基于数值模拟的土壤水渗漏对降雨条件的响应

为了揭示土壤水渗漏对不同降雨条件的响应规律,采用数值模拟方法模拟了不同降雨情景下土壤水渗漏量的变化,并与实际降雨条件下现场观测结果进行比较.结果表明,土壤水的渗漏率与降雨强度关系密切;在保持总降雨量不变的前提下,低频率但高强度的降雨条件下土壤水渗漏总量明显高于高频率但低强度的降雨条件下的土壤水渗漏总量.土壤水瞬时下渗率与前期降雨事件有关,短时间内多次出现的降雨事件显著增大土壤水的下渗率.本研究可为减少土壤营养物质流失以及制定合理的农田水肥管理措施提供理论依据和科学指导.     

不同降雨条件下沂蒙山区耕层土壤团聚体特征

降雨强度和时长对土壤团聚体的影响至关重要,不同降雨特征下沂蒙山区耕层土壤团聚体时空变异特征仍不清晰。基于模拟降雨试验,研究了不同降雨强度(16 mm/h,43 mm/h,71 mm/h)和降雨时长(10 min,30 min,60 min)下沂蒙山区褐土耕层土壤团聚体特征。结果表明:降雨强度16 mm/h,10 min降雨时长下仅对0—5 cm土层土壤团聚体产生影响,>5 mm粒级团聚体含量迅速降低。其他雨强和时长下,0—5,5—10,10—20 cm土层团聚体含量均发生变化。在43,71 mm/h的降雨强度下,随着降雨时长的增加,0—5 cm土层微团聚体含量均表现出先增加后降低的趋势。与供试土壤相比,雨强为71 mm/h,降雨时长60 min时,0—5 cm土层>5 mm粒级团聚体含量减少了93%,而<0.25 mm粒级团聚体含量增加了42%。土壤团聚体的平均重量直径(MWD)随降雨强度及时长的增加而减小,在降雨强度71 mm/h,降雨时长60 min时各土层MWD趋于一致。说明,随降雨强度及时长的增加,雨滴打击和雨水湿润作用对土壤大团聚体的拆分作用增强,大团聚体含量逐渐减少,微团聚体含量逐渐增加,土壤稳定性先降低后趋于稳定。     

紫色土水分和壤中流对降雨强度的响应

为研究降雨强度对紫色土坡耕地不同深度土壤水分含量和壤中流的影响,初步揭示紫色土水分和壤中流之间的相互耦合关系,通过原位人工模拟降雨试验,在60,90,120 mm/h 3种降雨强度条件下,采用Minitrase TDR可埋式探头对紫色土坡耕地土壤剖面浅层(0—20cm)、中层(20—40cm)、深层(40—60cm)的土壤水分含量进行了实时连续测定,并在降雨过程中分层收集测量壤中流,开展了降雨—产流过程的观测试验。结果表明:(1)当雨强较小时,浅层土壤含水率变化曲线呈现上升期和稳定期,随着雨强和深度的增加则呈上升期、稳定期或始终处于稳定期;(2)随深度和降雨强度的增加,土壤含水率稳定时间增加,含水率变化越小,响应越不明显;(3)在不同降雨强度条件下,各土层均有壤中流产生,低雨强条件下壤中流都是单峰产流过程,中雨强和高雨强下为双峰产流过程;(4)壤中流产流时间随雨强增大而显著减小,随深度增加而显著增加;(5)降雨强度与土壤水分含量和壤中流参数三者间相互有显著相关性。     

卧龙地区针叶林及亚高山灌丛对降雨的雨滴谱及能量的影响

在运用色斑法研究岷江冷杉及川滇高山栎灌丛林下的雨滴滴谱及降雨动能的基础上,探讨了上述两个生态系统林冠雨谱特征及降雨动能削减特征,比较了3种雨滴终速计算方法的适用性。结果表明:两种生态系统树冠层对降雨动能的改变作用有一定差异,灌丛林下的降雨动能一般小于林外降雨动能,而且雨强增大时灌从对动能的削减作用更加明显一些;但针叶林下的降雨动能却显著高于林外降雨动能,雨强增大时林下的降雨动能比有下降的趋势。在计算雨滴终速时,比较好的计算方法为Beard经验公式法,沙玉清公式(及修正的牛顿公式)法。     

降雨强度与坡度对径流中七种阳离子流失量的影响

针对密云水库周边地区坡地地貌,采用室内模拟降雨装置和ICP-MS质谱分析技术,研究了密云地区农田褐土在5种坡度和3种降雨强度交叉实验表层径流中K、Na、Ca、Mg、Al、Fe、Mn7种阳离子在不同降雨时段下的流失规律。结果表明在坡度和降雨时间段相同时,随着雨强的增加,大部分阳离子最大流失量逐渐增加,K、Mg、Fe、Mn规律性较强;在相同雨强和降雨时间段下,各阳离子流失量最大值所呈现的坡度不尽一致,但在雨强120mm/h时,K、Na、Ca、Mg、Fe流失量的最大值均呈现在25o坡度下;在坡度、雨强一致时,不同降雨时段内7种阳离子的流失量均呈现出随着时间的递增而逐渐增加的趋势。不同阳离子的流失总量之间随坡度的变化存在相关性,如在60mm/h和120mm/h降雨强度下,K、Ca流失量之间的相关系数分别达到0.974和0.953。各阳离子流失量在连续时间段下受径流量的影响不明显,但7种阳离子在1h的流失总量与径流量之间在相同降雨强度下随坡度变化均存在二次曲线关系,复相关系数平方>0.9。     

不同雨强与坡度对沂蒙山区典型土壤坡面侵蚀产沙的影响

通过室内人工模拟降雨试验研究降雨强度、坡度两因素与沂蒙山区典型土壤坡面产沙的关系。结果表明:土壤侵蚀量随雨强、坡度的增大而增加,但增加幅度不同。降雨强度、坡度的增大会加速坡面细沟的出现及其演变,且细沟的产生会引起产沙率急剧增加,并表现出一定的波动性。对于棕壤,小雨强时,坡面变化是影响坡面侵蚀产沙的主要因素,当雨强逐渐增大时,雨强对侵蚀产沙的影响逐渐超过坡度。对于褐土,雨强一直是影响坡面侵蚀产沙过程的主导因子。在相同雨强、坡度条件下,棕壤坡面的产沙率、土壤侵蚀量始终要高于褐土。     

粉煤灰草坪基质的渗滤特性及其环境效应

利用人工模拟降雨装置,结合ICP-MX质谱分析测试技术,深入探讨不同降雨强度、降雨时段和覆盖条件下,粉煤灰草坪基质渗滤特性及其环境效应。研究结果表明:在相同雨强和时段条件下,有草坪覆盖的基质其渗滤液离子浓度和离子流失总量均低于裸露基质。在覆盖状况和时间段相同条件下,降雨强度对覆盖处理中的渗流离子浓度影响不很显著,但在裸露处理中则表现较为明显,雨强为90 mm h-1时大部分离子,尤其是草坪覆盖处理中的离子流失量达最大值。时段对渗漏特性也有一定的影响,总的来说草坪覆盖处理中离子浓度随时段的增加有降低趋势(A l除外);裸露处理中除K、Ca外,其余元素随时段增加浓度呈现增大趋势。此外,所有渗滤液均达到了国家规定的三类水质,部分甚至达到二类水质,不会对人类饮用水造成污染。     

基于稳定同位素的土壤水分运动特征

土壤水分受降雨和地下水的共同补给作用,是陆地水循环的重要环节。通过模拟试验,结合土壤水同位素特征,以黄土高原黄绵土为研究对象,研究降雨入渗和地下水补给方式下土壤水分的运移变化特点。结果表明:土壤体积含水量随时间的延长而增大,最终趋于稳定,土壤水分的运移有明显滞后效应;土壤水氢同位素受补给水源、交换混合以及蒸发的影响,随时间的延长,补给水源的影响逐渐减弱,水分的交换混合和蒸发作用逐渐显现,土壤水最终达到动态平衡状态;两种补给条件下,土壤水运移方式均为活塞式推进,降雨入渗方式土壤水δD随土层深度的增加先减小后增大最终趋于稳定,表层0~5cm土壤水由于蒸发富集重同位素,5~20cm土壤水滞留时间最长,保水能力最强,地下水补给方式下土壤水δD随土层深度的增加而减小,上层土壤水δD由于蒸发富集重同位素,下层受地下水补给影响贫化;两种补给方式下土壤水δD与δ18O有良好线性关系,降雨入渗方式土壤水蒸发分馏作用大于地下水补给方式,地下水补给具有较好的保水效果。     

紫色土区玉米季坡耕地片蚀过程研究

通过采用人工模拟降雨与微小区试验相结合的方法,研究玉米种植下紫色土坡耕地片蚀过程,分析雨强变化对片蚀产流产沙的影响。结果表明:随着雨强增加,玉米各生育期片蚀出现时间不断提前,片蚀过程产流总量不断减少,产流强度不断增加;含沙量和产沙强度不断增加,但增幅有所降低。不同雨强条件,片蚀出现时间均表现为抽雄期拔节期苗期成熟期;1.0mm/min,2.0mm/min雨强条件,片蚀过程径流总量和产流强度均表现为成熟期苗期拔节期抽雄期;1.5mm/min雨强条件,表现为成熟期拔节期苗期抽雄期。1.0mm/min雨强条件,产沙强度表现为苗期成熟期拔节期抽雄期;1.0mm/min雨强含沙量及1.5mm/min,2.0mm/min雨强含沙量和产沙强度均表现为苗期拔节期成熟期抽雄期。不同雨强下,玉米各生育期片蚀过程中地表产流产沙过程均呈波动变化。     

长武塬区降雨入渗特征

为了深入理解深厚黄土层的降雨入渗机制,在黄土高原塬区的长武试验站,应用TDR监测天然降雨下大型土柱土壤含水率的动态变化,并结合土柱底部出流量测定数据,分析天然降雨的入渗特征。结果表明:降雨对土壤含水率的影响主要集中在160 cm深度以上,且随深度增加而递减,至240 cm土层降雨峰值信息几近消失;湿润锋运移速率与降雨强度呈正相关关系,与土壤初始含水率成负相关关系,湿润锋运移深度同降雨量和降雨强度正相关;降雨对300 cm土壤水的补给行为普遍存在,入渗补给以活塞流方式为主;降雨入渗补给土壤水的滞后作用表现出对100～200 cm土壤水的补给滞后时间为15～18 d,对300 cm深度土壤水的补给滞后时间为30～45 d。研究结果对明确黄土塬区水循环机制具有一定参考意义。     

SIMULATION OF THE WATER BALANCE OF SOIL COLUMNS AND FALLOW SOILS

A model is described that predicts the evaporation of water from, and the distribution of water in, a soil column evaporating into a constant environment. It is based on a numerical solution of the flow equation and requires only the initial water distribution in the column, the equilibrium (air-dry) water content at the soil surface and the relationship between volumetric water content and diffusivity. The model predictions show good agreement with a published analytical solution and with experimental results. Modifications to the model that allow for rewetting of the sod by rainfall, and changes in atmospheric conditions above the soil, enable predictions to be made of the water balance of a fallow field. In general, good agreement was obtained with the measured distribution of water deficits in the soil profile, although the predicted water content of the surface 2.5 cm of soil showed systematic differences from the measured values. The reasons for this are discussed.     

处理土壤水垂直不饱和流问题的一种坐标变换方法

尽管土壤水不饱和流问题的数值求解已经广泛地被采用,但要了解土壤水不饱和运动的内在机理,解析解仍然是无法被取代的。由于土壤水不饱和流的非线性使得解析解的获得非常困难,特别是当考虑重力作用的不饱和流问题时,情况将变得更加复杂。所以直到目前,人们还没有得到考虑重力作用下的不饱和流方程的完整的解析解。本文提出了一种坐标变换方法,将重力作用下的不饱和流方程变成了与无重力作用的不饱和流方程完全相同的形式,进而首次获得了该问题的一个可用初等函数表达的解析解。本文所提出的坐标变换方法和所获得的解析解在实验上都得到了较好的验证。     

改进型有限分析法模拟包气带土壤水分运移

近年来有限分析法被广泛应用于模拟土壤水分运移。混合型有限分析法通常使用一阶有限差分近似代替Richards方程中的时间导数项。然而，这种处理方式可能会引起数值弥散，尤其是在处理对流占优的传输问题。因此，该研究提出一种从时域和空间域获取局部解析解的改进型有限分析计算格式来克服上述问题。将改进的有限分析法的数值解、混合型有限分析的数值解、有限差分数值解与解析解定量化对比研究发现，改进型有限分析计算格式在较大空间步长条件下（空间步长为10 cm），能够获得精度最好的数值解，且能更好地控制质量平衡误差。此外，改进的有限分析法能获得与现有的软件（VSAFT2）相似的计算结果。该研究能为包气带水分运移模拟提供一种可靠的方法，推动区域土壤水资源的评价与管理。     

大型蒸渗仪和径流小区中红壤的水量平衡

The daily soil water budgets in the red soil areas of central Jiangxi Province, southern China, were investigated with a large-scale weighing lysimeter and runoff plots. From 1998 to 2000, peanuts (Arachis hypogaea L.) and rape (Brassica napus L.) were planted in the lysimeter and in 1999, peanuts were planted in the runoff plots. The soil water budget components including rainfall, runoff, percolation and evapotranspiration were measured directly or calculated by Richards' equation and water balance equation. The results showed that most rainfall, including rainstorms, occurred from March to July, and induced the greatest soil water percolation during the year. The evapotranspiration was still large from July to September when rainfall was minimal. Thus, the lack of synchronization in soil water inputs and losses was disadvantageous to crops growing in this region. Among the soil water losses, percolation was the largest, followed by evapotranspiration, and then soil runoff. Runoff was very small on farmland with crops. It was significantly different from the uncultivated uplands where large-scale runoff was usually reported. The soil water storage fluctuated sinusoidally, with a large amplitude in the rainy season and a small amplitude in the dry season.     

Prediction of solute leaching under field conditions: an appraisal of three methods

The analytical equation of Rose was more successful than the models of Burns and Addiscott in predicting movement of chloride through a soil on Upper Chalk under irrigation and winter rainfall. The two models required water inputs to be divided into 5 mm increments. When this was done the model of Addiscott was more successful than that of Burns although both then gave predictions of acceptable accuracy for practical purposes. The analytical equation of Rose requires a value for solute dispersivity. This was obtained from the experimental measurements, but the value used (3 cm) was found not to be critical.     

赣北红壤坡地土壤流失方程关键因子的确定

土壤流失方程是开展水土流失监测,指导水土流失防治的重要技术工具。针对红壤坡地土壤流失方程因子算法和取值研究薄弱的问题,基于野外径流小区观测资料,采用80%经验频率法确定了赣北红壤区侵蚀性降雨标准为降雨量10.0 mm、平均雨强1.3 mm/h、最大30 min雨强5.0 mm/h,区内次降雨侵蚀力采用总动能和最大30 min雨强乘积计算最佳。通过建立基于年降雨量的逐年侵蚀力简易算式,测算土壤可蚀性因子以及6种生物措施因子、5种工程措施因子取值,选定适宜的地形因子算式,构建了赣北红壤坡地土壤流失方程体系。经检验,模型能良好预报赣北红壤坡地多年平均土壤侵蚀强度;年际尺度预报的精度整体较高,但对于降雨较多年平均水平浮动较大或地表出现沟蚀等侵蚀类型时,预报精度将有所降低。有关因子的确定可为土壤流失方程在南方红壤坡地水土流失监测和水土保持规划中的应用提供技术支撑。     

基于水平吸渗确定土壤水分扩散率的解析-修正法

准确测试土壤水分扩散率是研究水分在土壤中运移的关键之一.针对水平吸渗法测试土壤水分扩散率易受边界效应影响的问题,该研究构建解析-修正法,以提高测试结果的精度.假设第一类边界条件下,一维水平入渗Richards方程解的形式与其对应线性化方程的解析解相似,结合常数变易法,推导了一维水平入渗Richards方程的近似解析解....     

基于压差式施肥罐的均匀施肥方法

压差式施肥罐是水肥一体化中应用较为广泛的施肥装置,但它容易产生施肥不均匀的问题,会因局部过量施肥造成土壤污染,还会影响作物的产量和品质。为利用计算机控制压差式施肥罐进行田间作物的恒定浓度和流量施肥,该文基于肥料连续方程推导了解析解,由计算机控制流入施肥罐的流量和直接流过主管道进入灌溉系统的流量。在此基础上,该文通过试验数据验证了施肥罐内水肥流动数学模型,对解析解控制压差式施肥罐的恒定浓度和流量施肥进行了模拟,模拟结果与解析解的相对偏差小于15%,验证了该均匀施肥方法的合理性。结果表明以最优肥液浓度的±50%为界,传统压差式施肥罐使用过程中约有70%~80%的肥料处于过量施肥或不充分施肥范围内,通过均匀施肥方法,可以基本实现灌溉过程中基于压差式施肥罐的施肥均匀。     

坡地雨水资源潜力分析及径流侵蚀的动态变化

通过人工模拟降雨,对宁南山区坡地改造后不同坡度的自然坡面进行试验研究。结果表明:相同降雨量下,降雨强度与土壤贮水量补充呈反比,入渗深度随坡度增大减小。比较人工降雨和双环法对稳渗速率的影响,人工降雨测定的土壤稳渗速率小于双环法测定的稳渗速率,双环法所测定的土壤稳渗速率与人工降雨法测定的土壤稳渗速率之间呈线性函数关系。对水平沟水分补充随坡度和雨强增大而增大,大雨对水平沟水分补充有重要意义。产沙动态分析,雨强较大时,随时间推移,单位体积泥沙含量递减,在较小雨强下,随时间推移,单位体积泥沙含量呈递增趋势。雨强和土壤侵蚀模数的关系符合幂函数方程:Q=0.017I2.5442     

An analytical solution for advance of solute front in soils

Based on the assumption that solute transport in a semi-infinite soil column or in a field soil profile can be described by the boundary-layer method, an analytical solution is presented for the advance of a solute front with time. The traditional convection-dispersion equation (CDE) subjected to two boundary conditions: 1) at the soil surface (or inlet boundary) and 2) at the solute front, was solved using a Laplace transformation. A comparison of resident concentrations using a boundary-layer method and an exact solution (in a semi-infinite-domain) showed that both were in good agreement within the range between the two boundaries. This led to a new method for estimating solute transport parameters in soils, requiring only observation of advance of the solute front with time. This may be corroborated visually using a tracer solution with marking-dye or measured utilizing time domain reflectometry (TDR). This method is applicable to both laboratory soil columns and field soils. Thus, it could be a step forward for modeling solute transport in field soils and for better understanding of the transport processes in soils.