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考虑水转化过程的干旱区内陆河流域适宜灌溉规模

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农业工程学报 2024年第6期40卷 228-236页

作者：胡雪雪粟晓玲朱兴宇褚江东张特吴海江西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算考虑水转化过程的不同水文年农业灌... 详细信息

农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算考虑水转化过程的不同水文年农业灌溉可用水量,并构建多目标种植结构优化模型对作物种植结构进行调整,最后改进水热平衡模型构建考虑水转化过程的旱区适宜灌溉规模计算模型,分析流域不同情景下的适宜灌溉规模。结果表明:地表水地下水联合调控下,石羊河流域丰、平、枯水年的灌溉可用水量分别为18.97亿~21.57亿、14.75亿~17.51亿、12.31亿~14.95亿m^(3);优化作物种植结构后能够以减少2.94%的经济效益实现14.13%的灌溉节水;构建的适宜灌溉规模计算模型在干旱区内陆河流域具有较好的适用性,采用该方法得到现状条件下石羊河流域丰、平、枯水年的适宜灌溉规模分别为27.73万~31.66万、21.55万~25.76万、18.01万~22.03万hm^(2),提高节水水平、调整种植结构后,流域的适宜灌溉规模有所增加。现状2020年(平水年)的实际灌溉面积高于当地水资源能够承载的临界适宜灌溉规模,需压减2.13万~6.34万hm^(2)。研究结果可在宏观层面上为决策者制定适水农业发展方案提供理论依据。

关键词：水资源灌溉模型水转化适宜规模种植结构优化石羊河流域

基于无人机图像纹理和表型参数的夏玉米水分胁迫诊断

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农业工程学报 2024年第10期40卷 136-146页

作者：谢坪良张智韬巴亚岚董宁左西宇杨宁陈俊英程智楷张蓓杨晓飞西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

农田水分胁迫是影响作物生长发育和产量品质的重要原因。及时准确地诊断作物水分胁迫状况,对于实现精准灌溉、提高作物抗逆性和产量等具有重要意义。为优化夏玉米水分胁迫诊断方法和提高诊断精度,该研究以夏玉米为对象,利用无人机搭载... 详细信息

农田水分胁迫是影响作物生长发育和产量品质的重要原因。及时准确地诊断作物水分胁迫状况,对于实现精准灌溉、提高作物抗逆性和产量等具有重要意义。为优化夏玉米水分胁迫诊断方法和提高诊断精度,该研究以夏玉米为对象,利用无人机搭载六通道多光谱传感器获取2022年夏玉米拔节期和抽雄期的遥感影像数据,且同步采集夏玉米气孔导度和表型参数数据,监督分类剔除冗余背景后使用灰度共生矩阵计算得到冠层植被指数和图像纹理信息,通过贝叶斯信息准则和全子集筛选法筛选出敏感的植被指数、图像纹理和表型参数及其组合,结合极限学习机、随机森林和反向传播神经网络3种机器学习方法构建夏玉米气孔导度预估模型,并基于最优气孔导度预估模型绘制夏玉米水分胁迫状况反演图。结果表明,多光谱图像的夏玉米冠层反射率与气孔导度呈弱负相关,植被指数和表型参数与气孔导度呈显著正相关,不同波段的图像纹理均与气孔导度有较高的相关性。植被指数用于评估植被整体健康和水分状况,图像纹理用于捕捉作物空间分布、纹理和结构特征,表型参数用于立体反映作物生理和形态信息,它们在诊断作物水分胁迫的机理上具有互补性。基于植被指数、图像纹理和表型参数构建的反向传播神经网络模型是夏玉米水分胁迫诊断的最佳模型(决定系数为0.841,均方根误差为0.043 mol/(m^(2)·s),平均绝对误差为0.034 mol/(m^(2)·s)),并显著改善了对气孔导度较低值的低估情况。绘制的夏玉米水分胁迫状况反演图呈现出广泛的应用潜力,能够便捷准确地诊断作物水分胁迫状况,以优化灌溉策略,调整资源分配。研究结果可为夏玉米的水分胁迫诊断提供一种可行而准确的方法。

关键词：无人机水分胁迫气孔导度植被指数图像纹理表型参数

协同调控水-农业-生态的干旱区多水源优化配置

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农业工程学报 2024年第2期40卷 239-248页

作者：朱兴宇粟晓玲胡雪雪褚江东贾丹妮吴海江张特西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

干旱区农业发展往往以挤占生态用水和超采地下水为代价,考虑水-农业-生态互馈关系的水资源优化配置有助于平衡利益冲突。该研究以地下水均衡、经济效益和生态用水满足度为调控目标,构建基于水-农业-生态协同调控的多水源优化配置模型,... 详细信息

干旱区农业发展往往以挤占生态用水和超采地下水为代价,考虑水-农业-生态互馈关系的水资源优化配置有助于平衡利益冲突。该研究以地下水均衡、经济效益和生态用水满足度为调控目标,构建基于水-农业-生态协同调控的多水源优化配置模型,并推求协调发展度计算式,提出了结合NSGA-Ⅱ算法和协调发展度的协同优化算法,分析石羊河流域水、农业和生态之间的权衡和协同关系,确定水-农业-生态协同提升下的水资源配置方案以及适宜的农业和生态用水比例。结果表明,现状条件下,六河子系统的水资源优化配置方案的经济效益可提升1.9%,实现地下水正均衡0.59亿m^(3);全流域农业和生态用水比例为90%∶10%,渠井用水比为67%∶33%。平水年保障蔡旗来水为3.48亿m^(3)/a时,能够以牺牲中游1.6%的经济效益实现生态用水满足度和地下水均衡量分别较基准情景提升4.8%和18.6%。研究为协同调控复杂的水-农业-生态关系提供了一种有效方法,可为干旱区流域水资源规划与管理提供参考。

关键词：水资源优化生态水-农业-生态协调发展度协同调控用水比例石羊河流域

基于生态系统恢复力的干旱区植被生态需水阈值计算方法与应用

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湖泊科学 2024年第2期36卷 645-656页

作者：雷逸甦粟晓玲褚江东张特刘雨翰西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

本文以石羊河流域中下游为研究区,采用考虑生态系统恢复力(latitude of ecosystem resilience,LER)的月尺度生态需水评估方法计算19822020年植被月适宜生态需水量、最小生态需水量以及相应的生态缺水量,并与土壤水分特征值法(characteri... 详细信息

本文以石羊河流域中下游为研究区,采用考虑生态系统恢复力(latitude of ecosystem resilience,LER)的月尺度生态需水评估方法计算19822020年植被月适宜生态需水量、最小生态需水量以及相应的生态缺水量,并与土壤水分特征值法(characteristic value of soil water,CVSW)进行比较,分析不同类型植被生长期的水分盈亏关系。结果表明:LER法和CVSW法计算结果相近,但LER法具有更大的生态需水阈值区间;天然降水基本可以满足植被的基本生存,但无法满足正常生长需求;LER法的适宜需水条件下,各植被生长期总体处于缺水状态,缺水严重程度排序为灌木林>其他林地>疏林地>高覆盖度草地>中覆盖度草地>有林地,全部植被生长期总适宜生态需水量为3.7×10^(8)m^(3),亏缺水量为1.2×10^(8)m^(3),同一植被亏缺水量基本符合春秋多、夏季少的规律;最小需水条件下,只有其他林地存在生长期缺水情况,全部植被生长期总最小生态需水量为0.8×10^(8)m^(3);在缺乏土壤水分数据的干旱地区,LER法具有良好的适用性。研究结果可为石羊河流域水资源高效利用和干旱区生态系统的恢复与重建提供理论参考。

关键词：生态需水生态系统恢复力干旱区植被石羊河流域 Penman-Monteith公式

基于三维激光扫描技术的冻结黑土细沟发育模拟

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农业工程学报 2024年第10期40卷 117-127页

作者：毕鑫宇张哲源高航胡亚鲜张智韬栗现文西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学创新实验学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院杨凌712100

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface mod... 详细信息

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface model of difference,DoD)微地形变化监测方法与点云逆向工程,获取细沟网络发育过程的侵蚀面积、侵蚀体积、细沟长度和细沟密度等侵蚀参数。结果表明,冻结因素与温度变化对细沟网络发育过程与程度有重要影响:1)冻结处理的黑土坡面更容易发展出细沟网络,达到坡面侵蚀形态基本稳定后的侵蚀面积、侵蚀体积以及侵蚀细沟长度是非冻结处理黑土坡面的291%、557%和437%。2)冻结处理与非冻结处理沿坡面细沟截面形态变化差异明显。冻结坡面细沟交叉时宽深比RW/D快速减小,下切速度加快,随后宽度与深度呈比例稳定增加;非冻结坡面汇水处的R_(W/D)随冲刷次数增加而增大,侧蚀速度加快,其他截面R_(W/D)随着冲刷次数的增加而减小,下切速度加快。3)采用ArcGIS与点云逆向工程模型联合获取的冻结状态下细沟形态参数与发育过程DoD相对误差范围为-12.70%~4.42%,提取精度在95%以上。该联合方法在冻结土体条件下获取细沟参数具有较高精度,可作为土壤侵蚀参数高精度提取的一种手段。

关键词：黑土侵蚀冻融细沟网络融雪径流三维激光扫描

基于SSA-BP算法的仿鸮翼形量水槽水力性能

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农业工程学报 2024年第9期40卷 59-67页

作者：姚田成张宽地杨洋李柯吕宏兴西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100

为了设计出构造简单、水力性能优良,同时能满足灌区量水需求的量水槽,该研究根据鸮翼曲线提出了一种仿鸮翼形渠道量水槽。首先,利用基于麻雀搜索算法的BP神经网络(sparrow search algorithm,SSA-BP)优化鸮翼展向比,得到最小水头损失的... 详细信息

为了设计出构造简单、水力性能优良,同时能满足灌区量水需求的量水槽,该研究根据鸮翼曲线提出了一种仿鸮翼形渠道量水槽。首先,利用基于麻雀搜索算法的BP神经网络(sparrow search algorithm,SSA-BP)优化鸮翼展向比,得到最小水头损失的量水槽线形,并探究了优化后的量水槽在输水渠道的适用性。进一步地,在8种流量工况下,选用6组收缩比开展测流试验,结合FLOW-3D数值模拟分析仿鸮翼形量水槽水头损失、弗劳德数、壅水高度、临界淹没度等水力参数,建立测流公式。试验表明,基于SSA-BP优化的仿鸮翼形量水槽具有良好的测流性能,在建议收缩比0.60~0.66范围内,其水头损失为7.75%~14.21%,临界淹没度为0.81~0.90,上游壅水高度为0.84~3.16 cm,上游弗劳德数均小于0.42,符合灌区量水要求。建立的测流公式,平均测流误差为1.49%,测流精度较高。仿鸮翼形量水槽各项水力性能指标优良,能满足灌区测量精度,针对灌区优化水资源配置、精细化用水具有一定的推广价值。

关键词：量水槽仿生数值模拟优化算法收缩比水力性能

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的Myring流线型量水槽体型优化设计

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农业机械学报 2024年第4期55卷 241-250页

作者：杨洋张宽地姚田成李柯吕宏兴王蒙西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

Myring流线型在水下航行器领域应用较为广泛,而量水槽在渠道中的受阻状态与潜水器潜行时受到的阻力情况具有一定的相似之处,因此本文借鉴潜水器的结构特点进行量水槽体型设计,探究量水槽受阻最小的较优线型。基于FLOW-3D软件,采用最优... 详细信息

Myring流线型在水下航行器领域应用较为广泛,而量水槽在渠道中的受阻状态与潜水器潜行时受到的阻力情况具有一定的相似之处,因此本文借鉴潜水器的结构特点进行量水槽体型设计,探究量水槽受阻最小的较优线型。基于FLOW-3D软件,采用最优拉丁超立方设计方法,以流线型的收缩段长度和锐度因子、扩散段长度和离去角为变量设计了40组数值模拟方案,得到对应的水头损失百分比和上游佛汝德数。以数值模拟变量为输入、结果为输出,训练RBF神经网络,结合NSGA-Ⅱ遗传算法获得Patero前沿解,通过TOPSIS评价法筛选出最优解并得出其线形参数:优化模型收缩段长度为45.9 cm、收缩段锐度因子为0.74、扩散段长度为49.2 cm、扩散段离去角为14.63°,并通过等比例缩放得到6组收缩比,在9组流量下进行模型试验分析水力性能。结果表明,优化后线型过流较顺畅,水力性能较优,预测结果和模拟结果误差不超过5%;不同工况下上游佛汝德数均小于0.5,满足测流规范要求,收缩比为0.58~0.66时各项水力性能均较优;基于临界流测流和量纲分析原理得到的测流公式精度较高,平均相对误差为2.09%。本研究证明了将流线型运用于量水槽领域研究以及通过神经网络和遗传算法寻优的可行性,优化后Myring流线型量水槽具有良好的性能和测流精度,在灌区渠道中具有较好的运用前景。

关键词：流线型量水槽体型优化数值模拟神经网络 NSGA-Ⅱ遗传算法

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基于Sentinel-1/2改进极化指数和纹理特征的土壤含盐量反演模型

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农业机械学报 2024年第1期55卷 175-185页

作者：张智韬贺玉洁殷皓原项茹陈俊英杜瑞麒西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

目前Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的研究大多是基于Sentinel-2光谱信息和Sentinel-1后向散射系数,没有考虑Sentinel-2光谱信息容易受土壤亮度等信息影响,Sentinel-1后向散射系数容易受土壤粗糙度和水分影响。为进一步提高Sentine... 详细信息

目前Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的研究大多是基于Sentinel-2光谱信息和Sentinel-1后向散射系数,没有考虑Sentinel-2光谱信息容易受土壤亮度等信息影响,Sentinel-1后向散射系数容易受土壤粗糙度和水分影响。为进一步提高Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的精度,用水云模型对雷达卫星后向散射系数进行校正,消除植被影响;然后协同Sentinel-2纹理特征,基于VIP、OOB、PCA 3种变量筛选和RF、ELM、Cubist 3种机器学习回归模型构建植被土壤含盐量反演模型。研究结果表明:经过水云模型去除植被影响后的雷达后向散射系数及其极化组合指数与土壤含盐量的相关性有一定程度的提高。不同变量选择方法与不同机器学习方法耦合模型在反演土壤含盐量中,OOB变量筛选方法与RF、ELM和Cubist 3种机器学习方法的耦合模型精度最佳,建模集和验证集的R2都在0.750以上,且验证集的RMSE和MAE均最小;其中OOB-Cubist耦合模型精度最高,且R_(v)^(2)/R_(c)^(2)为0.955,具有良好的鲁棒性。研究可为机器学习协同物理模型、光学卫星协同雷达卫星在土壤含盐量反演中的进一步应用提供思路。

关键词：土壤含盐量 Sentinel-1/2 纹理特征水云模型机器学习改进极化指数

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减施氮肥和接种根瘤菌对大豆生理生长与氮素利用效率及产量的影响

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农业机械学报 2024年第3期55卷 340-351页

作者：向友珍张威唐子竣付骏宇李志军张富仓西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^... 详细信息

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^(2);N1:60 kg/hm^(2);N2:120 kg/hm^(2);N3:180 kg/hm^(2))和2种接种水平,即接种根瘤菌(R)和清水拌种。在大豆各生育期测量根瘤数、根瘤干质量、叶面积指数、干物质积累及根系特性等大豆生长指标和叶绿素含量、光合参数、荧光参数等生理指标,同时还测定氮素吸收量等指标并计算氮素利用效率。结果表明,RN2处理下的大豆生长状况最佳,2年平均最大根瘤数为241.47、最大根瘤干质量为1.30 g、最大根长密度为15.00 cm/cm^(3)、最大叶面积指数为5.44 cm^(2)/cm^(2)、最大干物质积累量为17 530.51 kg/hm^(2)、最大叶绿素含量为53.55、最大净光合速率为32.75μmol/(m^(2)·s)、最大种子产量为4 659.4 kg/hm^(2)。由此可见减少氮肥施用量(N2)的同时接种根瘤菌(R)对于促进关中平原大豆的生理生长、提升对氮素的利用效率、提高大豆产量具有重要意义。本研究可为提高干旱半干旱地区大豆生产水平提供理论支持和实践经验。

关键词：大豆施氮接种根瘤菌氮肥利用效率产量

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