一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，本发明专利技术不仅可对降雨、土壤入渗与径流等水文过程与土壤养分、坡度等地形条件间的相互作用关系进行梳理，提高了土壤养分动态变化模拟的鲁棒性，并且仿真模拟的过程阐明了土壤养分在降雨、土壤入渗与径流作用下的变化过程，实现了对土壤养分动态变化的全过程反映，准确度高；且本发明专利技术还可对区域内部每块土壤与其周边区域在径流作用下的养分流失或聚集关系进行确定，可实现对土壤养分空间分布的全区域预测。间分布的全区域预测。间分布的全区域预测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法


[0001]本专利技术涉及水文模型的
，尤其涉及一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法。

技术介绍

[0002]土壤在降雨径流冲刷下容易出现养分流失的现象，尤其在植被覆盖度低、土壤质地松散、降雨集中的黄土高原区尤其明显。土壤养分流失将加剧区域内部立地条件的空间差异，从而导致植被格局破碎度的增加，进一步还可能引起部分植物群落的逆向演替。因此，为了避免景观破碎和植被退化，首先需要预测可能出现的土壤养分流失情况，包括其剧烈程度、空间分布、时间变化等特征，以采取针对性的防治措施。然而，降雨、径流、入渗、侵蚀等水文过程的随机性、复杂性和关联性使得定量且直观的反映土壤养分流失的时间变化和空间差异十分困难，而且传统的调查和监测手段也难以预测未来长时间尺度下的土壤养分流失情况。
[0003]为了预测大范围区域尺度内土壤养分流失的时空变化，可以采取仿真模拟方法。目前，土壤养分流失的预测主要依靠降雨数据与土壤养分变化之间的经验模型确定。通过野外观测或室内试验，持续记录降雨发生过程中的土壤养分，使用线性/非线性回归、随机森林、神经网络等算法确定土壤养分变化与降雨时间或降雨强度间的关系，建立经验函数模型以预测这一区域的土壤养分流失情况。但这类方法地域特征强、适用性弱、鲁棒性差，一旦超过经验函数的观测年限后精准度将大幅降低。

技术实现思路

[0004]因此，基于以上背景，本专利技术要解决的技术问题是：开发一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟系统，用于模拟降雨径流作用下土壤养分的流失情况，满足生态环境保护和修复的需要。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其包括如下步骤：
[0007]其包括如下步骤：
[0008]S1：根据模拟区域实际大小、植被覆盖、降雨情况建立元胞数组，通过随机生成小于降雨概率的元胞数组模拟降雨事件的发生；
[0009]S2：根据各个元胞的植被覆盖情况确定土壤入渗速率，结合降雨量计算土壤入渗量和残留在地表的雨量；
[0010]S3：通过坡度对地表径流量进行转换，根据高程关系确定每个元胞内径流的流入或流出关系；
[0011]S4：根据元胞在径流过程中的径流的流入或流出关系判断土壤养分的流失或汇集，并依据植被覆盖确定土壤养分变化速率，最后计算径流发生后的土壤养分情况；
[0012]S5：建立循环函数重复步骤S1至S4，模拟降雨发生后不断发生的降雨、入渗、径流
及土壤养分变化过程，当循环函数运行超过设定的降雨时间raintime后停止循环，并输出此时土壤养分流失情况，即对模拟区域的土壤养分流失情况完成了仿真模拟。
[0013]进一步地，步骤S1中的元胞数组的构建过程为：在Matlab中建立若干个大小为n*n的矩阵，矩阵中的每个元素代表一个元胞，每个矩阵则代表一个元胞数组。
[0014]进一步地，所述元胞数组的数量等于所涉及的元胞状态参数的数量，每个元胞数组内的元胞值代表大小为n*n m2的区域内每块土壤所对应参数的值；涉及到元胞状态参数包括高程t、元胞的坡度s、降雨量rain、入渗量infil、入渗速率infilrate、径流流出量flowout、径流流入量flowin、邻居元胞径流流出量surflowout、径流速率runoffrate、土壤养分含量nutrition以及土壤养分变化量nutrichange。
[0015]进一步地，步骤S1的实现方式如下：
[0016]1)降雨发生时，使用生成值域区间内随机数的方式，确定此次降雨强度arain，具体公式为
[0017][0018]其中sumrain为降雨总量，rainday为降雨天数，raintime为降雨持续时间；
[0019]2)使用元胞数组降雨量rain反映当前每个元胞内的降雨情况，对于生成的n*n大小的随机数元胞数组，小于降雨落入概率的元胞则认为该元胞存在降雨，存在降雨的元胞状态为1，其余为0，具体公式为
[0020]rain＝arain
×
(rand(n)<prain)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]其中rand(n)为大小为n*n的随机数矩阵，prain为雨水落入概率。
[0022]进一步地，步骤S2的实现方式如下：
[0023]1)对步骤S1得到的存在降雨的元胞数组进行判断，对于存在降雨的元胞，地表将会滞留等同于降雨量的地表水，随后发生土壤入渗；
[0024]2)计算发生土壤入渗的元胞的土壤的入渗速率，根据地表覆盖类型、坡度、入渗时间以及养分含量共同确定，计算公式如下
[0025]infilrate＝infilrate
bareland
+infilrate
plant
ꢀꢀ
(3)
[0026]infilrate
bareland
＝cos(s)
×
(1.91+0.326
×
e
‑
0.215infiltime
)
ꢀꢀ
(4)
[0027][0028]其中infilrate为所有元胞的土壤的入渗速率，infilrate
bareland
与infilrate
plant
分别为裸土和植被覆盖区域的土壤的入渗速率，infiltime为入渗时间，nutrition为土壤养分含量，inutrition为土壤的初始养分含量。
[0029]3)利用元胞数组径流量入渗量infil记录每分钟内的入渗量，并判断当前元胞发生土壤入渗后的地表径流量：
[0030]当通过降雨获取的入渗量infil小于元胞此时的入渗速率时，所有降水将转化为土壤水；
[0031]当降雨量大于元胞此时的入渗速率时，土壤水的增加量等于单位时间内土壤的入渗量，其余的雨水则会滞留在地表，从而形成地表径流，此外，生成一个n*n大小的元胞数组的累计入渗量suminfil，积累每个元胞累计的入渗量，当累计入渗量超过土壤的饱和含水
量时，土壤入渗随即停止。将植被覆盖和裸土区域的土壤饱和含水率分别设定为0.35和0.3，因此，土壤入渗量具体公式为
[0032]infil＝infilrate
×
[(suminfil＜0.3)+(suminfil＜0.35)]ꢀꢀ
(6)
[0033]其中，其中，infilrate为入渗速率，suminfil为累计入渗量。
[0034]然后，使用降雨量减去土壤入渗量，随机得到土壤入渗后残留在地表的雨量，具体公式为：
[0035]rain
′
＝rain
‑
infil
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：根据模拟区域实际大小、植被覆盖、降雨情况建立元胞数组，通过随机生成小于降雨概率的元胞数组模拟降雨事件的发生；S2：根据各个元胞的植被覆盖情况确定土壤入渗速率，结合降雨量计算土壤入渗量和残留在地表的雨量；S3：通过坡度对地表径流量进行转换，根据高程关系确定每个元胞内径流的流入或流出关系；S4：根据元胞在径流过程中的径流的流入或流出关系判断土壤养分的流失或汇集，并依据植被覆盖确定土壤养分变化速率，最后计算径流发生后的土壤养分情况；S5：建立循环函数重复步骤S1至S4，模拟降雨发生后不断发生的降雨、入渗、径流及土壤养分变化过程，当循环函数运行超过设定的降雨时间raintime后停止循环，并输出此时土壤养分流失情况，即对模拟区域的土壤养分流失情况完成了仿真模拟。2.根据权利要求1所述的一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其特征在于，步骤S1中的元胞数组的构建过程为：在Matlab中建立若干个大小为n*n的矩阵，矩阵中的每个元素代表一个元胞，每个矩阵则代表一个元胞数组。3.根据权利要求2所述的一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其特征在于，所述元胞数组的数量等于所涉及的元胞状态参数的数量，每个元胞数组内的元胞值代表大小为n*n m2的区域内每块土壤所对应参数的值；涉及到元胞状态参数包括高程t、元胞的坡度s、降雨量rain、入渗量infil、入渗速率infilrate、径流流出量flowout、径流流入量flowin、邻居元胞径流流出量surflowout、径流速率runoffrate、土壤养分含量nutrition以及土壤养分变化量nutrichange。4.根据权利要求3所述的一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其特征在于，步骤S1的实现方式如下：1)降雨发生时，使用生成值域区间内随机数的方式，确定此次降雨强度arain，具体公式为其中sumrain为降雨总量，rainday为降雨天数，raintime为降雨持续时间；2)使用元胞数组降雨量rain反映当前每个元胞内的降雨情况，对于生成的n*n大小的随机数元胞数组，小于降雨落入概率的元胞则认为该元胞存在降雨，存在降雨的元胞状态为1，其余为0，具体公式为rain＝arain
×
(rand(n)<prain)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中rand(n)为大小为n*n的随机数矩阵，prain为雨水落入概率。5.根据权利要求4所述的一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其特征在于，步骤S2 的实现方式如下：1)对步骤S1得到的存在降雨的元胞数组进行判断，对于存在降雨的元胞，地表将会滞留等同于降雨量的地表水，随后发生土壤入渗；2)计算发生土壤入渗的元胞的土壤的入渗速率，根据地表覆盖类型、坡度、入渗时间以
及养分含量共同确定，计算公式如下infilrate＝infilrate
bareland
+infilrate
plant
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)infilrate
bareland
＝cos(s)
×
(1.91+0.326
×
e
‑
0.215infiltime
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中infilrate为所有元胞的土壤的入渗速率，infilrate
bareland
与infilrate
plant
分别为裸土和植被覆盖区域的土壤的入渗速率，infiltime为入渗时间，nutrition为土壤养分含量，inutrition为土壤的初始养分含量；3)利用元胞数组径流量入渗量infil记录每分钟内的入渗量，并判断当前元胞发生土壤入渗后的地表径流量：当通过降雨获取的入渗量infil小于元胞此时的入渗速率时，所有降水将转化为土壤水；当降雨量大于元胞此时的入渗速率时，土壤水的增加量等于单位时间内土壤的入渗量，其余的雨水则会滞留在地表，从而形成地表径流，此外，生成一个n*n大小的元胞数组的累计入渗量suminfil，积累每个元胞累计的入渗量，当累计入渗量超过土壤的饱和含水量时，土壤入渗随即停止；将植被覆盖和裸土区域的土壤饱和含水率分别设定为0.35和0.3，因此，土壤入渗量具体公式为infil＝infilrate
×
[(suminfil＜0.3)+(suminfil＜0.35)] (6)其中，其中，infilrate为入渗速率，suminfil为累计入渗量。然后，使用降雨量减去土壤入渗量，随机得到土壤入渗后残留在地表的雨量，具体公式为：rain
′
＝rain
‑
infil
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，rain
’
为土壤入渗后的降雨量，rain为降雨量，infil为入渗量速率。6.根据权利要求5所述的一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法，其特征在于，步骤S3的实现方式如下：1)将降雨获取的径...

【专利技术属性】
技术研发人员：米家鑫，张绍良，杨永均，侯湖平，丁忠义，公云龙，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：