不同坡度条件下的水土流失特征研究

近年来随着生产建设项目的扩增,济南市南部山区水土流失显著加剧。为保护济南泉水的重要补给区,亟需对南部山区水土流失特征及其治理措施进行深入研究。本研究基于济南市水文局济西水土保持监测实验站径流小区产流产沙数据,结合降雨、土壤和植被因素,对不同坡度下的水土流失特征进行系统分析。研究表明:(1)径流深和土壤侵蚀量随坡度增加而增大,最大值出现在2025°坡面;(2)不同坡度径流深均值与平均雨强具有明显相关性,径流深随降雨强度的增加而增大;土壤侵蚀量除与降雨特征有关外,同时受地表植被与土壤特征影响明显,土壤侵蚀量随降雨强度的增加而增大,随着植被覆盖度的增加而减少,通过坡面植物措施,水土流失程度明显减弱。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

坡度和降雨强度对坡耕地入渗的影响

利用人工模拟降雨对黑龙江西部半干旱区坡耕地不同坡度和不同降雨强度下的土壤水分入渗规律进行了试验研究,采用产流历时和稳定入渗速率二项指标进行分析,发现随着地面坡度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐减小,坡面产流历时与坡度呈对数函数关系,土壤稳渗速率与坡度呈幂函数关系;随着降雨强度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐增大;坡面产流历时与降雨强度呈指数函数关系,土壤稳定入渗速率与降雨强度也呈指数关系。     

不同土壤前期含水率和坡度下黄壤分离临界水动力特性

土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡度(1.0°~10.0°),利用冲刷槽实测土壤分离临界水动力学参数,探讨土壤分离临界水动力学参数对不同土壤前期含水率和坡度耦合作用的响应。结果表明:土壤分离临界流速、临界水深和流态均与坡度和土壤前期含水率呈幂函数减小关系;在坡度小于5.0°时,土壤分离临界水动力参数受坡度和土壤前期含水率耦合作用的影响;而在坡度大于5.0°时则主要受坡度的影响。因此,当坡度大于5.0°时,可直接采用简化幂函数方程对土壤分离临界水动力参数进行估算。在本研究试验条件下,坡面土壤分离临界水流流态基本属于层流、缓流,发生紊流、急流的概率很小。坡度和土壤前期含水率对坡面流阻力有重要的影响,阻力系数随临界单宽流量和雷诺数的增加呈幂函数下降趋势。     

砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面土壤可蚀性影响试验研究

通过人工模拟降雨试验,选取2种坡度(15°,30°),2种降雨强度(92,119 mm/h)和6种砾石覆盖度(0,10%,20%,40%,60%,80%),探究砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面侵蚀及土壤可蚀性的影响.结果表明:随累积降雨量增加,土壤可蚀性参数先增大后减小,并趋于稳定.坡度对土壤可蚀性影响显著,坡度越陡,坡面土壤可蚀性越大.砾石覆盖度与土壤可蚀性参数并非呈单调关系.坡度较陡且低覆盖度时,砾石覆盖增加坡面侵蚀;而当高覆盖度时,砾石覆盖可降低坡面径流速率,增加入渗率,减小土壤侵蚀率.适当盖度砾石覆盖能够改变边坡表面粗糙程度,降低坡面土壤可蚀性.砾石覆盖坡面径流雷诺数与土壤可蚀性参数呈显著线性负相关关系.通过径流雷诺数与土壤可蚀性参数线性关系定量分析能够较好反映坡面高钠盐土颗粒输移水动力学过程,对于构建盐碱土边坡泥沙输移预测模型具有重要意义.     

陕北黄土区陡坡坡面因子对土壤水分的影响

为加快黄土高原植被恢复和植被构建速度,在研究陕北黄土区吴起县坡度、坡向分布特征的前提下,分别选取阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡的陡坡,每个坡向选取4个坡度级(35°,45°,55°,65°),分别分析其0~100 cm土层深度的土壤水分并进行聚类分析.结果显示:研究区内坡度在35°以上陡坡占当地总面积的39.00%左右;且阴向坡面积52.65%多于阳向坡47.35%;研究区内0~100 cm土层深度的土壤含水量随着土层深度的增加呈现增加趋势,且趋势越来越平缓;坡度越大,土壤含水量的垂直变化越强烈,阴坡坡度与陡坡土壤含水量的相关性最为显著;坡向因子主要影响坡面整体水分状况,而对陡坡土壤水分垂直空间分布规律影响较小;坡度、坡向和成坡时间因子对坡面土壤含水量的影响主要集中在0~40 cm土层深度内,对较深层土壤含水量影响作用较小;系统聚类分析结果同样显示,土壤含水量较为活跃的层次主要集中在0~40 cm土层深度内,阳坡35°坡面活跃层可达90 cm左右.     

农牧交错区地表土壤风蚀物垂直分布规律研究

利用移动式风蚀风洞对阴山北麓农牧交错区无退化草地、退化草地、传统耕作农田和保护性耕作农田等4种典型地表土壤的抗风蚀能力进行了原位测试研究,探讨了4种典型地表土壤风蚀物的垂直分布规律.研究表明,4种典型地表土壤风蚀量在高度上的分布具有一定规律.其中,无退化草地、退化草地和传统耕作农田地表土壤风蚀量随高度的变化遵循指数规律;而保护性耕作农田土壤风蚀量随高度的变化呈明显的随机性特征.由于直立残茬和植被覆盖的共同作用结果,风洞集沙仪收集的保护性耕作农田最大土壤风蚀量集中在距地表18～40 cm的高度范围内.     

雨滴动能对红壤地表溶质迁移特性影响试验

以非吸附性溴离子和吸附性磷元素为示踪剂,通过改变针头式降雨器的雨滴降落高度获取不同雨滴动能,并推算其相应的雨滴能量流(Rain droplet energy flux,DE),研究雨滴动能对红壤坡面溶质迁移特征的影响。试验结果表明,初始产流时间、地表土壤含水率、土壤水分入渗深度等均随着DE增大而线性减小;径流总量(Total runoff,TR)与DE呈幂函数递增关系;产沙量(Sediment yield,SY)与DE可用对数函数描述。在不同雨滴动能条件下,径流溴离子浓度随产流时间呈幂函数衰减,土壤溴离子淋溶深度随着雨滴动能增大而减少;径流溶解态磷浓度随产流时间呈线性增大趋势,径流全磷(Total phosphorus,TP)流失总量与DE的关系可用指数函数描述,且径流全磷流失量与径流总量及产沙量高度相关;雨滴动能越大导致表层土壤磷素含量越低。     

柔性植被与刚性植被覆盖下坡面流阻力特性研究

主要讨论植被覆盖下的坡面流水力学特征,特别是阻力特征,并比较柔性植被和刚性植被对阻力影响的不同之处,系统地研究了坡面流阻力系数与单宽流量、雷诺数、覆盖度、坡度的关系。研究结果表明:柔性植被覆盖下的坡面流阻力系数随单宽流量变化不显著,但随着坡度的增大,阻力系数是减小的,大坡度小覆盖度下的坡面流阻力系数和雷诺数呈现负相关关系,同时植被覆盖度越大坡面流阻力系数也越大。而刚性植被覆盖下的坡面流阻力系数和坡面单宽流量呈现良好的正向幂函数关系,同雷诺数、植被覆盖度也都有明显的正比关系,同坡度的变化关系和柔性植被覆盖相似,并且刚性植被覆盖下的阻力系数在同等其他条件下明显大于柔性植被覆盖下的阻力系数。     

径流小区尺度土壤入渗率影响因子与估算模型研究

基于次降雨水文过程,确定了影响土壤平均入渗率(i_m)的多个因子;借助野外人工径流场观测资料,研究im与多个因子间定量关系,构建i_m估算模型。i_m与坡度之间呈二次抛物线关系,随坡度增加呈先升后降的变化趋势。i_m随坡长、降雨强度的增加均呈线性增加规律,随次降雨量增加呈指数增加趋势,随土壤颗粒分形维数增加呈线性降低规律。im与地表植被盖度、前期土壤含水率之间均存在双曲函数关系,随二者递增分别呈逐渐增加和降低规律。基于上述7个函数关系,采用多元非线性回归法建立估算im的回归模型,模型约72%的数据点相对误差不超过10%。采用上述7个因子作为输入参数,建立预测i_m的BP神经网络模型;通过灰色关联度分析法确定了模型最优训练算法为Levenberg-Marquardt、隐含层神经元结点最优个数为15;模型约81%的数据点相对误差不超过10%。     

基于CFD的砂石覆盖对近地表风场的影响

为了抑制由风蚀引起的土地荒漠化进程及促进农牧业生产,对西北贫瘠土地采取砂石覆盖、植被覆盖、作物留茬等多种保护措施,能够明显改善近地表风场、有效减小风蚀、保持土壤水分和减缓土地退化.针对砂石覆盖模式,基于CFD方法对砂石粒径为2.0~12.0 mm、风速为5,13 m/s的砂石覆盖近地表风场进行三维稳态模拟,并进行了现场观测.研究结果表明:距地面同一高度下,砂石覆盖对近地表风速的削弱度随粒径增大而增大,当粒径超过10.0 mm后削弱度基本不变;削弱度增幅随粒径增大而减小;同一粒径下,削弱度随地面高度的增大而减小;对比5,13 m/s这2种风速条件下,削弱度对风速的变化不敏感.通过现场观测结果发现,模拟所得削弱度较实测所得削弱度精度达89%以上.研究可为干旱区生态农业发展提供理论依据.     

渠道边坡稳定的盐敏感性特征研究

工程中灌排渠道在运行多年后,随着土中含盐量的增加,会造成渠道边坡不同程度的滑塌、变形及结构的破坏。通过对盐化土的剪切试验和界限含水率试验,得到不同含盐量下土的抗剪强度指标和稠度界限,运用单因素试验分析含盐量对土的抗剪强度和稠度界限的影响规律。随着含盐量的增加,土体的团聚体稳定性降低,增加了粘粒的分散性,土的抗剪强度有所下降;同时土的稠度界限也会降低,增大了土的流动性,明确地说明含盐量增加也是影响灌排渠道边坡稳定性重要因素。     

黄土高原丘陵沟壑区果园土壤水分动态

通过对飞马河流域坡面果园土壤水分连续4年的监测,采用时间序列小趋势分析法,分析了坡面果园土壤水分动态.结果表明:坡面果园0～200 cm土壤水分储量为314.71 mm,低于坡面土壤水分储量28.8 %;果园土壤水分储量年变化表现为1～5月耗水,9～12月土壤水储量得到恢复;各层土壤水分储量变化幅度表现为表层大于下层,下层土壤水分的消耗具有明显滞后性,同时下层土壤水分的补充与消耗受上层土壤水分储量影响.     

南方季节性缺水灌区土壤水分变化规律研究

通过对四川简阳节水农业示范区土壤水分的长期观测,利用统计学方法对南方季节性缺水灌区土壤水分在时间和空间的变异性进行了研究,并对造成这种变异的原因进行了分析。研究结果表明,南方季节性缺水灌区土壤水分垂直变化不明显,土壤水分在坡面呈现出从坡顶到坡脚逐渐增大的变化趋势,土壤水分随着时间的变化较大。南方地区的土层厚度是影响土壤水分的主要因素,地形、气候、植被等因素也对土壤水分的变化产生一定的影响。     

人工模拟暴雨条件下紫色土坡耕地入渗过程研究

结合室内物理化学试验等研究手段,运用人工模拟降雨法,分别探讨了不同暴雨强度,地面坡度及聚丙烯酰胺(PAM)加入量对紫色土坡耕地降雨入渗率的影响.研究结果表明,随着降雨强度的增大,稳定入渗率有增大的趋势;在0°～10°范围内随着坡度的增大紫色土坡面入渗量随之增加;PAM的加入可以较大程度促进土壤水分的入渗,提高稳定入渗率...     

锯末和保水剂对坡面棕壤土含水量的影响研究

在苜蓿的生长过程中,通过测量A区（锯末）、B区（保水剂）和C区（对照）土壤含水量,草产量及土壤容重,研究锯末和保水剂在坡面治理中对棕壤土含水量的影响。结果表明,坡面表层土壤含水量和降雨量的变化趋势基本一致,在20-30cm土层,A区始终保持最高土壤含水量,最高百分比达3.96%。从标准差和变异系数来看,研究均表明A区土壤含水量稳定性强,从而说明锯末释放出的水分多于B区同价格的保水剂释放的水分。最后指出,A区苜蓿平均株高和草产量均比B区和C区高,锯末区域20-30cm土层土壤容重变化最小,适宜苜蓿生长的土壤容重为1.24-1.38g?cm-3。试验结果为在干旱半干旱地区坡面治理中可以用廉价的锯末来代替保水剂,增加效益。     

地面坡度对滴灌水分入渗过程的影响

通过土箱模拟滴灌实验,研究了不同地面坡度下滴灌水分运移规律。结果表明,地面各方向湿润半径、滴头下湿润深度和最大湿润深度均与时间呈显著的幂函数关系;随着地面坡度的增大,地面顺坡方向湿润锋推进加快,逆坡方向及滴头处横坡方向湿润锋推进减缓,横坡方向最大湿润宽度也随着坡度的增大而减小;在纵剖面上随着地面坡度的增大,滴头下入渗深度逐渐减小,而最大入渗深度则逐渐增加,最大入渗深度的位置也距滴头越远;地表和纵剖面湿润范围的变化表明,与水平地面相比,整个湿润体随着地面坡度的增大明显向下坡方向偏移,且坡度越大,偏移距离越大,湿润体形状由对称的半椭球形向下坡大而上坡小的梨形变化。     

基于CoupModel的黄土丘陵沟壑区荒草地水分平衡模拟

应用土壤-植被-大气系统水热传输模型CoupModel,在野外定位观测试验的基础上对陕北黄土丘陵沟壑区阴、阳坡荒草地SVAT系统水分传输进行了模拟.结果表明,土壤含水率和土壤温度模拟值与实测值有较高的一致性;阳坡荒草地的土壤蒸发量较阴坡高,阳坡荒草地植被蒸腾量低于阴坡荒草地,说明阴、阳坡荒草地在大气-土壤界面和植被-土壤界面水分交换差异明显;干旱年大气降水主要消耗于土壤蒸发和植被蒸腾,蒸散量超过了同期降水量,输入草地系统的降水满足不了水分的支出,土壤水库处于负补偿状态.丰水年,试验地约有20％降水储存于土壤中,系统的水分收入大于支出.黄土丘陵沟壑区阳坡和阴坡是水热条件不同的立地类型,阳坡用于土壤蒸发的水分较多,土壤储水量低,因此阳坡植被配置应当考虑盖度较高、可以降低土壤蒸发的植被类型.     

Spectral vegetation indices for benchmarking water productivity of irrigated cotton and sugarbeet crops

Irrigation performance and water productivity can be benchmarked if estimates of spatially distributed yield and crop water use are available. A commonly used method to estimate crop evapotranspiration in irrigated areas is to multiply reference evapotranspiration values by appropriate crop coefficients. This study evaluated convenient ways to derive such coefficients using multispectral vegetation indices obtained by remote sensing. Detailed ground radiometric measurements were taken in small plots perpendicular to the crop rows to obtain canopy reflectance values. Ancillary measurements of green ground cover, plant height, leaf area index and biomass were taken in the cropped strip covered by the radiometer field-of-view. The results were up-scaled using 10 Landsat-5 and 1 Landsat-7 images. Crop measurements and ground radiometry were made at the time of Landsat overpass on two commercial fields, one grown with sugarbeet and the other with cotton. Crop height and ground cover were determined weekly in these two fields, three additional sugarbeet fields and one additional cotton field. The ground and satellite observations of canopy reflectance yielded similar results. Two vegetation indices, the normalized difference vegetation index (NDVI) and the soil adjusted vegetation index (SAVI) were evaluated. Both indices described the crop growth well, but SAVI was used in further evaluations because it could be conveniently related to both ground cover and the basal crop coefficient using a simple model. Based on these findings, crop water use variability was analyzed in a large sample of sugarbeet and cotton fields, within a homogeneous irrigation scheme in Southern Spain. The yield versus evapotranspiration data points were highly scattered for both cotton and sugarbeet. The yield values obtained from the sugarbeet fields and cotton fields were substantially lower than values predicted by a linear yield function, and close to a curvilinear yield function, respectively. Evapotranspired water productivity varied in the cotton fields from 0.3 to 0.78 kg m⁻³, and in the sugarbeet fields from 7.15 to 14.8 kg m⁻³.