需要借助模型进行分析.本研究利用hydrus-1d模型,模拟渭北旱塬长武塬农地和苹果园10 m深剖面土壤水分的垂直分布和时间变化,评价模型的适用性.基于2011年9月—2013年10月观测的土壤水分数据,通过优化土壤水力参数,模拟深剖面土壤水分空间和时间的离散化过程.结果表明:校准期和验证期,hydrus-1d模型的决定系数在0.65～0.85、模型效率系数在0.55～0.83、土壤水分的均方根误差在0.01～0.02cm^3·cm^(-3).实测与模拟土壤水分的剖面分布和时间变化状况具有很好的一致性,表明hydrus-1d可以用于模拟渭北旱塬深剖面的土壤水文状况.

关键词：渭北旱塬深剖面土壤水分 hydrus-1d模型

基于hydrus-1d模型的河套灌区典型夹砂层耕地水分利用分析

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农业工程学报 2021年第18期37卷 90-99页

作者：冯壮壮史海滨苗庆丰孙伟刘美含代丽萍内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院呼和浩特010018 高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心呼和浩特010018

为研究夹砂层耕地水分利用规律,以河套灌区典型夹砂层土壤耕地为研究对象,利用在春玉米生育期田间监测数据,应用土壤水分运动数值模型,探究对夹砂层土壤田间蒸散发、作物耗水及深层土壤水分的补给与深层渗漏规律。选择2种土壤的夹砂层... 详细信息

为研究夹砂层耕地水分利用规律,以河套灌区典型夹砂层土壤耕地为研究对象,利用在春玉米生育期田间监测数据,应用土壤水分运动数值模型,探究对夹砂层土壤田间蒸散发、作物耗水及深层土壤水分的补给与深层渗漏规律。选择2种土壤的夹砂层埋深梯度S1(40~95 cm)、S2(60~110 cm),设置了3个灌水水平W1(252.5 mm)、W2(315.85 mm)、W3(378.75 mm)开展田间试验,同不含夹砂层处理B作对照,并应用hydrus-1d模型模拟春玉米生育期田间蒸散发,土壤水分深层渗漏及地下水补给耕层水量与根系吸水量,与不含夹砂层处理对比分析夹砂层对田间水分利用影响。结果表明:随着砂层埋深增加,棵间蒸发损失减小,叶面蒸腾水量增加;不含夹砂层处理玉米田间毛管向上补给水量较浅埋砂层与深埋砂层处理分别大57.01%、118.53%,灌水量为315.85 mm时含夹砂层处理的土壤水分深层渗漏最小;玉米生育期内根系吸水量随砂层埋深的增加而减少,不含夹砂层处理根系吸水量最大。浅埋砂层与深埋砂层处理分别为蒸散量的55.51%、61.31%,不含夹砂层处理为66.69%;暂时性亏缺水量从大到小依次为:S2、S1、B,水分从大到小依次为:B、S2、S1。综合考虑夹砂层土壤水分迁移、作物水分利用规律,建议在夹砂层耕地春玉米灌溉根据砂层分布因地制宜定灌溉制度,当夹砂层埋深在40~110 cm范围时,推荐春玉米在生育期灌溉定额为315.85 mm。该研究结果可为河套灌区含有夹砂层农田灌溉制度的制定提供理论指导。

关键词：灌溉土壤含水率夹砂层土壤土壤蒸散地下水补给深层渗漏 hydrus-1d模型

hydrus-1d模型在田间水循环规律分析中的应用及改进

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农业工程学报 2011年第3期27卷 6-12页

作者：马欢杨大文雷慧闽蔡建峰楠田哲也清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 位山灌区管理处聊城252000 日本北九州市立大学国际环境工学部北九州808-0135

为分析农田水分运移规律,以华北平原位山引黄灌区典型田间为研究对象,应用hydrus-1d模型连续模拟了2006-2009年的田间水分运移过程。对模型中表面阻抗的计算方法进行了改进,从而改善了蒸散发的模拟结果,与涡度相关系统的实测蒸散发数据... 详细信息

为分析农田水分运移规律,以华北平原位山引黄灌区典型田间为研究对象,应用hydrus-1d模型连续模拟了2006-2009年的田间水分运移过程。对模型中表面阻抗的计算方法进行了改进,从而改善了蒸散发的模拟结果,与涡度相关系统的实测蒸散发数据对比表明了改进的合理性。对蒸散发的分析表明,对于种植季节性作物的农田,叶面积指数(leafarea index,LAI)是影响蒸散发季节变化过程的重要因素,而气象条件主要决定其在较短时间尺度(如一周)内的波动。与时域反射仪(time domain reflectometry,TdR)实测土壤含水率的对比表明,模型对土壤含水率的模拟精度较高。水量平衡分析结果表明,降雨和灌溉的80%由蒸散发消耗,在汛期农田通过排水发生田间渗漏损失。

关键词：蒸发蒸腾模型 hydrus-1d模型位山灌区水量平衡