（农业水土工程专业论文）北方季节性冻土区农田土壤水分运动规律研究.pdf

f 一 目录 。 中文摘要 英文摘要 1 引言 目录 i i i l 1 1 立题依据一1 1 2 研究的目的和意义。1 1 3 国内外研究动态一2 1 3 1 土壤水分相变规律研究2 1 3 2 土壤水分入渗特性研究4 1 3 3 土壤水分蒸发研究6 1 4 发展趋势及存在的问题1 0 1 5 主要研究内容与技术路线l o 1 5 1 主要研究内容1 0 1 5 2 技术路线图1l 2 田间试验。1 2 2 1 试验区概况1 2 2 1 1 自然地理1 2 2 1 2 水文气象l3 2 1 3 河流水系1 3 2 1 4 社会经济1 3 2 2 试验设计1 3 2 2 1 冬季土壤水分观测试验1 3 2 2 2 冬季土壤入渗观测试验1 6 2 2 3 冬季土壤蒸发观测试验18 2 2 4 其它数据观测1 8 3季节性冻土水分相变规律研究2 0 3 1 概j 态。2 0 3 1 1 冻融土壤的特性2 0 3 1 2 冻融阶段划分一2 3 3 1 3 冻融过程的模拟2 4 3 2 冻土水分相变中的温度场2 7 3 2 1地面温度2 8 3 2 2 土壤温度3 0 3 3 冻土水分变化规律分析3 5 3 3 1 总含水量变化规律3 5 3 3 2 液态含水量变化规律3 7 3 4 冻土相变规律研究3 8 东北农业大学工学硕十学位论文 3 4 1a r c g i s 概述3 9 3 4 2 冻结期水分相变特性的空间分布3 9 3 4 3 融化期水分相变特性的空间分布4 3 3 5 本章小结4 6 4 季节性冻土入渗规律及特性分析 4 7 4 1 概述4 7 4 1 1 冻土入渗的一些基本概念4 7 4 1 2 冻土与非冻土入渗的区别。4 8 4 2 冻结土壤入渗特性分析4 8 4 2 1 冻土入渗过程4 8 4 2 2 冻土的减渗特性5 1 4 3 不同冻深条件下入渗能力对比分析5 3 4 3 1 入渗率的对比5 3 4 3 2 累计入渗量的对比5 5 4 3 3 稳定入渗率的对比。5 6 4 4 冻土入渗能力模拟5 6 4 4 1 模型结构5 6 4 4 2 模型参数估计5 7 4 4 3 模型检验5 8 4 4 4 入渗能力模拟5 8 4 4 5 结果分析5 9 4 4 6 精度检验。6 0 4 5 本章小结6 0 5 季节性冻土蒸发变化规律分析6 2 5 1概述。6 2 5 1 1 土壤蒸发存在的条件6 2 5 1 2 土壤蒸发过程6 3 5 1 3 冻土蒸发特性6 4 5 2 冻土蒸发影响因子分析6 4 5 2 1 土壤含水量6 4 5 2 2 土壤质地及结构。6 5 5 2 3 土壤色泽及地表特性6 5 5 2 4 风速6 5 5 2 5 大气湿度6 5 5 2 6 气温与地面温度。6 6 5 2 7 太阳辐射6 6 5 2 8 降水与入渗方式6 6 5 2 9 地下水埋深6 6 i vi0 目录 5 3 基于主成分的冻土蒸发影响因子评价6 7 5 3 1主成分分析法的基本原理6 7 5 3 2 冻土壤蒸发影响因子评价6 9 5 3 3分析与讨论7 3 5 4 基于人工神经网络的冻土蒸发模拟7 3 5 4 1 人工神经网络理论简述7 3 5 4 2 土壤蒸发过程模拟7 4 5 4 3 精度检验7 4 5 4 4 分析与讨论7 5 5 5 本章小结7 5 6 结论与展望 7 6 6 1 结论7 6 6 2 今后的工作设想7 7 致谢 参考文献 7 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文8 6 i i i j o v i ，“ c o n t e n t c o n t e n t s c l i i n e s ea b s t r a c t e n g l i s ha b s t r a c t 1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a s i sf o rs e t t i n gs u b j e c t i 1 2 t h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f s t u d y 1 1 3 t h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fs t u d ya th o m ea n da b r o a d 2 1 3 1t h es t u d yo f s o i lm o i s t u r ep h a s e - c h a n g el a w 2 1 3 2t h es t u d yo fs o i lm o i s t u r ei n f i l 拄a f i o np r o p e r t y 4 1 3 3t h es t u d yo fs o i lm o i s t u r ee v a p o r a t i o n 6 1 4t h ed e v e l o p m e n tt r e n da n de x i s t e dp r o b l e m s 1 0 1 5t h em a i nc o n t e n t sa n dt e c h n o l o g yr o u t e 1 0 1 5 1t h em a i nc o n t e n t s 1 0 1 5 2t h et e c h n o l o g yr o u t e 11 2 it h ef i e l de x p e r i m e n t 2 1t h eo v e r v i e wo f e x p e r i m e n ta r e a 1 2 2 1 1 p h y s i c a lg e o g r a p h y ：1 2 2 1 2 h y d r o m e t e o r o l o g y 1 3 2 1 3r i v e ra n dr i v e rs y s t e m 1 3 2 1 4t h es o c i a le c o n o m y 1 3 2 2 d e s i g no f e x p e r i m e n t 1 3 2 2 1t h eo b s e r v i n ge x p e r i m e n to f s o i lm o i s t u r ei nw i n t e r 1 3 2 2 2t h eo b s e r v i n ge x p e r i m e n to f s o i li n f i l t r a t i o ni nw i n t e r 1 6 2 2 3t h eo b s e r v i n ge x p e r i m e n to f s o i le v a p o r a t i o ni nw i n t e r 1 8 2 2 4o t h e rd a t ao b s e r v a t i o n 18 3t h es t u d yo fp h a s e - c h a n g el a wo fs e a s o n a lf r o z e ns o i l 3 1t h es u m m a r y 2 0 3 1 1t h ep r o p e r t yo f f r e e z i n g t h a w i n gs o i l 2 0 3 i 2t h ep a r t i t i o no ff r e e z i n g t h a w i n gs t a g e 。2 3 3 1 3t h ef i t t i n go ff r e e z i n g t h a w i n gp r o c e s s 2 4 3 2t h et e m p e r a t u r ef i e l di ns o i lm o i s t u r ep h a s e c h a n g ep r o c e s s 2 7 3 2 1g r o u n dt e m p e r a t u r e 2 8 3 2 2s o i lt e m p e r a t u r e 3 0 3 3t h ea n a l y s i so f f r o z e ns o i lm o i s t u r ec h a n g el a w 3 5 3 3 1t h et o t a lm o i s t u r ec h a n g e1 a w 3 5 v 东北农业大学工学硕士学位论文 4 3 3 2t h el i q u i dm o i s t u r ec h a n g el a w 3 7 3 4t h es t u d yo f f r o z e ns o i lp h a s e c h a n g el a w 3 8 3 4 1t h es u m m a r yo f a r c g i s 3 9 3 4 2t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f m o i s t u r ep h a s e c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c si nf r e e z i n gs t a g e 3 9 3 4 3 t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f m o i s t u r ep h a s e c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c si nt h a w i n gs t a g e 4 3 3 5t h e b r i e f s u m m a r y o f t h i sc h a p t e r 4 6 t h ea n a l y s i so fs e a s o n a lf r o z e ns o i li n f i l t r a t i o nl a w a n dc h a r a c t e r i s t i c s 4 7 4 1t h es u m m a r y 4 7 4 1 1s o m eb a s i cc o n e 印t so ff r o z e ns o i li n f i l t r a t i o n 4 7 4 1 2t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nn o n f r o z e ns o i li n f i l t r a t i o na n df r o z e ni n f i l t r a t i o n 4 8 4 2t h ea n a l y s i so f f r o z e ns o i li n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 4 8 4 2 1 t h ei n f i l t r a t i o np r o c e s so ff r o z e ns o i l 4 8 4 2 2t h er e d u c t i o no f s o i li n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f r o z e ns o i l 5 1 4 3t h ec o m p a r i s o no f i n f i l t r a t i o nc a p a c i t yu n d e rd i f f e r e n tf r o z e nd e p t h 5 3 4 3 1t h ec o m p a r i s o no f i n f i l t r a t i o nr a t e 5 3 4 3 2t h ec o m p a r i s o no f c u m u l a t i v ei n f i l t r a t i o nc a p a c i t y 5 5 4 3 3t h ec o m p a r i s o no f s t e a d yi n f i l t r a t i o nr a t e 5 6 4 4t 1 1 es i m u l a t eo ff r o z e ns o i ui n f i l t r a t i o nc a p a c i t y 5 6 4 4 1m o d e ls t r u c t u r e 。5 6 4 4 2m o d e lp a r a m e t e re s t i m a t i o n 5 7 4 4 3m o d e lc h e c k i n g 5 8 4 4 4t h ef i t t i n go fi n f i l t r a t i o nc a p a c i t y 5 8 4 4 5t h er e s u l ta n a l y s i s 5 9 4 4 6t h ep r e c i s i o nt e s t 6 0 4 5t h eb r i e fs u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 6 0 5t h ea n a l y s i so fs e a s o n a lf r o z e ns o i le v a p o r a t i o nc h a n g el a w 6 】i 5 1t h es u m m a r y 6 2 5 1 1 t h ee x i s tc o n d i t i o no f s o i le v a p o r a t i o n 。6 2 5 1 2t h es o i le v a p o r a t i o np r o c e s s 6 3 5 1 3t h ef r o z e ns o i le v a p o r a t i o np r o p e r t y 6 4 5 2t h ea n a l y s i so f f r o z e ns o i le v a p o r a t i o nf a c t o r s 6 4 5 2 1s o i lm o i s t u r e 6 4： 5 2 2s o i lt e x t u r ea n ds t r u c t u r e 6 5 5 2 3s o i lc o l o ra n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i e s 。6 5 5 2 4 w i n d 6 5 5 2 5 a t m o s p h e r i ch u m i d i t y 6 5 5 2 6 t e m p e r a t u r ea n ds u r f a c et e m p e r a t u r e 6 6 5 2 7s o l a rr a d i a t i o n 6 6 v i c o n t e n t i i 5 2 8t h ep r e c i r i i m t i o na n di n f i l 仃a t i o nw a y 6 6 5 2 9g r o u n d w a t e rl e v e l 6 6 5 31 1 l ee v a l u a t i o no ft h ef r o z e ns o i le v a p o r a t i o nf a c t o rb a s e do nt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t 6 7 5 3 1t h eb a s i cp r i n c i p l e so f p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s 6 7 5 3 2t h ee v a l u a t i o no f t h ef r o z e ns o i le v a p o r a t i o nf a c t o r 6 9 5 3 3t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n 7 3 5 4n es i m u l a t i o no ff r e e z i n g - t h a w i n gs o i le v a p o r a t i o nb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 7 3 5 4 1t h ed e s c r i p t i o no f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt h e o r y 。7 3 5 4 2t h ef i t t i n go f s o i le v a p o r a t i o np r o c e s s 7 4 5 4 3t h ep r e c i s i o nt e s t 7 z l 5 4 4t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n 7 5 1 ；5t h eb r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 7 5 6c o n c l u s i o na n do u t l o o k 6 1c o n c l u s i o n 7 6 6 2t h ei m a g i n a t i o ni nf u t u r es t u d y 7 7 a c k n o w l e d g e m e n t 1 t l ：f e f e n c e 7 8 7 9 t h ea c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gp u r s u i n gt h em a s t e rd e g r e e 8 6 v i i 研究生学位论文独创性声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；麴遗直墓丝益墨缱型童塑的! 奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 一签名弓天案嗍础蝴伯 。、m i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) j 、 学位论文作者签名：矽兵 日期：7 1 , 9f ，年自，日 导师 签名：似弓多 日期：训卜年月j 日 一、0 一一j 1，q e亨i苫杈 ；!节1j0谢，01=：浩_引引碍“i_if一 。 - i ，： 曩增 0 “ 摘要 摘要 水是人类赖以生存和社会发展不可缺少的物质基础，而我国是一个严重缺水的国家，水 资源短缺严重制约了我国工农业的发展。与工业相比，农业用水面临的形势更为严峻。由于 我国的国情特点，农业资源利用中水资源短缺与水资源浪费并存的情况比较严重。因此，提 高农业水资源利用效率显得越来越重要，农业节水灌溉和高效用水己经成为全社会所关注和 重视的重大问题之一。 本论文立足于北方寒区，以冬季冻融土壤大田观测试验为依据，结合现代数据处理方法， 对冻融条件下的土壤水分相变、入渗和蒸发规律进行了系统的研究，主要研究内容和成果如 下： ( 1 ) 将土壤冻融过程划分为单项冻结和双向融化阶段，采用粒子群优化的偏最小二乘回 归模型对土壤冻融过程进行了模拟；分析了得出了试验周期内，地表温度的变化不会立刻对 深层土壤温度场产生影响，而是要滞后一段时间，且滞后时间随深度增大而增大：深层土壤 温度在整个冻融期基本保持不变。而且冻结初期，表层土壤相变特性在水平方向变异较小， 垂直方向随着深度的增大相变逐渐变弱，直至冻层以下不存在相变，而冻结中后期，冻层范 围内的土壤水分相变无论在水平方向还是在垂直方向，其变异特性均大于冻结初期。 ( 2 ) 对冻结土壤与非冻结土壤的区别进行了阐述，得出：寒区冻结土壤入渗过程在不同 冻深条件下达到相对稳定入渗时间与非冻结土壤存在较大差异；在相同冻深条件下，冻结土 壤入渗能力随着冻深的发展有减小的趋势，且冻深对冻结土壤的早期入渗能力影响较大，后 期相对减弱；采用多元回归的方法，建立了冻结土壤入渗能力模拟方程，通过精度检验，模 型满足要求，可以将其应用在冻结土壤入渗能力的模拟和预报中。 ( 3 ) 对冻结土壤蒸发特性进行了总结和概括，得出冻结条件下的土壤蒸发在各个阶段持 续的时间要远远小于非冻结土壤，同时各阶段的的蒸发速率也要小于非冻结土壤；采用定性 和定量相结合的手段，对土壤蒸发的影响因子进行了详细的分析与评价，得出：哈尔滨地区 冬季土壤蒸发量的变化是众多影响因子综合作用下相协调的结果。其中地温、气温、相对湿 度、风向、气压和水汽压是主要影响因子。采用b p 人工神经网络技术对冻结土壤蒸发过程 进行了模拟，取得较好的效果。 综上所述，研究冻融土壤水分相变和蒸发入渗规律，探索科学、合理、可行的土壤水资 源高效利用措施，不仅为北方干旱、半干旱寒区解决水资源供需矛盾、促进农业可持续发展 提供了科技支撑，而且对于充分发挥冻土储水保墒作用和合理高效利用有限的土壤水资源具 有重大意义。 关键词：北方季节性冻土区；农田土壤水分；运动规律；水分相变；冻土入渗：冻土蒸发； 肆i蝮毋湛矗鬣蛰王口lj，j0。，屠lljl滋露o 。 、镭 a b s t r a c t s t u d yo nt h em o i s t u r em o v e m e n t l a wo f f a r m l a n ds o i li nn o r t h e mse a s o n a lf r o z e n s o i la r e a a b s t r a c t w a t e ri st h ei n d i s p e n s a b l em a t e r i a lb a s i sf o rh u m a ns u r v i v a la n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，a n d c h i n ai ss e r i o u s l ys h o r t a g eo fw a t e r , w h i c hh a ss e r i o u s l yh a m p e r e dt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a l c o m p a r e dw i n lt h ei n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a lw a t e rf a c e sm o r es e r i o u ss i t u a t i o n b e c a u s eo fc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，w a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g ea n dw a s t ea r ea l ls e r i o u si nu s i n g a g r i c u l t u r a lr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ea g r i c u l t u r a lw a t e rr e s o u r c e su s e e f f i c i e n c y , a g r i c u l t u r a lw a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o na n de f f i c i e n tw a t e ru s eh a sb e e no n eo ft h em a j o r c o n c e ma n da t t e n t i o ni s s u e s t h i sp a p e ra d o p t st h em o d e md a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sa n dc o m b i n e sw i t hf r o z e ns o i l o b s e r v a t i o nt e s ti nw i n t e rt os y s t e m i c a l l ys t u d yp h a s e c h a n g el a w , i n f i l t r a t i o nl a wa n de v a p o r a t i o n o nt h ec o n d i t i o no fs e a s o n a lf r o z e ns o i li nn o r t h e r nc o l da r e a t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d p r o d u c t i o na l ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s u r f a c et e m p e r a t u r ew i l ln o ti m m e d i a t e l ya f f e c tt h ed e e ps o i lt e m p e r a t u r e ，b u tl a gs o m e t i m e ，w h i c hi n c r e a s e sw i t ht h ed e p t hi nt e s tc y c l e d e e ps o i lt e m p e r a t u r eb a s i c a l l yu n c h a n g e d t h r o u g h o u tt h et h a wp e r i o d a tt h es a m et i m e ，i ni n i t i a lf r o z e np e r i o d ，t h ev a r i a t i o no fs u r f a c es o i l p h a s e - c h a n g ei ss m a l li nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o na n di nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o ni tg r a d u a l l yc h a n g e s w e a ka st h ed e p t hi n c r e a s e s ，a n dt h e r ei sn op h a s e - c h a n g eu n d e rt h ef r o z e nl a y e r h o w e v e r , i n f r o z e nm i d d l ea n dl a t e rp e r i o d s ，t h ev a r i a t i o ni sb i g g e rt h a nt h a ti ni n i t i a lf r o z e np e r i o dn o to n l yi n t h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o nb u ta l s oi nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ( 2 ) t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nf r o z e ns o i la n du n f r o z e ns o i li se l a b o r a t e dr e s p e c t i v e l y n er e s u l t s s h o wt h a t ：c o m p a r e dw i t hu n f r o z e ns o i l ，f r o z e ns o i li n f i l t r a t i o np r o c e s si nd i f f e r e n tf r o z e nd e p t h c o n d i t i o n st oa c h i e v et h er e l a t i v es t a b l et i m ei sq u i t ed i f f e r e n t t h ef r o z e ns o i li n f i l t r a t i o nc a p a c i t y t e n d st od e c r e a s ea st h ed e v e l o p m e n to ff r o z e nd e p t hi nt h es a m ef r o z e nd e p t h ，w h i c hh a sg r e a t i n f l u e n c eo nt h ei n f i l t r a t i o nc a p a c i t yi ne a r l ys t a g ea n dr e l a t i v ew e a k e n i n gi nl a t e rs t a g e a tt h e s a n l et i m e ，m u l t i p l er e g r e s s i o nm e t h o di su s e dt os e tu pf r o z e ns o i li n f i l t r a t i o nc a p a c i t ys i m u l a t i o n e q u a t i o n t h r o u g ha c c u r a c yt e s t i n g ，t h em o d e lm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dc a nb eu s e dt os i m u l a t e a n df o r e c a s tf r o z e ns o i li n f i l t r a t i o nc a p a c i t y ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i e so ff r o z e ns o i le v a p o r a t i o ni ss u m m a r i z e d ，t h et i m ea n dr a t ef o rf r o z e n s o i le v a p o r a t i n ga tv a r i o u sp h a s ei ss m a l l e rt h a nt h a to fu n f r o z e ns o i l t h em e t h o d so fq u a l i t a t i v e i i i 东j e 农业大学工学硕士学位论文 a n dq u a n t i t a t i v ea r eu s e dt oa n a l y z ea n de v a l u a t et h ef a c t o r so fs o i le v a p o r a t i o n ，a n dt h er e s u l ts h o w t h a ts o i le v a p o r a t