水文过程及模型研究主要进展

揭示水文过程,发展水文模型不仅在暴雨洪水预报及坝库工程设计等方面具有重要作用,而且也是研发土壤侵蚀物理模型必须的基础性工作。从入渗、产流和汇流等水文物理过程出发,综述了国内外水文过程与水文模型的主要进展,并指出,建立基于GIS的分布式水文过程模型是水文模型研究的趋势。     

植被覆盖度对黄土高原地区土壤入渗及产流影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了植被覆盖度变化对土壤含水率、坡面入渗及产流的影响,为揭示植被作用下土壤侵蚀产沙机理提供支撑。研究结果表明:1植被覆盖度不同,表层土壤含水率在降雨前后会有很大差异,其增加幅度随着植被覆盖度增加而增大,同时随着植被覆盖度增加,降雨对深层的土壤含水率影响将更为显著;2植被覆盖对初始入渗率、稳定入渗率的影响比较明显,植被覆盖度越高,稳渗率越大,达到稳渗状态的时间越短;3与裸坡面相比,草被坡面有显著的减流效应,随着植被覆盖度提高产流系数有减小趋势,在植被覆盖度达到18%以上时产流系数减小趋势才比较明显,但在暴雨条件下,即使植被覆盖度达到了50%以上,出现产流的时间仍比较短。     

模拟降雨条件下含砾石土壤的坡面产流和入渗特征

模拟降雨条件下研究了含砾石土壤的入渗过程,分析了砾石含量和坡度对土壤坡面产流时间和入渗的影响。研究结果表明:含砾石土壤的坡面产流时间与砾石含量和坡度密切相关,当坡度>5°时,产流时间与砾石含量呈线性负相关。当坡度<5°时,不同砾石含量的土壤入渗能力表现出明显差异;砾石含量为20%~30%时,土壤入渗相对增加;当坡度>10°时,砾石含量对入渗能力的影响不明显。利用Kostiakov入渗经验模型可以很好地模拟含砾石土壤的降雨入渗过程,模型中的经验系数K能够反映出降雨开始1 min内坡度和砾石含量对入渗的影响。     

基于动态产流机制的分布式土壤侵蚀模型研究

区域尺度的土壤侵蚀模型研究的流域面积较大,研究区往往涉及到多种气候类型。现有的区域尺度的土壤侵蚀模型多采用单一的产流类型,并不能真实准确地反映区域尺度的产流过程。因此,以DEM栅格单元为基本模拟单元,以日为时间模拟单元,构建了基于动态产流机制的区域尺度分布式土壤侵蚀模型。该模型采用动态产流方案,即根据降雨特征和下垫面特征之间的动态对比关系动态选取产流方式,并详细描述了降水、渗透、植被截留、填洼、降雪融水、蒸散发等过程,从而更加准确地描述了区域尺度的产流过程。采用RUSLE模型计算泥沙剥蚀量,并采用月均植被覆盖度计算C因子,使得长时间序列模拟中,C因子是动态变化的,从而使得模型能够更加真实地反映土壤侵蚀的状况。最后,以临沂流域为研究区,对模型进行了验证和应用。模拟结果表明,该模型在临沂流域适用。研究结果说明临沂流域的泥沙主要来源于上游和中游,海拔高度是土壤侵蚀的重要影响因子,临沂流域的土壤侵蚀主要分布在200～500m的海拔高度带上。     

产流积水法测量降雨侵蚀影响下坡地土壤入渗性能

坡地土壤降雨入渗性能与下垫面对降雨的再分配过程密切相关。该文提出了测量坡地降雨条件下土壤入渗能力的产流积水法。由水量平衡原理，根据径流在坡面上推进的过程和积水情况下积水深度随时间变化的过程，推导得到了计算土壤入渗性能的数学模型。采用两种工况：1)雨强为60 mm/h、坡度5°、径流面与入渗面长度比为1∶2；2)雨强30 mm/h、坡度20°、径流面与入渗面长度比为1∶1。进行室内试验，计算得到了两种工况的入渗性能曲线。分析了这种新型测量方法和计算模型的合理性。将时段降雨量和累计入渗量进行对比，估计了两种工况的测量误差。该方法可以克服传统的降雨器和双环入渗仪方法的不足，用于测量坡地降雨、径流、土壤侵蚀等因素影响下的整个降雨入渗性能过程曲线。为相关研究提供有力的工具。     

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。     

地表粗糙度对黄土坡面产流机制的影响

为探明地表粗糙度对坡面产流机制的影响,该研究通过室内与室外径流小区模拟降雨试验相结合,分析在3种雨强(60、90、120 mm/h)下粗糙坡面与平整坡面(坡度5°、10°、15°、20°)产流点位空间分布和坡面产流时间特征,阐明地表粗糙度对坡面产流机制的影响。结果表明:粗糙坡面与平整坡面产流点位沿径流方向的变异系数分别为34.4%~52.9%、15.5%~31.1%,即粗糙坡面产流点位较平整坡面更为分散。相较于平整坡面,地表粗糙度具有推迟坡面产流效应,且推迟效应随坡度、雨强增大而逐渐减弱。表明地表粗糙度在小坡度、小雨强条件下具有较强延迟坡面产流能力。地表粗糙度影响坡面产流一方面通过地表填洼的直接作用;另一方面通过增加降水入渗水头,增强坡面入渗能力的间接作用。通过坡面地表填洼量预测的初始产流时间与实测坡面产流时间比值范围为2.2%~36.2%,表明地表粗糙度间接作用为延迟坡面产流的主导作用。因此,该研究结果阐明了粗糙坡面的点状产流与坡面产流特征,进一步为粗糙坡面产流机制的揭示及地表粗糙度对坡面土壤侵蚀机理的影响提供了科学依据。     

基于短历时Philip入渗公式的产流模型

在分析积水入渗条件下短历时Philip入渗公式特点基础上,建立了基于短历时Philip积水入渗公式的降雨产流模型。模型显示地表积水时刻与雨强平方成反比。利用降雨强度为0.082 cm/min、坡度为15°情况下实测累计降雨产流量推求了模型参数吸渗率,并利用获得的S分别计算了雨强为0.214 cm/min、坡度为5°,雨强为0.133 cm/min、坡度为5°和雨强为0.133 cm/min、坡度为15°情况下累积径流量,相对于实测累积径流过程,计算相对误差都在10%内,可以满足精度要求,说明基于短历时Philip入渗公式建立的降雨产流模型可以用于描述坡面降雨产流过程。     

施加PAM的坡地降雨入渗过程及其模型研究

作为一种新型高效的土壤结构改良剂 PAM,在一定条件下能显著地提高土壤入渗能力 ,减小坡面径流。采用室内人工模拟降雨试验 ,研究了不同 PAM覆盖度下降雨产流随时间的动态变化及其与雨强、坡度的关系 ,以及入渗率随时间的变化规律 ,分析了 PAM、坡度、雨强对入渗率的影响。结果表明 ,地表施加 PAM后土壤的入渗率及稳定入渗率都比未施 PAM显著提高。通过对比施加 PAM后 Kostiakov入渗模型与 Horton入渗模型的显著性 ,表明 Horton入渗公式的适用性更好     

丘陵半干旱区小流域入渗产流特征研究

为了探索我国丘陵半干旱区小流域入渗产流规律,为该地区雨水径流集蓄利用和区域生态环境治理提供依据,通过人工模拟降雨和自然降雨入渗产流试验,对小流域坡耕地、林地、草地和荒地的降雨入渗产流特征进行了系统研究。结果表明,农林草地比荒地具有明显的拦蓄地表径流和减少土壤侵蚀的效果,比荒地拦蓄地表径流效率增加35.7?.0%,拦蓄泥沙效率增加46.2?.6%;利用Philip入渗理论和逐步回归分析方法对入渗产流试验结果处理分析,建立了小流域坡耕地、林地和荒地土壤的入渗产流及其相关因子数学模型;小流域产流系数与降雨小区地形坡度、降雨强度、植被盖度、土壤雨前含水量和土壤孔隙度等因子显著相关。     

东北黑土区不同垄作坡面产流产沙过程

起垄种植是东北黑土区普遍的耕作模式,不同垄作坡面产流产沙规律尚不明晰、亟需研究。为此,基于野外放水冲刷试验,设计3个冲刷流量(30 L/min,60 L/min,90 L/min)和4种处理坡面(横坡垄作、斜坡垄作、无垄作、顺坡垄作),探究东北黑土区不同垄作坡面的土壤侵蚀差异。结果表明:(1)3种冲刷流量产流率和含沙量均随垄作措施改变呈持续波动趋势,但受冲刷流量影响二者变化规律不同。(2)4种垄作措施状况下,产流时间与冲刷流量均不相关,含沙量与产流时间均呈负相关; 其他试验条件下,因冲刷流量和垄作措施的差异出现不同相关性。(3)30 L/min,60 L/min两种冲刷流量下,侵蚀强弱表现为:顺坡垄作>无垄作>斜坡垄作>横坡垄作。冲刷流量90 L/min时,侵蚀规律变为:横坡垄作>顺坡垄作>斜坡垄作>无垄作,且横坡垄作与斜坡垄作的累积产沙量较30 L/min冲刷流量比分别增加了12.78倍和10.11倍。综上,小流量冲刷条件下横垄和斜垄可有效控制径流和水土流失,当冲刷强度增大后二者发生断垄恰是径流和泥沙发生变异的最主要因素。     

黑土坡耕地不同水土保持措施的土壤水蚀特征研究

针对北方干旱地区坡耕地严重的水土流失问题,采取垄向区田、深松、横坡种植、免耕播种等水土保持耕作措施,于2010年,以黑龙江省齐齐哈尔市东兴村5°坡耕地径流场为研究对象,研究了不同耕作措施对地表径流、土壤侵蚀和降雨入渗的影响。结果表明,这几种水土保持耕作措施均有不同程度的减流减沙作用,其中横坡种植效果最为明显,地表径流量和土壤流失量较常规耕作分别减少了92%和90%,稳定入渗率较常规耕作提高了41.2%。不同耕作措施的径流系数过程线的变化、径流含沙率变化以及产流量、产沙量的变化均符合横坡免耕>横坡种植>深松+区田>垄向区田>少耕深松>免耕>常规耕作>裸地这一变化规律。     

小流域集水效率的试验研究--以山东安口小流域为例

小流域的农业生产主要以雨养农业为主,其集水效率是雨水集蓄利用工程的关键。以山东安口小流域为例,通过对影响小流域集水效率的主要因素——土壤入渗能力的试验,揭示土壤入渗对流域集水的影响,并利用径流系数法对集水量进行了估算,也具有较高的准确性。试验研究表明,在类似于安口流域的这类区域,土壤稳定入渗率较低,而径流系数较高,平均为0.46,因此利用(天然)径流场收集雨水发展雨养农业则极为有利。     

基于GIS的区域土壤侵蚀模型设计

区域土壤侵蚀模型是国家和区域土壤侵蚀调查、水土保持宏观规划的支持工具。借鉴国外区域土壤侵蚀模型,以DEM栅格为空间单元,对区域土壤侵蚀的单元模型进行定量表达,包括降雨、植被截留、入渗,微地形填洼等,并利用GIS功能完成径流传递和汇集部分的计算,建立了区域土壤侵蚀模型。所建立模型在延河流域的试运算,结果接近现实,能反映土壤侵蚀时空分布趋势。模型的建立可为水土保持的宏观决策提供支持。     

A simple approach to soil loss prediction: a revised Morgan–Morgan–Finney model

A revised version of the Morgan–Morgan–Finney model for prediction of annual soil loss by water is presented. Changes have been made to the way soil particle detachment by raindrop impact is simulated, which now takes account of plant canopy height and leaf drainage, and a component has been added for soil particle detachment by flow. When tested against the same data set used to validate the original version at the erosion plot scale, predictions made with the revised model gave slopes of a reduced major-axis regression line closer to 1.0 when compared with measured values. The coefficient of efficiency, for sites with measured runoff and soil loss, increased from 0.54 to 0.65. When applied to a new data set for erosion plots in Denmark, Spain, Greece and Nepal, very high coefficients of efficiency of 0.94 for runoff and 0.84 for soil loss were obtained. The revised version was applied to two small catchments by dividing them into land elements and routing annual runoff and sediment production over the land surface from one element to another. The results indicate that, when used in this way, the model provides useful information on the source areas of sediment, sediment delivery to streams and annual sediment yield.     

紫色土表土结皮发育特征的试验研究

通过模拟降雨试验,探讨了紫色土表土结皮的发育特征。结果表明：有、无雨滴打击下,紫色土在30min内均形成稳定结皮层,厚度约7～8mm;淋移作用是紫色土形成结皮的主导作用,降雨打击使表土在降雨前期迅速形成致密薄层,抑制了淋移作用并使盖网处理的结皮容重略高;孔隙的剖面分布对入渗、抗剪强度有较大影响,表现在发生层总孔隙度低但分布均匀的盖网处理具有更强的入渗能力,且由于降雨初期未发生致密上层使其抗剪强度略低。     

黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证

针对目前黄土高原小流域室内物理模拟试验结论不能很好地定量推广到野外实际流域开发工作中去的问题，该文基于降雨、径流及入渗的水动力学原理，利用相似论较完整地给出了一套可对黄土高原小流域降雨径流进行模拟试验研究的一种设计方法和模拟试验技术。验证结果表明，在正态条件下，满足几何相似、降雨相似、水力侵蚀产沙、输沙相似及床面变形相似等条件下所建造的黄土高原延安燕沟康家圪崂小流域模型，采用几何比尺为100时，其降雨、汇流、产沙、输沙是基本符合实际情况的，可以作为该流域治理水土流失、优化治理方案，寻求水土资源高效利用措施的工具。     

侵蚀土壤地表径流和土壤渗透的研究

我国南方水土流失区属水蚀区,地表径流是引起土壤侵蚀的主要动力.研究不同土壤在特定降雨条件下,降雨持续时间与地表径流的关系、土壤渗透时间与渗透速度的关系、渗透时间与渗透总量的关系,掌握地表径流和土壤渗透规律,揭示地表径流、土壤渗透与土壤环境、土壤性质的内在联系,可为保护、改良土壤,防治土壤侵蚀,以及进行侵蚀预报提供理论依据.为此,我们在采用渗透筒法进行土壤渗透性研究^[6]的基础上,进一步采用人工降雨方法,对侵蚀土壤地表径流和土壤渗透进行研究.     

湿润速率和粘粒含量对红壤沟间侵蚀的影响

An aggregate stability test and a simulated rainfall test were conducted on four representative Ultisols from southeastern China. The soils selected, with clay contents ranging between 117 and 580 g kg-1 , were derived from shale and Quaternary red clay. The stability of aggregates (2–5 mm in diameter) obtained from the soil samples were determined by the Le Bissonnais method. For determination of infiltration, runoff, and erosion, the soil samples were packed in 30 cm × 60 cm trays, wetted at rates of 2, 10, and 60 mm h-1 , and then exposed to simulated rainfall at 60 mm h-1 for 1 h. The results indicated that both aggregate stability and slaking caused by fast wetting increased with increasing clay content. The effect of wetting rate (WR) on infiltration and seal formation varied with clay contents. In the soil with low clay content (sandy loam), the infiltration rate was affected slightly by WR due to low aggregate stability and slaking. In the soils with medium clay content (silt clay loam and clay), WR affected infiltration significantly due to the high aggregate slaking force. In the soil with high clay content, the effect of WR on infiltration was significant, but not as evident as in the soils with medium clay content, which may be related to high aggregate stability by wetting partially compensating for slaking force. The effect of WR on soil loss was similar to that of runoff, but more pronounced. The findings from this study indicated that the relationship between wetting rate and clay content should be considered when predicting interrill erosion in Ultisols.     

不同处理下油松枯落物减流减沙效应试验研究

森林枯落物对坡面土壤侵蚀过程发挥着重要的调控作用,但其控制效应仍待明确。采用室内大型土槽及人工模拟降雨试验探讨油松枯落物的不同铺设方式对坡面产流产沙的影响,试验在4种雨强(30,60,90,120mm/h)和油松枯落物的3种铺设方式(裸坡对照、枯落物直接铺设和枯落物隔网铺设)下进行,设置枯落物隔网铺设方式来研究枯落物降低雨滴动能减少击溅侵蚀作用,设置枯落物直接铺设方式来研究枯落物增大地表粗糙率阻滞拦截作用。结果表明:(1)枯落物存在使坡面初始产流时间延长2.3～5.5倍,且枯落物隔网铺设较直接铺设初始产流时间更长。(2)2种枯落物覆盖坡面与裸土坡面相比,枯落物减小坡面径流流速47.9%～62.3%,雨强越小,枯落物减弱径流流速作用越明显。(3)枯落物显著增加入渗并减小径流,在雨强较小时作用更加明显。(4)枯落物可减少径流泥沙75%以上,直接铺设减沙更加明显,这主要是由于枯落物增大地表糙度减小流速。研究结果为植被坡面土壤侵蚀模型建立提供一定理论基础,为面向水土流失防控的植被构建提供一定科学依据。