考虑地表-土壤-作物水分联合亏缺的综合旱情指数研究

区域干旱发生发展受地表水、土壤水、作物水等多种缺水过程的共同影响，以往基于单一缺水过程构建的干旱指数难以反映实际旱情，综合考虑多种缺水过程构建综合旱情指数，对有效开展区域旱情监测具有重要的意义。基于水文作物耦合模型(VIC-EPIC)模拟数据，通过线性加权集成标准化径流指数(SRI)、土壤含水量距平指数(SMAPI)和作物缺水指数(CWDI),构建了反映地表-土壤-作物水分联合亏缺的综合旱情指数(CDSI),并采用1981—2020年数据在湘江流域开展了应用研究。结果表明，基于CDSI提取的旱情特征序列与流域内35个县1990—2007年受旱率相关性在0.4～0.8之间，82.9%通过5%显著性水平检验，与反映单一水分亏缺的SRI、SMAPI和CWDI相比，相关性整体上有较大提升。CDSI能够较好地反映区域实际旱情发生发展，可为大范围旱情准确识别和评估提供有效支撑。     

土壤墒情自动化监控系统研究

土壤墒情自动化系统可为节水灌溉及排涝抗旱工作提供强有力的技术支持,将产生较大的社会与经济效益.对在作物生长过程中起关键作用的土壤湿度、降雨量、地下水水位等因子进行采集,并对作物的实时生长情况进行视频监控.在此基础上,通过构建计算机信息平台,对监测采集的数据进行存储计算.根据收集的土壤含水量数据信息,建立灌溉智能决策系统,通过开发基于B/S结构的系统网站访问模式,实现土壤墒情自动化监控.     

一种由土壤剖面含水率估算土壤水力参数的方法

根据瞬时剖面法的基本思想,提出一种利用剖面土壤含水率数据推求土壤水力参数的方法。可依据不同时间和深度的土壤含水率数据,得到土壤剖面不同深度处的土壤水分通量;根据van Genuchten模型描述的土壤负压及非饱和水力传导度与土壤含水率的关系,建立水分通量和土壤水分参数间的关系,并采用非线性最小二乘法估计最优土壤水力参数。文中应用软件HYDRUS-1D模拟12种土壤所得数据和田间尺度试验数据验证了方法的实用性。结果表明,该方法预测精度较高,可以方便地应用于均质土壤水力参数的估算。     

被动微波遥感土壤水分反演研究进展

准确获取区域土壤水分时空分布和变化对于水文过程模拟、洪旱灾害监测等方面具有重要意义。近几十年,快速发展的遥感技术为大区域地表土壤水分连续观测提供了机遇。尤其,被动微波遥感具有诸多优势,被认为是进行大区域表层土壤水分连续监测的最有潜力的手段。国内外学者对被动微波遥感土壤水分反演开展了大量的研究。为了更好了解国内外研究前沿动态、分析被动微波反演的土壤水分在生产实践中应用的可能性,从被动微波遥感卫星技术发展、土壤水分反演算法和卫星辐射计被动微波土壤水分产品3个方面总结了被动微波遥感土壤水分反演研究进展情况。     

基于遥感和地面测量的多尺度土壤水分产品验证分析

遥感反演是大尺度土壤水分监测的有效手段,但地面验证一直是土壤水分遥感反演的瓶颈。针对地面土壤水分测量,频域反射仪(FDR)和宇宙射线中子法(CRS)在土壤水分测量中展现出较大的应用潜力。本研究选取不同像元尺度的土壤水分遥感反演结果,包括30 m分辨率Landsat土壤水分反演、1 km分辨率MODIS土壤水分反演和SMAP卫星3 km分辨率和9 km分辨率土壤水分反演产品,利用CRS和FDR土壤水分监测数据对不同像元尺度土壤水分结果进行精度验证分析。结果表明:CRS在30 m分辨率、1 km分辨率、3 km分辨率和9 km分辨率土壤水分反演结果中精度均较FDR方法高,其中1 km分辨率中CRS反演值的均方根误差小于3 km分辨率和9 km分辨率的误差。CRS测量方法对小降水事件较敏感,会带来一定误差。     

砾石土质条件下葡萄滴灌生育期土壤含水率变化规律研究

为探究酿酒葡萄在砾石土质条件下的土壤含水率变化规律及合理灌溉制度,选取贺兰山东麓砾石土典型试验区,以五年生赤霞珠品种为研究对象,设计2 550、2 850、3 225、3 600 m3/hm24个不同定额的灌水处理,应用TDR土壤水分剖面仪和土壤水势仪,监测生育期滴灌前后不同土层含水率与水势变化,针对监测数据从灌水处理整体与单个生育期不同角度进行分析,研究酿酒葡萄在砾石土条件下不同滴灌定额土壤含水率变化规律,最终提出生育期适宜灌溉制度。研究结果表明:随着灌溉定额的增加,土壤含水率在0~40cm土层范围内变化较明显;不同深度土层土壤水势变化规律与灌溉定额的大小有关;1m深土壤水分蓄存比并不是随着灌水量的增加而增大,而是当灌水量达到某一定额时,随着灌水量的增加,土壤水分蓄存比减小,砾石土单次灌水量高于300 m3/hm2时,土壤水分蓄存比较低,易产生深层渗漏。     

基于分布式水文模拟的流域土壤水分时间稳定性分析

针对大范围地面土壤水监测会耗费大量人力物力等问题,为了获取密度较高同时又准确可靠的流域土壤水数据用于时间稳定性分析,寻找可以反映流域土壤水平均状况的代表性点,利用分布式水文土壤植被模型(DHSVM)模拟淮河黄泥庄水文站以上小流域293个采样网格上、中、下三层土壤含水量数据。结果显示:垂向方向上,黄泥庄流域土壤水分时间稳定性随深度递减;流域上层和中层具备时间稳定性特征的代表性点具有较高的一致性,易发生于流域主要土壤和植被类型覆盖区域,在此区域布设测点观测土壤水,可以更准确快速地捕获代表黄泥庄流域上层和中层平均土壤水分特征;采样点7、17和215可作为上、中层土壤的流域平均土壤水代表性点,利用它们预测流域土壤水平均值,可降低观测成本。研究成果可为流域土壤水监测方案设计提供参考。     

宇宙射线中子法在荒漠草原土壤水测量中的应用

选择典型荒漠草原为研究区,开展了宇宙射线中子法在其土壤含水量监测中的适用性分析研究。利用宇宙射线中子传感器(CRS)对典型荒漠草原土壤含水量进行连续监测,将监测结果与时域反射仪(TDR)测量结果进行比对,分析了二者测量结果的一致性,并对比两种土壤水测量方法对降雨响应的灵敏度。结果显示,CRS与TDR测量结果的一致性较高;TDR对降雨事件的反应不够灵敏,而CRS不仅能够快速对降雨做出响应,而且能够清晰显示出不同降雨量条件下土壤含水量的不同变幅。因此,宇宙射线中子法可以较准确地测量荒漠草原的土壤含水量及其动态变化,能够为畜牧管理决策提供依据。     

长期膜下滴灌棉田土壤水盐空间分布特征研究

为分析播种前膜下滴灌棉田土壤不同深度水分和盐分的分布特征,对1998年开始利用膜下滴灌种植技术的棉田进行大规模网格取土,主要分析了棉田土壤水盐空间分布特征。研究结果表明:在生育期初播种前,棉田土壤0~5、5~20、20~40、40~60、60~80及80~100 cm对应土层中,水分变异系数小于盐分变异系数,且都属于中等变异性;土壤各层水分和盐分含量总体都呈现出表层土壤水分和盐分含量较低,深层土壤水分和盐分含量较高的分布规律;在0~100 cm土层中,随着深度增加,水分和盐分含量呈现出先增大后减小的趋势;设置排盐沟,能够使土壤盐分向排盐沟运移,有助于棉田改良。     

浅埋式滴灌土壤水分分布规律试验研究

以探寻合理的滴头埋深与流量为目的,开展浅埋式滴灌下土壤水分分布规律的试验研究。试验土箱净尺寸为30cm×30cm×60cm(长×宽×高),供试土壤取自新疆青河县阿苇灌区试验站。试验设置5、10、15 cm 3个滴头埋深,各埋深条件下设置不同流量的处理。结果表明:不同滴头埋深的情况下均存在土体破坏的临界流量,滴头埋深越大临界流量也越大,滴头埋深为5、10和15 cm对应的临界流量分别为1.0、1.7和2.5 L/h;随着流量的增大,滴头埋深过浅时,水量向湿润体上部聚集,当埋深超过一定深度时,水量向湿润体下部聚集;在临界流量情况下,湿润锋前60 min运移速率较快,随着滴头埋深的增大,灌水结束后湿润体的垂向湿润长度越长,土壤平均含水率值越小;滴头埋深为10 cm、流量1.7 L/h时,湿润体水分分布较为合理。     

基于土壤含水量模拟的干旱监测指数研究

以山西省汾河流域为例,采用水量和能量平衡原理的VIC模型模拟了区域内径流和土壤含水量的变化过程,并构建了土壤干旱指数进行实例研究。结果表明:建立的VIC模型能够较好地模拟研究区站点的径流和土壤含水量的变化过程,基于土壤含水量模拟的土壤干旱指数与实际干旱的发生具有较好的相关性,土壤干旱指数物理意义清晰,能较好地刻画区域干旱在时空上的发生、发展及结束过程,对区域干旱监测具有一定的应用价值。     

湿润喀斯特地区冬季灌丛土壤水分对降雨的响应

为分析湿润喀斯特地区冬季灌丛土壤水分对降雨响应的规律,基于实地逐日监测记录的灌丛土壤水分和降雨数据,对冬季灌丛土壤水分与降雨的响应关系进行分析。结果表明：小于5.80 mm的12场小降雨事件对土壤水分无法进行有效补给,大于20 mm的2场降雨事件能够有效补给土壤水分,土壤水分的响应时间随着降雨量的增加而加快。根据土壤水分变化趋势,冬季灌丛土壤水分变化可划分为3个阶段：土壤水分消退期、土壤水分上升期、土壤水分平稳期。冬季,受植被截留、地表枯落物吸收等因素的共同影响,导致小降雨事件不能使灌丛土壤水分得到有效补给,表现出平稳或微减的变化;大降雨事件对灌丛土壤水分起到有效补给,能够促使更多水分向深层渗透,显著改善深层灌丛土壤水分状况,且雨前土壤含水量越低,降雨对表层土壤水分的补给越大。冬季灌丛土壤水分的入渗深度主要受强度适中、历时长、雨量大的降雨影响,且雨前土壤含水量越高,则降雨的入渗深度越大。     

吉林省中西部地区田间持水量实验研究

田间持水量是表征田间土壤保持水分能力的指标,是计算土壤灌溉量的重要指标,也是确定墒情和旱情评价指标的重要参数。文章通过三种不同实验方法对吉林省中西部地区五种土壤质地、三层土深的田间持水量进行实验研究,其结果表明,该区田间持水量与土壤质地、土层深度、渗透及退水能力密切相关,其实验数据可应用于该区计算土壤灌溉量,确定墒情和旱情评价指标等。     

湿润地区土壤水分对降雨的响应模式研究

为了研究湿润地区降雨—土壤水水文过程,在太湖西侧通过野外坡面试验来研究地表和地下剖面上土壤水分对降雨过程的响应模式。结果表明：坡面上土壤含水率受地形和局部微地形影响显著。雨量较大时,土壤含水率过程线呈现两拐点三阶段(上升、平台和退水期);雨量较小时呈现单拐点两阶段(上升和退水期)。上升期受前期土壤含水率和土壤特性影响;平台期土壤含水率接近饱和并对雨强大小略有响应,是产流的主要阶段;退水期开始于降雨停止时,但地势高处对低处的补给会使低处退水期开始时间后延。沿坡度方向土壤含水率对降雨的响应过程整体表现出下部饱和度较高并且先出现饱和带,之后饱和带向上部逐渐扩展。垂向土壤含水率响应分为特征不同的三层。浅层对降雨响应明显,不同深度土壤含水率随时间变化过程线形状与降雨过程线相比有一定的平移和延长;中层同时受降雨入渗和地下水位变动影响;深层主要受地下水位变动控制。浅层有优势流现象出现,受土壤结构影响,并受降雨量大小控制。     

洞庭湖典型洲滩湿地水分时空变化特征及其相关性分析

为了分析变化条件下洲滩内部土壤水分时空变化特征及不同深度土壤水分含量和湖水位的相关性,以洞庭湖典型洲滩断面为研究对象,利用原位监测装置连续2个月监测了湖水位、大气温度及土壤水分含量的动态变化过程。结果表明:洞庭湖洲滩水分场的分布在垂向上呈现明显的分层现象,同一位置的土壤水分含量的波动幅度随着深度的增加而逐渐减小,至深层处(大于50 cm)趋于稳定,同一深度的土壤水分含量的波动幅度随着与岸边距离的增加而逐渐减小。土壤水分含量与湖水位之间的相关性随着深度的增加呈先增强后减弱的趋势,浅层及深层的土壤水分含量和湖水位之间均呈无显著相关性,地表以下50~70 cm深度处土壤水分含量与湖水位相关性较高。研究结果有助于了解土壤水分在洲滩生态系统地下含水层-土壤-大气界面的相互作用机制,为洲滩水文过程及生态环境保护研究提供重要方法和理论参考。     

科尔沁沙地土壤表层水分遥感反演模型研究

为了对三北防护林体系和科尔沁沙地的沙漠化进行监测,选择内蒙古翁牛特旗作为实验区,利用LandsatTM遥感数据对实验区进行了地表土壤水分反演。文中采用热惯量法、温度植被干旱指数法和BP神经网络法进行地表土壤水分的反演,3种算法均能较好地反映地表水分的空间分布趋势。并对三种反演算法建立的土壤含水量遥感信息模型进行了精度检验。统计结果表明:BP神经网络法建立的遥感信息模型精度最高;温度植被干旱指数法建立的遥感信息模型精度居中;基于热惯量法建立的土壤含水量遥感信息模型精度最低。实验结果为三北防护林和科尔沁沙地沙漠化监测奠定了部分数据基础。     

吉林省中西部土壤墒情分析

根据吉林省的连续干旱形势及多年的监测结果,对吉林省中西部的旱情发生、发展规律,进行分析阐述。旱情主要发生在春季4—6月,变化趋势是由西向中西部蔓延。本文通过分析气象因子对土壤含水量的作用,认为用饱和差作主要参数,建立土壤墒情预测预报机制,进行土壤含水量的预测预报是可行的。     

水土保持措施对红壤柑橘园土壤水分生产力影响的试验研究

南方季节性干旱对于果园的影响非常大,因此加强对果园土壤水分及不同水保措施对于果园抗旱保墒的研究刻不容缓.本研究选取江西水土保持生态科技园的柑橘园径流小区中的三个典型小区(生物措施、耕作措施、工程措施)对其30 cm土层土壤水分变化进行分析,对不同月份土壤水分生产力进行计算.结果表明工程措施小区30 cm土层土壤水分最高,减流效益及土壤水分生产力最大,但3种水土保持措施均能保持较好的土壤水分生产力.     

半干旱区深层土壤水分含量特征

由于浅层地下水位大幅度下降，太行山山前平原半干旱区形成厚达20～30m的不饱和层。本研究就该区厚不饱和层土壤水分状况及其主控因素展开研究，以期为已有土壤水分运动模型及开发新模型提供参数依据。研究在河道区利用钻机进行深层土壤取样，利用相关分析和回归分析对近20m厚的不饱和层中土壤含水量及岩性的关系进行了分析。河道区岩性较单一，含水量变异较小，2m以下土壤含水量与岩性具极高的相关性，可以初步认为厚不饱和层土壤含水量处于田间持水量状态，并且通过回归方程根据岩性可以估算土壤含水量。     

Data assimilation using support vector machines and ensemble Kalman filter for multi-layer soil moisture prediction

Hybrid data assimilation (DA) is a method seeing more use in recent hydrology and water resources research. In this study, a DA method coupled with the support vector machines (SVMs) and the ensemble Kalman filter (EnKF) technology was used for the prediction of soil moisture in different soil layers: 0-5 cm, 30 cm, 50 cm, 100 cm, 200 cm, and 300 cm. The SVM methodology was first used to train the ground measurements of soil moisture and meteorological parameters from the Meilin study area, in East China, to construct soil moisture statistical prediction models. Subsequent observations and their statistics were used for predictions, with two approaches: the SVM predictor and the SVM-EnKF model made by coupling the SVM model with the EnKF technique using the DA method. Validation results showed that the proposed SVM-EnKF model can improve the prediction results of soil moisture in different layers, from the surface to the root zone.