大尺度非饱和土壤水分运动的随机模型及有效参数的结构分析

本文将大尺度空间上的局部土壤水力特性及土壤水分变量视为三维统计平稳随机场的实现，在土壤参数及土壤水分变量的随机扰动为小扰动的条件下，通过对描述小尺度非饱和土壤水分运动的数学模型进行了平均处理，推导出描述大尺度非饱和土壤水分运动宏观特征的数学模型，模型的控制性方程与Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程的形式是一样的，应用谱分析理论对层状土壤条件下模型有效参数及负压水头方差的结构进行了分析，通过分析得到有效参数是各向     

土壤水分特征曲线Gardner模型参数预报研究

为实现基于土壤基本理化参数的土壤水分特征曲线预测,以黄土高原地区农田土壤为研究对象,进行土壤水分特征曲线的系列试验,并配套测定了土壤基本理化参数,获取了Gardner模型参数与土壤基本理化参数间一一对应关系的数据样本。在分析研究各土壤理化参数与Gardner模型参数间单因素关系的基础上,创建了以土壤黏粒含量、粉粒含量、干密度、有机质含量为输入变量的水分特征曲线Gardner模型参数多元非线性预报模型。结果表明:以土壤黏粒含量、粉粒含量、干密度、有机质含量为输入因子,对Gardner模型参数进行预测是可行的,建模样本的拟合相对误差平均值小于11%,用检验样本进行预测的相对误差平均值小于10%,预测精度较高。     

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。     

利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数

利用数学模型预测土壤水分和溶质运移过程的准确性取决于所涉及的水力参数和土壤溶质运移参数的可靠性和精度。目前由于实验系统和研究方法的限制，在测定水力参数和溶质运移参数时所采用的土壤样本不一致，产生了样本误差。本文建立了利用同一土壤样本测定水力参数和溶质运移参数方法，即首先进行水平一维入渗实验，待土壤饱和后改换为供溶液试验，测定土壤边界层随时间的变化过程从而计算出溶质运移参数。与传统的利用土壤溶质穿透曲线获得参数的方法比较表明，本文提出的方法是可行的。     

基于HYDRUS-1D模拟的降雨入渗条件下VG模型参数敏感性分析

为了定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D模型输出变量10 cm层土壤水分动态分布、累积入渗量及湿润锋运移距离的影响,分别对HYDRUS-1D模型中的VG模型的5个土壤水力参数进行单因素扰动,采用修正的Morris筛选法分析降雨入渗条件下各土壤水力参数的敏感性。结果表明:模型参数的敏感性并不是一成不变的,针对不同的输出结果,参数敏感性随时间变化规律不同,根据研究需要确定参数敏感性区间对简化试验工作具有重要意义;边界条件也是影响模型参数敏感性的重要因素之一;对于不同的受影响研究对象,5个参数的敏感性不同。因此在应用模型模拟时,应该确保高敏感性参数的准确性及边界条件的真实性。     

土壤不同含碳量情况下水分特征曲线的拟合及修正

为研究不同土壤含碳量情况下水力特性的变化,采用典型的江西水稻土进行室内水分特性曲线实验。实验采用4种含碳量水平,分别为0%、3%、6%、9%,利用HYPROP与高速离心机联合测定法测定不同含碳量情况下土壤水分特性曲线,并运用V-G模型对实验结果进行拟合分析。结果表明,利用HYPROP系统与高速离心法联合测量土壤水分特征曲线可以实现土壤水分特征曲线的高效准确测定,土壤的饱和含水量随施加生物碳比例的增加呈现先增加后减小的规律,在生物碳比例为6%时,土壤的饱和含水量最大,故土壤中施加生物碳的比例不宜超过6%。通过不同含碳土壤水分特性的对比,得出含碳土壤水力特性参数的修正系数,修正后的公式能够更好地描述含碳土壤的水力特性。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律，推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数，获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合，其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率，基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法，将用此方法估计的参数值与理论值进行比较，并进行了模型中参数的敏感性分析，结果表明本研究所求得的参数有较高的精度，为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。     

土壤导水参数的温度效应及其数学模式

本文对非饱和土壤导水参数包括土壤水分特征曲线ｈ（θ），土壤水分扩散率Ｄ（θ）及土壤非饱和导水率Ｋ（θ）的温度效应进行了定量研究，在此基础表面张力－－粘滞流理论（ＳＴＶＦ），Ｇ（θ）因子函数及Ｐｈｉｌｉｐ理论对其温度效应的机理进行了分析，对用理论模式计算结果与实浊数据进行了比较。     

用垂直入渗法推求Gardner-Russo模型参数

通过室内垂直入渗试验研究了3种不同质地土壤的垂直一维水分入渗特性,并基于Gardner模型表征的非饱和土壤导水率和Gardner-Russo模型表征的土壤水分特征曲线形式,结合非饱和土壤水动力学方程,推导了土壤水分垂直一维入渗时累积入渗量、入渗率和湿润锋之间的理论关系。在此基础上推求了Gardner-Russo模型中的参数,利用试验数据对模型中参数进行了敏感性分析。结果表明,该方法所求得的参数具有较高的精度,这为土壤水分运动参数求解提供了一种简单而准确的方法。     

基于Bayes理论的田间层状土壤水分运动参数识别及不确定性分析

土壤水分运动参数是非饱和带水分及污染物运移研究的核心参数,根据点尺度土壤样本的室内稳态试验得到的水分运动参数往往不能准确反映天然条件下田间尺度土壤水分运动特征。本文基于为时2年的田间土壤含水量观测数据(2013年为率定期,2014年为验证期),通过土壤转换函数得到了VGM(van Genuchten-Mualem)模型水力参数的先验分布,建立了反演层状土壤持水和导水特征的贝叶斯模型,采用自适应差分演化(DREAMZS)的采样方法,结合Hydrus_1d模型,对田间尺度土壤水分含量预测模型进行优化及不确定性分析,获得了水分特征参数的后验分布,分析了最优参数组的模拟效果及模型预测的95%的置信区间。结果表明,基于DREAMZS采样的Bayes方法可以实现田间尺度层状土壤水分特征参数的率定及土壤水分动态的模拟预测。率定结果显示饱和导水率Ks最不敏感,饱和含水量θs最为敏感,可识别性较高,室内试验反演得到θs可用于田间土壤水分运动的模拟。随着土壤含水量模拟深度的增加,PUCI(单位平均相对宽度所包含的实测点数据比例)值越大,模型预测的性能越高。模拟结果的不确定性主要由模型结构所引起,所以对模型结构的修改完善是未来提高模型预测的关键。     

Comparison of the Lumped and Quasi-distributed Clark Runoff Models in Simulating Flood Hydrographs on a Semi-arid Watershed

In applied hydrology, predicting peak flow for a stream or river is so complex due to temporal and spatial dependency of hydrological variables such as meteorological parameters, variations in soil type and land use. Either advanced distributed hydrological models or simple Lump models can be used for simulating these situations. This paper compares the performance of the quasi-distributed model ModClark versus lumped parameter model Clark in simulating the process of transformation of rainfall to runoff. The aim of this comparison is to identify whether using a complex model which takes into account spatial and temporal distribution parameters, which are hard to prepare and use, will lead to more precise results or not. For the purpose of this study, historical data of Randan basin situated in semi-arid region of Iran in North West of Tehran was used. The size of the catchment is 67.76 km². Reviewing the results of calibration and accuracy of models revealed that both models are able to simulate the hydrology of the catchment in an acceptable way.     

Long-Term Spatio-Temporal Variation in Runoff Curve Number under Consistent Cover Conditions: a Southeastern US Case Study

Runoff, erosion and pollutant transport are influenced by spatial and temporal variation in soil hydraulic properties. Hydrologic models contain parameters that are related to these properties. Model parameters can be anticipated to exhibit similar variation which, when characterized, can improve runoff estimates. This study used plot-scale data from a 0.07 ha grassed study area in the southeastern US to characterize spatio-temporal variation in the NRCS curve number (CN) parameter. Based on over 200 rainfall-runoff data pairs collected over a 19-year period, CN exhibited highly variable (coefficient of variation up to 0.54) spatial behavior. Within-plot variation also demonstrated discernible spatial structure, with high variation associated with low CN. While preserving some similarities, spatial structure of CN and connectedness of regions of similar CN varied with runoff event date. Temporal trends were detected, with some regions demonstrating increasing trends and others decreasing. Rainfall-runoff plot characteristics and experimental protocols were consistent during the period of data collection; based on spatial distribution of CN values and trends as well as observation, traffic patterns and mammalian bioturbation are hypothesized as major sources of observed spatio-temporal CN variation.     

淮河流域洪水预报系统的模型集成研究

根据淮河流域洪水特征和水系构成,分析了水文学与水力学模型在洪水过程、洪水要素和空间范围方面的集成方式,并且介绍了两种模型针对淮河流域特点所采用的关键技术方法.为实现两种模型的充分集成,采用了数据 - 模型 - 应用3层结构的总体集成框架,通过模型应用过程的模块化处理和数据有效交换,建立了集模拟、率定和预报功能于一体的综合计算平台.本文所建立的集成模型采用长系列实测资料进行了参数率定和模型验证,应用结果表明建立的集成模型具有较高的计算精度.     

基于集合卡尔曼滤波法的二维土壤水流状态变量和参数联合估计

集合卡尔曼滤波方法(EnKF)显式地考虑了模型输入、输出以及模型结构等因素的不确定性,近年来被广泛应用于水文模型参数估计研究中。本文基于EnKF方法开展二维土壤水流运动模型状态变量和参数联合估计研究,设计数值实验探究了在线源入渗条件下EnKF方法对粉壤土、壤土和砂壤土的饱和导水率和进气值参数的估计以及压力水头的同化效果,分析了观测点布置方式和观测点数量对同化效果的影响。研究结果表明,粉壤土条件下观测点垂向布置方式更好;壤土和砂壤土条件下,在0～30cm深土壤中水平向布置观测点可以得到较好的参数估计值。观测点水平向布置时应尽量靠近地表,同化系统可以有效地利用观测信息更新状态向量,参数更快地收敛于真值,但压力水头的同化效果仅限于一定深度的土壤。增加观测点数量可以有效地减小参数估计偏差,进而提高土壤剖面压力水头的预测精度。     

间接地下滴灌导水装置规格参数模型

本文根据灌水过程中水量平衡原理为间接地下滴灌建立了导水装置规格(直径,高度)参数模型,该模型中综合考虑了滴头流量、灌水定额、土壤水力特性等参数对导水装置规格的影响。通过室内恒定水头钻孔积水入渗试验与Philip模型的应用,研究了不同导水装置规格类型对三维土壤渗吸率S和土壤入渗率A的影响。基于三维土壤入渗率A等于稳定入渗量QS的假定,定量化了导水装置规格模型中的土壤水力特性参数。通过大田间接地下滴灌试验,验证了模型的可行性。结果表明,Philip模型可用于描述三维恒定水头钻孔积水入渗过程,但在土壤类型一定时,三维入渗中的土壤渗吸率S和土壤入渗率A还与导水装置总的透水面积有关。该模型设计的导水装置规格能满足间接地下滴灌灌水过程中水分不外溢的要求。间接地下滴灌灌水过程中变化的渗透面积和恒定水头钻孔积水入渗过程中恒定的渗透面积之间差异的存在,是模型误差产生的主要来源。     

WRF-Hydro模型参数在河西内陆河流域的敏感性分析

为研究WRF-Hydro模型参数在河西内陆河流域的敏感性，以西营河流域九条岭水文站以上区域为研究区，在离线模式下利用2015—2018年的全球预报系统(GFS)数据驱动WRF-Hydro模型。基于LH-OAT方法对WRF-Hydro模型的6个主要参数对不同评价指标和空间分辨率的汇流演算网格的敏感性进行了分析，定量计算了各参数的敏感性指标，划分了敏感度等级，并结合典型洪水分析了各参数对洪水过程线的具体影响。结果表明：河道曼宁糙率乘子(MANNFAC)为极敏感参数，入渗系数(REFKDT)、土壤饱和导水率(REFDK)、深层导水系数(slope)为敏感参数，地表糙率乘子(OVROUGHRTFAC)为一般敏感参数，地表持水深度乘子(RETDEPRTFAC)为不敏感参数；各参数的敏感性并不是一成不变的，参数敏感度会受到评价指标的影响，有一定程度的变化；随着汇流演算网格空间分辨率的变化，各参数全局敏感度也会有小幅变化，但参数的全局敏感度等级不发生改变；MANNFAC对峰现时间的调节效果最好，REFKDT和REFDK对洪量和洪峰流量的调节效果显著，slope可以很好地调节洪水过程线的形状。     

青藏高原山区河流广义河相关系与多频率沿程河相关系

山区河流地貌由流域来水来沙和地质地貌等下垫面背景因素决定,基岩限制性河段与冲积河段相间分布,这些河流是否存在稳定的河相关系,是山区河流地貌演变研究亟待回答的重要问题.本研究以发源于青藏高原的六大水系共129个水文测验断面的实测流量和实测大断面数据为主要数据源,以青藏高原六大水系的沿程河相关系为研究对象,探讨了同一河段与...     

脉动压力在消力池底板缝隙传播的瞬变流模型和渗流模型统一性探讨

消力池或水垫塘底板发生揭底破坏的主要原因是由于脉动压力在板块缝隙中传播，可能瞬时生成足以抵抗板块自重的脉动上举力，最终导致板块失稳破坏。本文针对脉动压力的两种传播模型，即瞬变流模型和渗流模型，分析其各自的优劣以及适用性，研究缝隙中脉动压力的传播机理。通过理论分析和数值模拟得出，这两种模型是内在统一的，但各自的适用性不同。瞬变流模型对缝隙严重堵塞情形或水力瞬变情形都适用。而渗流模型仅仅适用于缝隙中严重堵塞的情形。     

巴音河下游河床渗透系数空间变异性研究

河床垂向渗透系数是研究河流与地下水转化关系和转化强度的重要水文地质参数。选取柴达木盆地巴音河为研究对象,采用水头下降竖管试验法测定了巴音河下游细土平原带38组河床垂向渗透系数,利用传统统计学方法检验分析了其分布规律和空间变异性。结果表明,河床沉积物垂向渗透系数(Kv)在1. 77～15. 56 m/d之间变化,总体呈现正态分布,且沿流程逐渐变小。河中心沉积物的Kv值明显大于河两岸,但其变异系数小于两岸。沉积物的颗粒大小与分布是导致河床沉积物垂向渗透系数变异的关键因素,河流形态与交互带水文过程对河床沉积物Kv的影响也不容忽视。     

Application of a simulated annealing optimization to a physically based erosion model

A major risk concerning the calibration of physically based erosion models has been partly attributable to the lack of robust optimization tools. This paper presents the essential concepts and application to optimize the erosion parameters of an erosion model using data collected in an experimental basin, with a global optimization method known as simulated annealing (SA) which is suitable for solving optimization problems of large scales. The physically based erosion model that was chosen to be optimized here is the Watershed Erosion Simulation Program (WESP), which was developed for small basins to generate the hydrograph and the respective sedigraph. The field data were collected in an experimental basin located in a semiarid region of Brazil. On the basis of these results, the following erosion parameters were optimized: the soil moisture-tension parameter (N(s)) that depends also on the initial moisture content, the channel erosion parameter (a), the soil detachability factor (K(R)), and the sediment entrainment parameter by rainfall impact (K(I)), whose values could serve as initial estimates for semiarid regions within northeastern Brazil.