侵蚀性风化花岗岩坡地降雨产流及水文过程研究

为研究坡地的降雨产流分配及水文动态过程,以侵蚀性风化花岗岩坡地为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(30,60,90,120,150mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下坡面径流和壤中流的分配特征与水文过程。结果表明:坡面径流的初始产流时刻均随降雨强度和坡度的增大而提前,壤中流的初始产流时刻明显滞后于坡面径流。壤中流径流量在不同坡度下随降雨时间的延长呈先递增后趋于平稳的现象,雨强越大达到峰值的时间越早,在降雨停止一段时间后径流量开始下降。多数情况下,壤中流所占总径流量的比重均大于坡面径流,坡面径流量比重随雨强的增大而增大,随坡度的变化幅度较小。坡面径流的径流系数与雨强的相关性较强,而壤中流径流系数与坡度之间的拟合效果较好。不同坡度下坡面径流、壤中流和混合流(坡面径流与壤中流同时发生)的径流模数与雨强呈正相关关系,不同类型径流的径流模数大小依次为混合流壤中流坡面径流。     

极端暴雨下裸地坡面径流及壤中流中碳素输移特征

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(90、120、150mm·h~(-1))和坡度(5°、8°、15°、25°)条件下,南方风化花岗岩母质土壤红土层裸地降雨坡面径流和壤中流中总碳(Total carbon,TC)的流失量及流失过程,并分析了雨强和坡度对TC流失量的影响。结果表明,在坡面径流中,坡度和雨强的增大对碳素质量浓度变化过程影响较小,且流失率曲线与质量浓度曲线呈极显著相关关系,TC流失率变化主要受质量浓度的影响;在壤中流中,TC质量浓度曲线呈现出迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势;在试验条件范围内,各坡度条件下,随着雨强的增大,坡面径流中TC流失量增大,而壤中流中TC流失量减小;在大雨强下,坡面径流中TC流失量与坡度没有明显的线性关系,而随着雨强的增大,坡度与壤中流中TC流失量线性关系明显增加;在试验雨强和坡度下,雨强对TC流失总量和坡面径流中TC流失量的影响较坡度更显著,而在壤中流中坡度的影响则更显著。径流中碳素流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系,R~20.800。结果可为我国南方风化花岗岩母质土壤裸坡径流中TC单位面积流失量的估算提供依据。     

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。     

极端暴雨下裸地坡面径流及壤中流中碳素输移特征

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(90、120、150 mm?h^-1)和坡度(5°、8°、15°、25°)条件下,南方风化花岗岩母质土壤红土层裸地降雨坡面径流和壤中流中总碳(Total carbon，TC)的流失量及流失过程,并分析了雨强和坡度对TC流失量的影响。结果表明，在坡面径流中，坡度和雨强的增大对碳素质量浓度变化过程影响较小，且流失率曲线与质量浓度曲线呈极显著相关关系，TC流失率变化主要受质量浓度的影响；在壤中流中，TC质量浓度曲线呈现出迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势；在试验条件范围内，各坡度条件下，随着雨强的增大，坡面径流中TC流失量增大，而壤中流中TC流失量减小；在大雨强下，坡面径流中TC流失量与坡度没有明显的线性关系，而随着雨强的增大，坡度与壤中流中TC流失量线性关系明显增加；在试验雨强和坡度下，雨强对TC流失总量和坡面径流中TC流失量的影响较坡度更显著，而在壤中流中坡度的影响则更显著。径流中碳素流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系, R²＞0.800。结果可为我国南方风化花岗岩母质土壤裸坡径流中TC单位面积流失量的估算提供依据。     

雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀及氮磷流失的影响

采用人工模拟降雨的手段,在2种雨强(50,75mm/h)、4种坡度(5°,10°,15°,20°)条件下,研究了雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀和养分流失的影响。结果表明:(1)降雨强度从50mm/h增大到75mm/h,相同坡度的坡面开始产流时间提前了2.75~4.79min。(2)随着雨强的增大,同一坡度的坡面径流量增加了12.53~15.80mm/m2,增加幅度为1.24~1.31倍;同一坡度的坡面产沙量增加了0.47~3.61kg/m2,增加幅度为0.77~2.90倍。坡面侵蚀过程中,存在临界坡度,为15°左右。(3)氮素流失以径流流失为主,泥沙中总氮的流失量较低,仅占径流总氮流失量的1.4%~9.7%。坡度较小时,磷素流失途径以径流流失为主,随着坡度的增加,磷素的流失途径以泥沙流失为主。(4)径流总氮流失浓度与径流强度呈线性正相关,泥沙总氮和总磷流失浓度与产沙率也分别呈显著的线性正相关。     

嵌套砾石红壤坡面壤中流对降雨强度的响应

为研究嵌套砾石红壤坡面的壤中流动态过程及降雨产流分配,以红壤缓坡(10°)和陡坡(25°)坡面为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(60,90,120 mm/h)和不同砾石含量(0,10%,20%,30%)条件下壤中流的初始产流时间、产流速率和径流过程。结果表明:(1)不同含量砾石嵌套红壤坡面壤中流初始产流时间在雨强60 mm/h时接近15 min,在雨强90,120 mm/h时差别较大;雨强从60 mm/h增大到120 mm/h,不同含量砾石嵌套红壤坡面壤中流量和产流速率基本上表现为降低,其中25°嵌套20%和30%砾石坡面的壤中流产流速率均值分别下降86.7%和89.0%,雨强120 mm/h时壤中流峰值仅为60 mm/h条件下的10.7%和10.2%。(2)10°和25°各试验坡面,雨强60 mm/h时地表径流所占比例为8.0%~66.3%,雨强120 mm/h时地表径流所占比例为76.1%~93.5%,地表径流所占比例均随雨强的增大而提高32.8%~1 009.4%;雨强60 mm/h时壤中流所占比例为7.3%~30.0%,雨强120 mm/h时壤中流所占比例为1.1%~9.6%,壤中流所占比例随雨强增大而减小46.1%~93.9%。(3)回归结果显示,壤中流峰值流量Ip、壤中流系数It、壤中流消退速率K和降雨强度、砾石含量的二元线性回归效果都达到了显著水平(P<0.05);坡度10°时,降雨强度和砾石含量对壤中流过程参数所起的作用是相反的,而坡度25°时,砾石含量和降雨强度对壤中流各参数的作用相同。     

侵蚀性风化花岗岩坡地壤中流携氮磷流失动态模拟

[目的]探究侵蚀环境下,风化花岗岩残积坡地土壤氮磷流失特征以及坡面径流和壤中流携带氮磷流失的强度和贡献率,为不同侵蚀环境及生态环境脆弱条件下,坡地氮磷流失规律的试验研究及防治提供理论依据。[方法]采用原状土搬迁,室内人工模拟降雨的方法,设计2个坡度(8°和25°),5个降雨强度(30,60,90,120,150mm/min),通过坡度与雨强的多重组合试验,在测试浓度与径流量分析的基础上,研究氮磷流失强度及在坡面径流和壤中流中的分配。[结果](1)在强烈侵蚀的坡地,土壤结构性较差,漏水漏肥现象严重,壤中流随携带的氮磷流失比重很大,壤中流携带的TN流失量均占到总流失量的90%以上,TP稍次之;(2)TN随径流的流失量远大于TP的流失量,径流中TN与TP总流失量的比值最高能达到160倍;(3)雨强对氮磷流失量的影响大于坡度的影响,径流量的影响大于浓度的影响。(4)雨强对氮磷流失的影响存在2个转折,在60mm/min附近存在一个蓄满产流和超渗产流的雨强分界,在90mm/min左右,出现一个侵蚀性雨强的转折。[结论]强烈的侵蚀影响土壤养分的流失方式及流失通道的比配,壤中流所携带氮磷流失所占比重很大,进而会影响到地下水的污染问题,加强残积土母质坡地土壤的侵蚀防治,是地表水和地下水面源污染控制及土壤养分流失减少的根本。     

紫色土坡面壤中流养分输出特征

壤中流作为紫色土坡面一种产流形式,其引起的养分流失往往被忽视,针对这一问题.采用人工模拟降雨法,在3.0 m长、1.0 m宽的土槽上.通过4个不同坡度(5°,10°,15°,20°)、5个不同雨强(0.6,1.1,1.6,2.12,2.54mm/min)的组合实验,对三峡库区紫色土坡面壤中流养分输出特征进行了研究.结果表明:实验条件下,壤中流占总径流量的0.2%～2.7%,且紫色土坡面壤中流的产生存在着一个临界坡度和临界雨强,临界坡度大约在10°左右,临界雨强约为2.1 mm/min.实验条件下.紫色土坡面壤中流养分含量为地表径流养分含量的4.32～63倍,因此,尽管壤中流总量在总径流量中的比例并不高,但由其携带而流失的养分仍不容忽视.壤中流携带而流失的总氮量占坡面总氮流失量的0.36%～7.82%,因此,要控制紫色土坡面氮素流失,不仅要控制地表径流,更重要的是要提高土壤的持水能力,减少壤中流.磷素迁移流失主要与侵蚀产沙量有关.在地表径流及壤中流中的含量都很低,由此而引起的总磷流失量也较小,二者合计占总磷流失量的不足7%,甚至不足1%,控制紫色土坡面磷素流失的关键是控制坡面侵蚀产沙.     

淮北平原黄潮土多雨强变坡度产流产沙规律试验模拟

针对淮北平原黄潮土水土流失严重的问题,为揭示其产流产沙规律,利用五道沟水文实验站大型人工模拟降雨径流试验场,开展了40,60,80mm/h 3个雨强及5°,10°,15°3个坡度产流产沙规律试验模拟。结果表明:坡面初始产流时间随坡度、雨强的增大而缩短,雨强、坡度越大缩短越不明显;单位时间产流、产沙量随降雨时间变化的转折点在产流后6～15min,单位时间产流量随降雨时间变化表现为前期快速增加,中期缓慢增加,后期平稳,其中40,60mm/h雨强单位时间产流量随坡度增加而减小,80mm/h雨强随坡度的增加而增加;单位时间产沙量随雨强、坡度的增大而增大;不同坡度累计产沙量及产流量随降雨时间变化呈幂函数或线性函数关系(R20.99);坡度及雨强与坡面产流、产沙总量分别呈多元线性和多元幂函数关系。     

多因素耦合作用下黄土植被坡面水沙养分流失模拟

采用人工模拟降雨试验研究不同雨强(60,90,120 mm/h)、不同坡度(10°,15°,20°)、不同生物炭含量(0,3%,6%)等多因素耦合作用下黄土植被坡面水沙及养分流失规律。结果表明:(1)水沙及PO_4~(3-)—P的流失随着雨强的增大而增大,NO_3~-—N随雨强的增大呈先上升后下降的趋势,径流及氮磷与坡度的规律性不明显,雨强坡度与k值(产沙速率系数)变化率的线性关系中,雨强的影响较大。(2)产流产沙过程相似,均随降雨历时先上升后趋于平稳,NO_3~-—N与降雨历时呈幂函数关系,PO_4~(3-)—P在流失过程中最大浓度与最小浓度比为1～2,且在侵蚀产沙及NO_3~-—N的流失过程中,雨强与生物炭相关性极显著。(3)生物炭含量≥3%会增加侵蚀产沙及PO_4~(3-)—P的流失,雨强为60,90 mm/h时,NO_3~-—N流失量随生物炭的增多呈先减小后增大的趋势,雨强为120 mm/h时,NO_3~-—N流失量随生物炭添加量的增大呈上升趋势。研究结果可以为黄土丘陵沟壑区水土资源管理提供科学的指导。     

用日雨量和雨强计算降雨侵蚀力

利用全国8个气象站次降雨和日降雨资料,分析了次、日降雨关系。结果表明,用次降雨资料计算的降雨侵蚀力与用日降雨资料计算的降雨侵蚀力,二者之间不仅高度线性相关,而且是通过原点、斜率接近1的直线,方程的平均决定系数达到0.950,表明可以用日降雨资料计算降雨侵蚀力。由于各地区方程的系数差异不显著,可以在不同气候区采用同一个公式。该方法不仅简化了降雨侵蚀力计算,有助于其推广应用,而且大大促进了气象水文资料在土壤侵蚀定量研究中的应用。     

用日雨量和雨强计算降雨侵蚀力

利用全国 8个气象站次降雨和日降雨资料 ,分析了次、日降雨关系。结果表明 ,用次降雨资料计算的降雨侵蚀力与用日降雨资料计算的降雨侵蚀力 ,二者之间不仅高度线性相关 ,而且是通过原点、斜率接近 1的直线 ,方程的平均决定系数达到 0 .95 0 ,表明可以用日降雨资料计算降雨侵蚀力。由于各地区方程的系数差异不显著 ,可以在不同气候区采用同一个公式。该方法不仅简化了降雨侵蚀力计算 ,有助于其推广应用 ,而且大大促进了气象水文资料在土壤侵蚀定量研究中的应用。     

近60年来江西省各等级侵蚀性降雨与降雨侵蚀力的关系

基于江西省具有典型代表性的5个气象站点1956-2015年共60 a逐日降雨量资料,研究了各等级侵蚀性降雨和降雨侵蚀力的特征,建立了利用各等级侵蚀性年降雨量估算年降雨侵蚀力的简易算法模型。结果表明:各等级侵蚀性降雨量、降雨日数和降雨侵蚀的时间分布规律不一。年暴雨量、年暴雨量比例、年暴雨日数、年暴雨侵蚀力、年降雨侵蚀力均在时间上呈不同程度的增长趋势,在空间表现为从南到北逐渐上升趋势。各等级侵蚀性年降雨量估算降雨侵蚀力模型的模拟值与精确值具有高度相关性,可用于估算江西地区年降雨侵蚀力。     

日降雨对降雨侵蚀力年雨量简易算法的影响分析

使用重庆市沙坪坝气象站1951—2010年日降雨数据构建降雨侵蚀力年雨量简易算法,分析年雨量简易算法预测精度,确定了年雨量算法预测精度最高时对应的日雨量,并进一步探讨了年降雨侵蚀力和降雨参数的时间变化特征。结果表明:(1)年雨量与年降雨侵蚀力呈指数关系。日雨量≥25mm的年雨量与年降雨侵蚀力的关系最为密切;采用日雨量≥25mm的年雨量算法预测年降雨侵蚀力的精度均优于其他日雨量对应算法。(2)1951—2010年年降雨侵蚀力与年降雨参数随时间变化趋势不显著。对于某一变化趋势时段,日雨量≥25mm的年雨量与时间的相关系数和年降雨侵蚀力与时间的相关系数数值相近。可使用日雨量≥25mm的年雨量作为替代指标分析水土流失对气候变化的响应。该文研究结果可为提高降雨侵蚀力简易算法预测精度,深入理解降雨侵蚀力对气候变化的响应以及区域水土流失防治提供参考。     

北京地区降雨侵蚀力简易计算方法研究

降雨侵蚀力反映了降雨对土壤侵蚀影响的潜在能力。降雨侵蚀力经典算法所需的降雨过程资料较难获得,一般利用各种类型雨量资料建立降雨侵蚀力的简易算法,为模型的参数输入服务。利用北京10个水文站25年2 894次降雨过程资料。其中5个站点用于建立日、月、年降雨侵蚀力简易计算公式,另外五个站点用语模型检验。研究结果表明,不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力的精度不同,用日或月雨量资料直接估算日或月降雨侵蚀力时,模型的误差较大。用日、月或年雨量估算年降雨侵蚀力时,模型的误差较小,约有一半的样本相对误差绝对值小于20%,三个模型相比,日雨量模型估算的平均相对误差最小。用日、月或年雨量估算多年平均年降雨侵蚀力时,模型的误差最小,所有样本的相对误差绝对值均小于20%,平均相对误差绝对值最小值只有0.8%,最大值也小于7%,三个模型相比,日雨量模型的估算精度最高。因此在具体应用过程中可以根据资料的占有情况来决定相应的降雨侵蚀力估算模型。本研究结果可以为北京地区土壤侵蚀量估算和水土资源评价提供参数服务。     

野外模拟降雨条件下坡面降雨入渗、产流试验研究

利用野外模拟降雨试验,研究了植被类型、降雨强度、地表结皮、覆盖杂草等对荒草地和裸地降雨入渗、产流的影响。结果表明:裸地因降雨易产生地表结皮,产流时间主要取决于降雨强度,两者的关系可用幂函数描述,达显著水平;荒草地由于植被覆盖度较高,产流时间主要取决于土壤初始含水量,两者的关系可用线性公式描述,达极显著水平;与裸地相比,荒草地能延缓产流,并有效拦蓄径流;裸地形成地表结皮后,产流提前,平均入渗率降低,但坡面覆盖杂草(尤其是坡中下部覆盖杂草)能有效拦蓄径流、延缓产流、增加入渗,并促进土壤水分向深层的运移,而雨后采用抑制蒸发的措施能起到类似的效果     

槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机的雨强及其空间分布率定

人工模拟降雨机由于不受时间和空间的限制而成为研究降雨影响入渗、产流、冲刷、侵蚀产沙等动力学机理的重要试验手段。为解决我国目前降雨机模拟降雨特性与天然降雨特性相差较大的问题,设计了槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机。通过试验分别率定了该降雨机单喷头降雨雨强和多喷头组合降雨雨强的相关参数．以便为用户应用提供技术指标。该降雨装置在2．5m的高度下模拟的雨强范围为11．3～132．5mm／h。单喷头受雨面呈矩形,沿喷头摆动方向2．0m宽,垂直摆动方向2.7m长,受雨面积为5．4m^2。为形成均匀的雨强空间分布,需进行多喷头组合。组合实验表明,沿摆动方向的相邻喷头最佳距离为1．1m,沿垂直摆动方向的相邻喷头最佳距离为1.5～1．6m,组合后的雨强空间均匀性系数达到0．89以上。目前测试雨机的单机由5个喷头组成,相邻喷头为摆动方向,距离1.1m。用户可根据实验面积自行选择争机喷头数量和雨机数量．相邻雨机喷头间的水平距离建议为1．5～1．6m。     

利用日雨量模型进行伏牛山区降雨侵蚀力的初步研究

利用河南省鲁山县水保站4年共49次降雨过程资料,分别采用EI30法、CREAMS模型算式、Richardson算式和我国郭新波的修正日雨量模型计算了伏牛山区降雨侵蚀力。结果发现区域内降雨侵蚀力主要发生在6~8月,可占年R值的78%,峰值出现在7月,R值降峰值较出现雨量峰值不太一致;三个日雨量模型的验证结果以CREAMS模型较好,但仍不宜直接使用,应该根据区域降雨特性选择更加合适的参数。     

SR型野外人工模拟降雨装置

SR型人工降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置.选用目前国内外较理想的喷头,在喷头处辅以可改变喷头降水方式的机械传动装置,以间歇方式降雨来满足其降雨强度,雨滴直径大小及其分布与自然降雨相似.每个单元的有效降雨面积为2m×5m;如果4个单元组合成,其长度可增加4倍,有效降雨面积即2m×20m.装置采用轻型铝合金材料制成,结构简单,易于安装拆卸,适用于野外工作.     

人工模拟降雨试验降雨特性及问题分析

由于试验的需要和人工模拟降雨的优点,越来越多的研究者采用人工模拟降雨。但在大量的试验中,人工模拟降雨试验的降雨特性与天然降雨特性之间联系不够紧密,对应特性之间存在差异。除了人工模拟降雨特性与天然降雨特性的不统一性外,人工模拟降雨试验中还存在一些自然与非自然因素导致的问题,在关注并逐一克服这些问题的同时,将人工模拟降雨和高科技技术,如GPRS等结合起来,应用于更广阔的领域。