黄土丘陵区不同土地利用方式土壤入渗规律研究

在延安燕沟试验区建立不同下垫面(草地、刈割草地、翻耕草地、灌木地、刈割灌木地、翻耕灌木地)小区,分析了30场人工模拟降雨试验的入渗资料,结果表明,植被覆盖地平均入渗率是刈割地的1.2倍,是翻耕地的2.0倍;在地表坡度7°,草灌地土壤容重分别为1.27和0.99 g/cm3条件下,坡面平均入渗率与降雨强度具有极显著的抛物线函数关系.草地、刈割草地、灌木地、刈割灌木地雨强分别达到1.62,2.21,2.49和1.71 mm/mim时,平均入渗率具有最大值,分别为1. 17,0.97,1.67和1.51 mm/min;但翻耕草地、翻耕灌木地与此相反,雨强分别达到1.36和1.68 mm/min时,平均入渗率具有最小值,分别为0.379和0.382 mm/min;Horton入渗公式能较好地模拟不同土地利用方式下降雨的入渗过程.     

草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

黄土区不同土地经营方式径流量神经网络模拟

基于黄土坡面降雨—径流关系的复杂性和非线性,引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地经营方式(草灌地、刈割地、翻耕地)径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量。利用野外人工模拟降雨试验所得到的不同降雨强度下各类土地经营径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练并预测,径流量平均误差不超过10%,且径流量较大的翻耕地训练精度及预测结果较草灌地、刈割准确性更高些。与传统回归统计方法进行了误差比较,结果表明,该模型能更好地预测次降雨的径流量。     

黄土丘陵区降雨坡面再分配规律研究

采用野外定位监测方法,以在安塞进行的降雨坡面再分配试验结果为依据,系统地分析了坡面降雨-径流－入渗的转化规律,降雨在坡面上的水文行为强度,方向等,研究结果表明,降雨的土壤入渗量受坡长,土地利用方式等因素影响,长坡能够接收较多雨量,试验年份（旱年）坡长每增加20m,草地约增加入渗0．77mm,灌木地增加0．92mm,不同土地利用方式下其降雨入渗量为灌木林地＞草地＞农地,长坡沙棘地较农坡地减少径流4．91mm,较长坡草地减少4．10mm,相当于灌木地减流56．52％,草地减流47．16％,雨水转化土壤水的转化系数K,随坡长增加而增加。     

草地雀麦刈割对坡地水土流失的影响

在自然降雨条件下,选择25°坡地种植草地雀麦,建立径流试验小区,并在抽穗期进行刈割处理,研究刈割后草地雀麦生物学特性变化及其对坡地水土流失的影响。结果表明:坡地种植草地雀麦,水土流失防治效果显著,可使25°坡地地表年径流量与土壤侵蚀模数达到6 781.7 m3/km2和36.4 t/km2.a,保水、固土能力为93.0%和99.9%。草地雀麦抽穗期刈割,对其固土能力影响不大,仍可保持93.8%,但对其保水能力影响显著,一定程度上可以增加坡面径流流失,使保水能力降低到53.9%。草地雀麦覆盖对坡地土壤侵蚀影响显著,抽穗期刈割草地雀麦,短期内可使坡面覆盖度下降,土壤侵蚀增加,但随着草地雀麦不断再生,覆盖度快速增加,达到76.7%以后,刈割与无刈割坡地的土壤侵蚀量差异不显著。草地雀麦覆盖度与土壤入渗率对坡地地表径流流失均有一定影响,抽穗期刈割,可使草地雀麦覆盖度减小,0~30 cm土层地下生物量与无刈割坡地相比,减少33.4%,土壤入渗率相应降低,地表径流有所增加。     

南方红壤区坡面次降雨产流产沙特征

研究坡面次降雨土壤入渗及产流产沙特征,对于坡地水土流失防治及水土资源管理利用具有重要意义.基于广东省五华县水土保持试验推广站野外径流场2014年的观测数据,研究不同下垫面条件下坡面入渗及产流产沙特征.次降雨入渗量与地表植被盖度间存在显著相关关系(P ＜0.05,R=0.95).入渗量随降雨强度增加,呈先增后减的变化趋势,存在入渗量达最大值的临界降雨强度;人工林及灌草地临界降雨强度为19.9 ～ 27.8 mm/h,均高于自然撂荒地.次降雨径流深和土壤流失量与地表植被盖度间,存在显著负相关关系(P＜0.05),相关系数超过0.9.土壤侵蚀率随径流系数呈幂函数增加趋势,径流中泥沙浓度随径流系数、降雨侵蚀力呈对数函数增加趋势,土壤流失量随降雨侵蚀力及次降雨径流深均呈线性递增趋势.次降雨径流深20 mm为土壤流失量变化拐点,径流深超过20 mm后,土壤流失量随径流深递增速率较快.     

模拟降雨下黄土区草地灌木地土壤水分空间变化规律

利用黄土区燕沟流域42场模拟降雨下土壤水分观测数据,研究2种坡度的草地、灌木地在不同经营方式（原状地、刈割地、翻耕地）下的土壤水分对模拟降雨的响应。结果表明：1）在5次降雨补充下,依据土壤水分的标准差和变异系数指标,0-100cm土壤水分受土地经营方式影响表现为,原状草灌地土壤水分可划分为活跃层、次活跃层和相对稳定层,刈割地全剖面为相对稳定层,翻耕地可分为活跃层和相对稳定层。2）单次降雨事件则随降雨量增加,各经营方式下的水分活跃层逐渐变薄或消失,次活跃层变厚,而相对稳定层变薄,整个土壤剖面水分变化趋于一致。3）对于受高强度降雨补充的土壤水分变异性分层,建议采用更加灵敏的土壤水分标准差和变异系数判别标准：活跃层,标准差大于1.4,变异系数大于0.12;次活跃层,标准差1.4-0.9,变异系数0.12-0.08;相对稳定层,标准差小于0.9,变异系数小于0.08。4）坡度越小,土壤水分越高,坡度对草灌木地、刈割地的影响较翻耕地显著,且对50-100cm层水分影响远大于对表层0-50cm的影响。总之,降雨后土壤水分0-100cm层不断增加,且剖面土壤水分逐渐一致,土地经营方式、坡度因素对土壤水分变化强度和在不同深度土层中的表现有显著影响。     

半干旱黄土丘陵区水平阶整地规格与降雨量的关系

以半干旱区甘肃省榆中县孙家岔流域5种不同下垫面条件下的径流小区为研究对象,对小区6a的自然降雨产流观测资料进行了分析,研究了半干旱黄土丘陵区水平阶整地规格与降雨量的关系。研究结果表明,刈割草地较荒坡地的径流量增加了9.77%~24.87%灌木措施(甘蒙柽柳小区、柠条小区)径流量较荒坡地可减少8.28%~60.57%和12.24%~78.41%次降雨的产流深(草灌小区)与降雨强度具有很好的线性关系水平阶则可以完全拦蓄降雨。在15°~25°坡地上配套水平阶的设计宜按5年一遇最大6h降雨进行,此时若埂高为0.1m,其允许最大坡长为3.9~8.2m。适当加高水平阶埂高,可提高防御标准和防护面积。     

黄土区不同土地利用方式下径流量的神经网络模拟

基于黄土坡面降雨径流关系的复杂性且非线性特性。引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地利用方式（草灌地、刈割地、翻耕地）径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量,并利用野外人工模拟降雨试验所得到不同降雨强度下各类土地利用径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练和预测,取得了较好的结果,平均误差不超过10％。研究结果表明,与传统回归统计方法进行了,误差比较,该模型的预测精度更高。     

黄土坡面不同土地利用方式对土壤有机碳流失的影响

坡面土地利用方式与产流、产沙及土壤有机碳的流失具有密切关系。对延安燕沟流域的坡耕地、草地、刈割草地、灌木地、刈割灌木以及刺槐林地径流小区的径流、泥沙及有机碳流失量进行了分析。结果表明：在不同土地利用方式下,产流、产沙量与植被覆盖度呈负相关关系;随径流流失的可溶性有机碳量表现为：坡耕地〉刈割草地〉草地〉刈割灌木地〉灌木地〉刺槐林地小区,随泥沙流失的有机碳量表现为：坡耕地〉草地〉灌木〉刺槐林地。随泥沙流失的土壤有机碳占总流失量的主要部分,而随径流流失的有机碳只占很少的比例。因此,增加黄土坡面植被覆盖度是控制产流、产沙量和有机碳流失的重要途径。     

不同下垫面径流小区次降雨侵蚀特征相关分析

在延安市燕沟流域试验区布设了裸地、荒草地和灌木地3个坡面径流小区,对次降雨雨量、历时、径流深、产沙量、入渗率等数据进行了定位观测,并运用SAS软件对不同下垫面径流小区次降雨的侵蚀特征等相关问题进行了分析研究。结果表明,无论降雨强度如何变化,3个小区的径流量、产沙量均呈依次降低趋势:灌木地<荒草地<裸地;而入渗率呈依次增大趋势:灌木地>荒草地>裸地。其径流量与降雨量之间存在着很好的相关关系;产沙量随降雨量的增大而增大,其中裸地产沙量增大最为显著;入渗率随着降雨量的增大有增加趋向,但雨强增大时,入渗率表现为降低趋势;产沙量与径流量存在较好的相关关系,相关系数最高达到0.928 4,荒草地小区产沙量与径流量的关系可用二次函数很好地描述。     

莲花湖库区水源涵养林林地产流产沙分析

对莲花湖库区主要植被类型红松林、兴安落叶松林、杂木林和荒草地土壤物理性状及渗透性能进行了研究，结果表明，各林型土壤最大蓄水量依次为落叶松林〉杂木林〉红松林〉荒草地；土壤非毛管蓄水量依次为落叶松林〉红松林〉杂木林〉荒草地。林地土壤初渗速率和稳渗速率均显著高于荒草地。以坡面径流观测场为观测手段，分析了4个径流小区产流产沙与降雨因子的相关关系，结果表明，场降雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系。林地与荒草地的降雨产流产沙差异显著，说明林地具有较好的保持水土功能。     

基于SWAT模型的丹江流域土地利用变化对径流影响研究

为定量分析土地利用类型变化对径流的影响,基于SWAT模型,通过分析丹江流域近20年来的土地利用变化,并设置3种不同土地利用情景模式,探究了土地利用类型对流域径流的影响作用。结果表明:SWAT模型率定期和验证期的决定性系数R²和纳什效率系数NS分别为0.8,0.73和0.86,0.78,适用于丹江流域径流模拟。2000—2020年,丹江流域土地利用变化引起的径流变化为-0.18%; 情景1中,把林地、草地全变为耕地的情况下,模拟的年均径流变化率为61.65%,情景2中,把耕地和草地全转换为林地的情况下,模拟的年均径流变化率为-12.69%,情景3中,把耕地和林地全转换为草地的情况下,模拟的年均径流变化率为24.24%。耕地对径流深度的影响系数为0.26 mm/hm²,林地对径流深度的影响系数为-13.35 mm/hm²,草地对径流深的影响系数为-0.01 mm/hm²。由此得出,耕地对产流起促进作用,草地和林地对产流起抑制作用。为维护丹江流域生态环境,增强丹江流域径流供给,应科学开发耕地资源。     

城市高羊茅草坪绿地水沙调控效应

通过人工模拟降雨试验,研究了60%覆盖度城市高羊茅草坪绿地(种草当年)在不同坡度(5°,10°)、不同雨强(30,60,90mm/h)条件下的产流、产沙过程以及径流携带泥沙的作用机制,并用裸地作为对照,同时定量化分析城市高羊茅草坪绿地的水沙调控作用。结果表明:(1)高羊茅草坪绿地能够有效延缓初始产流时间,但随着雨强及坡度的增加其延缓效果降低,当雨强90mm/h、坡度10°时草坪绿地几乎没有延缓初始产流时间的效果;(2)各试验条件下高羊茅草坪绿地与裸地产流率差异性显著,但雨强90 mm/h、坡度10°时二者差异性不显著;(3)各试验条件下高羊茅草坪绿地总径流量是裸地的0.8倍左右,总产沙量是裸地的1/244.68~1/28.34倍;(4)60%盖度城市高羊茅草坪绿地能够有效削减径流量和土壤侵蚀量,但削减程度有差异,雨强为30,60,90mm/h时草坪绿地的平均减流效益分别为33.23%,23.04%,13.78%,在各场次降雨条件下减沙效益均可达95%以上;(5)试验条件相同时,高羊茅草坪绿地和裸地的径流挟沙能力有差异,同一径流量下草坪绿地的土壤侵蚀量远远低于裸地;(6)分别建立城市高羊茅草坪绿地、裸地的径流量与泥沙侵蚀量之间的水沙关系。     

草地坡面径流调控放水试验研究

通过坡面放水模拟径流冲刷试验，研究了不同放水流量下草地减水减沙效应，并从起流历时、径流流速、径流深度等方面分析了草地调控水沙的机理。结果表明：（1）草地具有显著的减水减沙效应，平均径流系数较对照减少28．3％，输沙率较对照减少78．4％。（2）裸地与草地坡面产流规律一致，裸地土壤坡面的输沙率呈先增后减再增的变化趋势，而草地坡面的输沙率呈先增后减然后逐渐趋于稳定。（3）草地能将坡面径流起流历时推迟3倍以上，可将径流流速减小40％，从而使草地坡面的径流入渗率明显增加，使径流的冲刷能力和输沙能力迅速下降。（4）草地对径流深度的影响不明显，径流深度的变化难以反映草地对径流的调控作用，径流流速可能会更好地反映水土保持措施的径流调控效果和能力。     

基于小流域产流特征的磷流失关键源区识别

以密云区石匣小流域为研究区,根据不同降雨类型,采用超渗产流机制的径流曲线模型(SCS-CN)和蓄满产流机制的变源曲线模型(CN-VSA)进行产流特征分析,并利用磷指数模型识别不同产流机制下石匣小流域的磷流失关键源区。结果表明:1)中雨量、高雨强的降雨类型导致的超渗产流机制,使流域的东部、南部土壤较为湿润的区域以及流域的东北部和西部的易产流的耕地区域产流量较高,产流量介于15~30 mm,产流面积约占整个流域面积的14.2%;北部林地区域产流量较低,产流量低于15 mm,产流面积约占整个流域面积的85.8%;2)低雨量、低雨强的降雨类型导致的蓄满产流机制,使流域几乎所有区域不出现产流,产流量低于15 mm的区域面积占比达99.9%;高雨量、中雨强降雨类型导致的蓄满产流机制,使水库及流域水系周围产流量最高,产流量高于30 mm,其区域面积占14.6%、产流量介于15~30 mm之间的区域面积占17.7%、产流量低于15 mm的区域面积占67.7%;3)该研究区土壤侵蚀程度较弱,部分地区产流量较高,存在较高产流风险;4)超渗产流机制下,石匣小流域南部有磷流失风险,约占1.4%的面积;蓄满产流机制下,石匣小流域南部及北部有磷流失风险,约占2.3%的面积,蓄满产流机制下的磷流失风险较大。总体来说,石匣小流域磷流失风险较低,研究区域的南部靠近密云水库附近的区域为磷流失关键源区,需重点治理。     

基于前期雨量和降雨历时的SCS-CN模型改进

径流曲线法（Soil Conservation Service Curve Number，SCS-CN）对前期产流条件（Antecedent Moisture Condition，AMC）的概化，导致径流预测出现相应的突然跳跃，同时还忽略了降雨历时作为重要组成部分对地表径流的影响，影响了模型径流预测的精度。密云水库是北京市地表饮用水的重要来源，对其上游流域进行降雨径流预测有着重要的生态意义和经济意义。该研究将SCS-CN模型与前期雨量和降雨历时结合，采用API（Antecedent-Precipitation Index，前期降雨指数）模拟土壤前期水分条件，并且提出了一种考虑次降雨事件中土壤前期雨量和土壤入渗量的静态渗透方程，对SCS-CN模型进行了改进。其中，潜在最大蓄水等于前期土壤水分和土壤潜在蓄水量的和，最大静态渗透速度是流域土壤水分达到蓄满时的静态渗透速度，静态渗透系数是与土壤结构、土地利用等相关的无量纲。利用2006-2010年及2014-2020年石匣流域径流小区的200次降雨径流事件监测结果，对新改进的模型与原SCS-CN模型以及两种改进的SCS-CN模型进行了校准、验证和性能比较。结果表明，4种径流模型中，该研究改进的模型表现最好，纳什效率系数为0.77，决定系数为0.79，均方根误差为3.21 mm，相比于SCS-CN模型纳什效率系数、决定系数和均方根误差分别提高了319%、97.5%和107.5%。参数敏感性分析表明，潜在最大蓄水和静态渗透系数是最敏感的两个参数，最大静态渗透速度的参数敏感性一般，初损率的参数敏感性最差。该研究改进模型在密云水库上游潮白河流域降雨径流模拟中具有一定的适用性，可为其他地区产流计算提供参考依据。     

黄土丘陵区植被类型和降雨对坡面侵蚀产沙的影响

基于定西市安家沟流域2014―2016年连续3年侵蚀性降雨产流产沙资料,研究了植被类型和降雨对坡面侵蚀产沙的影响。结果表明,侵蚀性降雨可分为3类:A雨型(短历时、中高雨强)、B雨型(中雨量、小雨强)和C雨型(大雨量、小雨强),产流产沙频次为B雨型C雨型A雨型。径流系数油松林(6.915%～9.379%)、小麦地(5.838%～9.034%)和苜蓿地(6.610%～9.671%)分别是冰草地(2.724%～5.246%)的1.7～2.5倍,是沙棘林(2.296%～3.863%)的2～3倍。A雨型的径流系数大于B雨型和C雨型,B雨型和C雨型是产流的主要降雨类型。年均土壤流失量为小麦地(1.478～3.478 t/hm~2)苜蓿地(0.558～2.079 t/hm~2)油松林(0.459～0.887 t/hm~2)冰草地(0.097～0.253 t/hm~2)沙棘林(0.012～0.038 t/hm~2)。小麦地的土壤流失量分别是油松林的3～5倍,是冰草地的14倍,在坡度10°,15°,20°年均土壤流失量分别是沙棘林的123,130,92倍。C雨型对油松林产沙量的贡献率最大,B雨型次之,A雨型最小。A雨型对沙棘林产沙量的贡献率高达79%～86%,高强度、短历时降雨是沙棘林产沙的主要雨型。A雨型对小麦地和苜蓿地产沙量贡献率随着坡度的增大而增大,在坡度20°中、高雨强是小麦地和苜蓿地产沙量增加的主要雨型。小麦地、苜蓿地、油松林、冰草地的径流深与土壤流失量之间呈极显著线性正相关关系(P0.01),土壤流失量的增速为小麦地苜蓿地油松林冰草地,随着坡度的增大产沙速度加快。研究结果可为坡面侵蚀预报模型的建立提供重要的理论依据,同时对科学指导坡面水土保持措施配置有重要的实践意义。     

生物结皮坡面不同降雨历时的产流特征

黄土高原退耕还林(草)工程实施后,生物结皮广泛发育,显著影响坡面产流。已有大量研究探索了生物结皮对径流的影响,但相关结论存在较大分歧。该研究以黄土高原典型生物结皮坡面为研究对象,通过人工模拟降雨试验,研究了生物结皮坡面产流过程。结果表明:生物结皮坡面较翻耕后的裸土坡面显著降低了初始产流时间,裸土坡面初始产流时间是生物结皮坡面的1.59～3.04倍。生物结皮盖度与初始产流时间之间呈显著的负相关关系;降雨15min时与60 min时生物结皮对坡面径流的影响发生逆转,90 mm/h的雨强下,当降雨历时为15 min时,生物结皮坡面较裸土坡面增加75.42%的径流;当降雨历时为60min时,生物结皮坡面径流量较裸土坡面降低52.42%;生物结皮影响了土壤水分入渗速率,导致生物结皮坡面与裸土坡面随降雨历时变化的产流特征出现差异,裸土坡面降雨60 min时的入渗率较15 min时降低了34.30%,高盖度生物结皮坡面降低了6.38%;生物结皮对坡面入渗产流的影响与降雨历时有极大的关系,降雨历时不同,很可能得到截然相反的结论,考虑生物结皮因素的野外降雨试验,降雨历时应不少于45min。研究结果为解释生物结皮影响坡面入渗产流方面存在的分歧提供了科学依据,进一步明确了干旱半干旱地区生物结皮的水文效应。     

不同下垫面径流小区次降雨对产流产沙的影响

[目的]揭示南方红壤区人工径流小区次降雨对径流泥沙作用规律,为区域水土保持工程实践与基础理论研究提供参考。[方法]基于云南摩布小流域3种下垫面(林地、农地、裸地)人工径流小区2013—2015年自然降雨观测资料,采用M-K趋势检验、灰色相关分析及双累积曲线等方法研究了次降雨量、径流量、泥沙量和入渗率的变化趋势及相关关系,以及降雨因子对径流泥沙的影响。[结果](1)2013—2015年摩布径流小区月降雨均呈先增加后减少的波动性变化趋势,3a降雨量无显著性变化趋势。(2)相同降雨量各下垫面径流小区产流差异显著(p0.05),其中林地最小,农地次之,裸地最大;3种下垫面次降雨径流深增长速率大小规律与此相同。(3)次降雨产沙量与降雨量、径流量均存在密切相关关系,相关系数分别为0.67~0.82,0.69~0.85。径流小区产沙能力随雨强增大而增强。相同雨量下,林地产沙能力最小,而裸地累积产沙量增速最大。(4)3个径流小区的入渗率均随降雨量和雨强增大而增大,其中林地入渗率最大,平均入渗率为94.03%;裸地入渗率最小,平均入渗率为86.28%。[结论]与农地和裸地相比,林地不同程度提高了土壤入渗性能,降低了产流量和产沙量。