面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法技术

本发明专利技术提供了一种面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，属于水土保持技术领域，该方法包括：构建参数化机理方程，并构建、修正并率定WEPP模型；模拟历史上的最强洪水事件并输出相关的土壤侵蚀过程指标，通过主成分分析法确定对垄沟布局存在重要响应的土壤侵蚀过程指标；利用Critic和熵权法综合确定在不同垄沟布局方式下，输出的土壤侵蚀过程指标对其响应程度并计算权重，对不同布局方式下的垄沟布局方式进行赋分并优选出最佳布设方案。本发明专利技术通过探讨不同垄沟布局对坡耕地径流侵蚀、产沙和养分流失过程的影响，为区域坡耕地垄沟方式的布局优化及合理选用提供确切的方法支撑，解决了面向区域坡耕地侵蚀控制的垄沟优化布局问题。布局问题。布局问题。

【技术实现步骤摘要】
面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法


[0001]本专利技术属于水土保持
，尤其涉及一种面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，土壤侵蚀导致我国土壤水土养分流失，严重危害了我国农业生产和可持续发展。这其中，黄土高原和东北平原因其复杂的气候、人类活动、自然地理及悠久的耕作历史使得水土流失问题更为突出，而坡耕地是造成黄土高原水土流失问题的主要地点，土壤侵蚀量占总量的60％～80％。因此，如何缓解坡耕地水土流失问题，对于实现农业可持续发展及流域生态环境治理具有重要意义。
[0003]垄沟作为一种应用久远的土壤管理措施，通过改变区域微地貌特征，增大地表糙率，增大蓄水空间，改变径流运动路径，对提升土壤调节性能和改善土壤侵蚀过程具有显著的效应。然而目前关于垄沟在不同环境下对于土壤侵蚀过程的调蓄能力并不明确，现有研究主要集中在相似集中垄作措施之间的对比，并对其进行定性总结。而不同垄沟布局对坡耕地土壤侵蚀作用的综合调控作用缺少系统研究，且对于其布局优化作用未曾系统总结。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，为改善区域土壤改良及土壤侵蚀控制，促进农作物增产增收及可持续发展做出探索。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本方案提供一种面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、设计野外控制产流实验，以坡度、垄沟比例和垄沟高度为设计变量，分别以坡度、垄沟比例和垄沟高度为自变量建立表征土壤侵蚀过程的机理方程；
[0008]S2、基于机理方程构建并修正WEPP模型，并以实验结果中产流和产沙过程曲线为标准对WEPP模型进行率定；
[0009]S3、利用经率定后的WEPP模型，输出历史最强降雨过程中描述产流过程、土壤侵蚀和养分流失过程的土壤侵蚀过程指标，并分别通过主成分分析法确定相关土壤侵蚀过程指标中对不同垄沟布局存在重要响应的土壤侵蚀过程指标；
[0010]S4、根据土壤侵蚀过程指标，通过Critic和熵权法综合确定并量化在实验过程中土壤侵蚀过程指标对不同实验组垄沟布局方式的响应程度；
[0011]S5、根据响应程度，结合当地记载过往年限出现的暴雨事件，自动输入不同的垄沟布局方式，并利用WEPP模型对暴雨过程进行模拟，输出相应的土壤侵蚀过程指标，并对其取均值；
[0012]S6、根据均值，利用TOPSIS方法结合土壤侵蚀过程指标间的相对权重和相对隶属度，对不同垄沟布局方式下在历次降雨事件中关于土壤侵蚀控制方面的单项指标表现情况
进行赋分，计算出在模拟条件不同垄沟布局相对于理想最优解的相对贴近度，完成面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化。
[0013]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过野外实验确定并量化垄沟布局对土壤侵蚀过程的影响程度，构建参数化机理方程。而后利用机理方程构建、修正并率定WEPP模型。模拟区域历史上的最强洪水事件并输出相关的土壤侵蚀过程指标，并利用主成分析法确定在不同垄沟布局方式下对土壤侵蚀过程存在重要响应的指标。而后利用Critic和熵权法综合确定在不同垄沟布局方式下，WEPP模型输出的各土壤侵蚀过程指标对其响应程度并计算权重，而后利用TOPSIS方法对不同布局方式下的垄沟布局方式进行赋分并优选出最佳方案，从而完成面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，为改善区域土壤改良及土壤侵蚀控制，促进农作物增产增收及可持续发展做出探索。
[0014]进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
[0015]S101、设计野外控制产流实验，以坡度、垄沟比例和垄沟高度为设计变量，确定各实验组参数的取值，其中，降雨时间和降雨强度参照当地观测资料的洪水事件，重复三次；
[0016]S102、根据步骤S101获取的实验结果，以坡度、垄沟比例和垄沟高度为自变量建立表征土壤侵蚀过程的机理方程。
[0017]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术通过实测数据构建垄沟布局与土壤侵蚀过程指标之间的机理方程，为后续WEPP模型的修正及本土化应用提供实际支撑。
[0018]再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤；
[0019]S201、搜集历史最强洪水事件中气象水文数据，并基于机理方程构建并修正WEPP模型；
[0020]S202、以实验结果中产流和产沙过程曲线为标准，以R2、NSE、RE和归一化指数为评价土壤侵蚀过程指标对WEPP模型进行参数率定。
[0021]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术通过构建并修正土壤侵蚀过程模型，为后续土壤侵蚀过程的数据描述提供支撑。
[0022]再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
[0023]S401、利用Critic法确定并量化土壤侵蚀过程指标的重要程度：
[0024][0025][0026][0027][0028]越大越优型：r
ij
＝(t
ij
‑
t
ijmin
)/(t
ijmax
‑
t
ijmin
)
[0029]越小越优型：r
ij
＝(t
ijmax
‑
t
ij
)/(t
ijmax
‑
t
ijmin
)
[0030]其中，w
sj
表示各土壤侵蚀过程指标j的重要程度，C
ij
表示所有实验方案中i各土壤侵蚀过程指标j中数据含有的信息量，i表示实验方案的组数，n表示实验方案总数，S
j
表示各土壤侵蚀过程指标j相对隶属度的标准差，R
i'j
表示各土壤侵蚀过程指标i'与各土壤侵蚀过程指标j之间的相关系数，R
j
表示各土壤侵蚀过程指标j的冲突性，r
ij
表示方案i各土壤侵蚀过程指标j中的相对隶属度取值，满足0≤r
ij
≤1，表示各土壤侵蚀过程指标i'的相对隶属度均值，t
ij
表示方案i中各土壤侵蚀过程指标所对应的值，t
jmin
表示各土壤侵蚀过程指标j的最小值，t
jmax
方案中各土壤侵蚀过程指标j的最大值；
[0031]S402、利用熵权法确定并量化土壤侵蚀过程指标的重要程度：
[0032][0033][0034]f
ij
＝r
ij
/∑r
ij
[0035]其中，w
ej
表示评价各土壤侵蚀过程指标j的客观权重，H
j
表示评价各土壤侵蚀过程指标j的熵值，m表示可表征土壤侵蚀过程的各土壤侵蚀过程指标j的总数，f
ij
表示第i个方案中第j个土壤侵蚀过程指标值的权重；
[0036]S403、根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计野外控制产流实验，以坡度、垄沟比例和垄沟高度为设计变量，分别以坡度、垄沟比例和垄沟高度为自变量建立表征土壤侵蚀过程的机理方程；S2、基于机理方程构建并修正WEPP模型，并以实验结果中产流和产沙过程曲线为标准对WEPP模型进行率定；S3、利用经率定后的WEPP模型，输出历史最强降雨过程中描述产流过程、土壤侵蚀和养分流失过程的土壤侵蚀过程指标，并分别通过主成分分析法确定相关土壤侵蚀过程指标中对不同垄沟布局存在重要响应的土壤侵蚀过程指标；S4、根据土壤侵蚀过程指标，通过Critic和熵权法综合确定并量化在实验过程中土壤侵蚀过程指标对不同实验组垄沟布局方式的响应程度；S5、根据响应程度，结合当地记载过往年限出现的暴雨事件，自动输入不同的垄沟布局方式，并利用WEPP模型对暴雨过程进行模拟，输出相应的土壤侵蚀过程指标，并对其取均值；S6、根据均值，利用TOPSIS方法结合土壤侵蚀过程指标间的相对权重和相对隶属度，对不同垄沟布局方式下在历次降雨事件中关于土壤侵蚀控制方面的单项指标表现情况进行赋分，计算出在模拟条件不同垄沟布局相对于理想最优解的相对贴近度，完成面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化。2.根据权利要求1所述的面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S101、设计野外控制产流实验，以坡度、垄沟比例和垄沟高度为设计变量，确定各实验组参数的取值，其中，降雨时间和降雨强度参照当地观测资料的洪水事件，重复三次；S102、根据步骤S101获取的实验结果，以坡度、垄沟比例和垄沟高度为自变量建立表征土壤侵蚀过程的机理方程。3.根据权利要求1所述的面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤；S201、搜集历史最强洪水事件中气象水文数据，并基于机理方程构建并修正WEPP模型；S202、以实验结果中产流和产沙过程曲线为标准，以R2、NSE、RE和归一化指数为评价土壤侵蚀过程指标对WEPP模型进行参数率定。4.根据权利要求1所述的面向土壤侵蚀控制的坡耕地垄沟布局优化方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：S401、利用Critic法确定并量化土壤侵蚀过程指标的重要程度：S401、利用Critic法确定并量化土壤侵蚀过程指标的重要程度：
越大越优型：r
ij
＝(t
ij
‑
t
ijmin
)/(t
ijmax
‑
t
ijmin
)越小越优型：r
ij
＝(t
ijmax
‑
t
ij
)/(t
ijmax
‑
t
ijmin
)其中，w
sj
表示各土壤侵蚀过程指标j的重要程度，C
ij
表示所有实验方案中i各土壤侵蚀过程指标j中数据含有的信息量，i表示实验方案的组数，n表示实验方案总数，S
j
表示各土壤侵蚀过程指标j相对隶属度的标准差，R
i'j
表示各土壤侵蚀过程指标i'与各土壤侵蚀过程指标j之间的相关系数，R
j
表示各土壤侵蚀过程指标j的冲突性，r
ij
表示方案i各土壤侵蚀过程指标j中的相对隶属度取值，满足...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘姗姗，李威，秦天玲，严登华，樊晶晶，侯军，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：