[发明专利]一种基于元胞自动机的土壤养分流失仿真模拟方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及水文模型的技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

因此，基于以上背景，本发明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。

本发明通过以下技术方案实现：

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：

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。

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。

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。