基于马尔可夫链的太湖流域典型地区年降水量分析与预测

[目的]为了探讨如何预测太湖流域的年降水量,发现年降水量的规律。[方法]对太湖流域1960—2010年年降水量进行了分析,运用加权马尔可夫链方法建立了该区年降水量预测模型。[结果]太湖流域20世纪60,70和80年代研究区的年平均降水量均低于多年平均降水量;该降水序列满足马尔可夫链的要求。建立了加权马尔可夫链模型,并预测了2011年和2012年的年降水量,预测值与实测值的相对误差分别为6.59%和-10.74%;平水年、偏枯年、偏丰年、枯水年和丰水年出现的概率分别为0.268 5,0.206 7,0.184 5,0.166 1和0.174 2。[结论]马尔科夫链预测平水年的年降水量相对误差较小,偏枯年和丰水年年降水量的相对误差较大;平水年、偏枯年和偏丰年出现的概率较大。     

不同降水年型下播期对晋南旱地小麦产量和水分利用率的影响

根据近54年来山西省临汾市逐日降水量,将7个试验年份分为丰水年型、平水年型和枯水年型,研究了不同年型不同播期对旱地小麦关键生育期持续时间、降水、积温、日照时数、小麦产量及籽粒水分利用效率的影响,并进行相关、多元回归和通径分析,为旱地小麦稳产高产提供理论依据和技术支撑。结果表明,播期对小麦生育期持续时间的影响主要表现在苗期、分蘖期和起身拔节期,而对抽穗期和成熟期影响最多仅相差1 d。旱地小麦全生育期持续时间与积温显著正相关。降水年型显著影响旱地小麦产量及其构成因素,相同降水年型下降水分布不同小麦产量也有较大差异,丰水年型旱地小麦产量较平水年型和枯水年型分别提高100.0%和135.9%。籽粒水分利用率为丰水年型枯水年型平水年型,丰水年型和枯水年型下,籽粒水分利用率随播期推迟而升高,平水年型下,籽粒水分利用率随播期推迟先升高后降低。在拔节—抽穗期,小麦产量与积温显著负相关,与日照时数极显著负相关,与降水量极显著正相关;在抽穗—成熟期,产量与积温、日照时数均呈极显著正相关。年降水量及其分布是影响旱地小麦稳产高产的关键,丰水年型适播期在10月4日左右,产量构成因素协调,可获得高产,同时生育期耗水量最少,水分利用率较高;平水年型和枯水年型适播期应在9月28日左右,产量最高,水分利用率也较高。随播期推迟,应适当加大播量。     

产芝水库灌区农田水分转化及节水灌溉模式分析

在长期田间试验的基础上,建立了产芝水库灌区典型农田的土壤水分运动模型。结果表明,常规灌溉条件下灌区农田水分的无效渗漏量较大,降水和灌溉与土壤深层渗漏和农田蒸散量之间存在明显的正相关关系。基于作物的土壤水分调节标准,模拟得到灌区不同降水年型的节水灌溉模式,与常规灌溉相比,节水灌溉模式在丰水年可节省水240 mm,平水年140 mm,枯水年为90 mm,并且农田渗漏量显著低于常规灌溉,丰水年、平水年和枯水年的全年平均农田渗漏强度分别减少了0.66、0.35和0.27 mm/d。在作物关键生育期合理控制灌水量,能够保证作物正常需水的同时减少土壤水的无效渗漏,从而提高灌溉水的利用效率。     

利用最小水分限制范围评价东北黑土区免耕和垄作的土壤水分稳定性

为明确耕作方式对黑土土壤水分稳定性的作用,提高黑土区雨养农业对气候变化的适应性,该研究基于黑土区长期免耕定位试验,利用最小水分限制范围(Least Limiting Water Range, LLWR)评价免耕(NT)和垄作(CT)管理下土壤含水率有效性及其变异特征。结果表明:1)在0～5、5～10、10～20和20～40 cm 4个土层中,NT处理显著降低了5～10 cm的LLWR,其他3个土层LLWR差异均不显著;2)在平水年(2014)、枯水年(2015)和丰水年(2016),NT管理下作物生育期内0～40 cm平均土壤含水率正常率分别为48%、72%和85%,年间变异系数为0.23;CT的土壤含水率正常率分别为56%、20%和51%,年间变异系数为0.38;3)在丰水年,NT与CT的平均有效储水量差值最小,NT比CT高8.95mm;在枯水年相差最大,NT的平均有效储水量比CT高13.99mm。因此,NT管理下土壤水分更稳定地分布在LLWR内,在极端降雨年份(枯水年和丰水年)优势尤其明显。     

不同水文年太谷地区春玉米灌溉需水量特征分析

基于山西省太谷区玉米生长季气象资料,通过ET0Calculator软件计算参考作物蒸发蒸腾量,进一步确定了丰水年(P=25%)、平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)三种年型下玉米生育季的需水量和灌溉需水量。结果表明,春玉米生育季多年平均需水量为522.5 mm,灌溉需水量为218.7 mm,多年平均灌溉需求指数为0.42,丰水年、平水年和枯水年玉米灌溉需水量分别为129.9、212.1和300.3 mm。本研究可为科学制定玉米灌溉制度提供依据。     

泾河干流上游森林覆盖率水文影响的年份和月份差异

定量评价和预测西北干旱地区森林面积增加的水文影响,为基于水资源承载力的植被恢复与管理提供科学依据。以黄土高原泾河干流上游流域为例,制定森林植被恢复的多种情景,利用率定过的SWIM水文模型和1997—2003年间的气象数据,模拟森林覆盖率变化对蒸散和径流的影响。研究表明:1)草地变森林后,随森林覆盖率增加,年均总蒸散呈明显线性增加,年均径流则呈明显线性减少。在本研究范围内(森林覆盖率增加0~18.13%),森林覆盖率每增加10%平均导致年均总蒸散增加8.93 mm,年均径流减少6.04 mm;2)森林覆盖率变化对年总蒸散的影响具有年际差异,受年降水量影响,流域森林覆盖率增加10%时,对应的年蒸散增量分别为枯水年(10.1 mm)平水年(8.6 mm)丰水年(8.5 mm),而对应的年径流减少量分别为枯水年(9.0 mm)平水年(5.6mm)丰水年(5.1 mm);3)森林覆盖率增加导致的蒸散增大和径流减少还具有月份差异,其中蒸散在春季(3—5月)和初夏(6月)增大,而夏季中期(7、8月)至秋季中期(9、10月)则减少,在秋末(11月)和冬季(12、1、2月)则变化不明显;径流在春季和夏季明显减少,而秋季中期(9、10月)则呈增加趋势,冬季变化不明显。总之,在该流域增加森林覆盖率会导致年蒸散增加和年径流减少,这种变化在枯水年明显大于平水年和丰水年;森林覆盖率变化对蒸散和径流的影响还存在月份差异,表现为春夏季影响大于秋冬季;增加森林具有一定增加基流和枯水期径流的调节作用。     

利用SCS-CN方法估算流域可收集雨水资源量

流域可收集雨水资源的定量研究对于雨水资源开发利用及其工程规划和建设具有十分重要的意义。该文以北京市门头沟区小流域为研究对象,采用遥感和地理信息系统技术,对流域下垫面特征有关的空间和属性数据进行提取和分析;在此基础上,结合不同水平年降雨资料,运用美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service)开发的径流曲线模型(Soil Conservation Service curve number method,SCS-CN),得出不同下垫面特征的径流系数,结合地理信息系统技术生成径流潜力空间分布图。计算了平水年(P=50%)、丰水年(P=25%)、枯水年(P=75%)可收集雨水资源量分别为1.2×107,2.2×107,0.8×107m3;为小流域综合治理和雨水集蓄利用工程的规划与设计提供科学依据。     

非充分灌溉条件下农田水分转化SWAP模拟

非充分灌溉改变了农田水分转化过程,以往的研究较少讨论作物根系层以下的土壤水分转化动态及其对作物耗水的影响。该文在北京市典型农田开展了冬小麦-夏玉米非充分灌溉试验,在对SWAP模型率定与验证基础上,模拟分析了非充分灌溉农田耗水规律与水分转化过程,并应用模型得到了研究区不同降水年型的最优非充分灌溉模式。结果表明:非充分灌溉的实施促使作物消耗大量土壤贮水,当降雨或灌溉量较小时,土壤水可占作物耗水量的46.1%;根区和储水区之间土壤水分交换明显,转化通量变化范围为-2.67～0.45mm/d,而储水区底部水分通量较小且无明显变化,根区土壤水分渗漏出现在灌溉或较大的降雨之后,储水区水分向上补给主要发生在作物需水关键期;与常规灌溉相比,最优非充分灌溉模式在丰水年、平水年和枯水年分别节水375、225和225mm,储水区底部深层水分渗漏量分别减少了89%、17%和2%。     

生物炭添加对黄绵土水分补给和消退的影响

[目的]明确雨季生物炭添加对黄绵土储水、保水能力的影响,为科学利用生物炭改良黄土高原地区土壤以及确定合理的生物炭施用量提供基本理论支持。[方法]采用多层一体式土壤水分温度测量系统(JDTS-01)对黄土高原地区土壤水分进行野外定点观测,并使用烘干法对监测数据进行校正,研究黄绵土0—40 cm土层水分动态变化与补给、消退情况。基于双变量相关分析探讨了不同生物炭添加量下土壤水分补给和消退变化的影响因素及其相对重要性。[结果](1)整体上生物炭添加能在一定程度上增加土壤水分含量,低生物炭添加量增加了深层土壤水分,而高生物炭添加量增加了表层土壤水分,2.5%左右的生物炭添加量可能是影响土壤水分入渗和蒸发的拐点。(2)添加生物炭后,0—20 cm土层水分补给量增大,20—40 cm土层水分补给量减小。降雨带来的水分补给能够很大程度上滞留在土壤耕层,添加生物炭量较大时土壤水分补给效果更好;0—20 cm土层中添加生物炭处理的水分消退更快,而不添加生物炭的土壤水分入渗土层更深。(3)生物炭添加可以促进黄绵土土壤水分补给,减弱土壤水分消退,有利于降雨后土壤储水。[结论]生物炭添加能够改善黄土高原地区土...     

不同密度樟子松固沙林土壤水分特征

[目的]探讨樟子松固沙林合理栽植密度,为进一步深入分析樟子松固沙林水量动态平衡、衰退原因及林分稳定性评价提供参考。[方法]以科尔沁沙地南缘3种密度(400,600和800株/hm2)的33a樟子松固沙林为研究对象,连续监测了生长季降雨、0—200cm土壤含水量、200cm以下渗漏量,分析了3种密度下土壤水分特征及差异。[结果](1)3种密度下土壤水分时空变化趋势基本一致,0—30cm为降雨影响剧烈层,60cm以下受40mm降雨影响,降雨结束后均表现蒸渗型水分消退特征,之后转换为蒸散型;(2)0—200cm土壤体积含水量大小为:400株/hm2600株/hm2800株/hm2,且差异显著(p0.05);(3)200cm以下均有水分渗漏,其中800株/hm2最低,为0.4mm。[结论]丰水年3种密度林分基本能够维持水量平衡,但正常降水或极端降水年份会增加土壤蓄存水消耗,可能出现水分亏缺或衰退现象。建议生产中樟子松固沙林适宜密度应控制在400株/hm2左右。     

密云水库上游不同土地利用方式下的土壤侵蚀特征

[目的]为了合理配置北京密云水库水土流失重点治理区的水土保持综合措施。[方法]基于石匣小流域坡面径流小区定位观测资料,分析了不同土地利用方式及水土保持措施的坡面土壤侵蚀特征。[结果](1)5种土地利用方式的土壤侵蚀量差异明显,与裸地相比较,耕地、人工草地、封禁荒草地和林地的减沙率达63.88%~99.63%;(2)梯田比坡耕地措施小区的土壤侵蚀量减少了95.62%,起到了显著的水土保持作用;(3)采用水平条和鱼鳞坑措施林地小区的减沙率分别为83.56%和96.53%,具有十分明显的减蚀作用;(4)与人工草地相比较,封禁荒草地的侵蚀产沙量减少了98.25%,可以有效地控制水土流失。[结论]增加地表植被覆盖,减少人为干扰以及合适地配置梯田、鱼鳞坑和水平条等水土保持工程措施具有良好的水土保持作用。     

南小河沟流域不同措施处理下的水土流失规律

以南小河沟流域长期定位试验场为研究对象,研究了10种不同措施处理下水土流失规律。结果表明,泥沙流失量与径流量变化规律并不一致。一般坡度越大,侵蚀量的增量越大。由于坡度越大,需要坡长越长才能和坡度较小的的坡面受水面积相等,这时即使因为坡度加大,入渗率减少,但实际入渗水量也有较大增加,即坡面水流的径流量并不会随着坡度的加大而无限的加大,20°为径流量临界坡度;采用水平阶整地的油松沙棘混交林地,植被覆盖度达到65%,水土流失治理效果显著,平均含沙量2.377kg/m3,比裸地减少了57.77%以上;平均径流量0.121m3,比裸地减少了19.74%以上;以生物措施为主进行水土保持治理的杨家沟小流域与原始生态环境下的董庄沟小流域相比较,2012年侵蚀模数减少了2 589.95t/(km2·a)。     

湟水流域输沙特征分析

湟水青海省境内面积 15 3 4 2km2 ,是黄河中上游地区主要产沙区之一 ,年输入黄河泥沙 2 0 40万t。流域径流主要产生于 6～ 9月 ,占年径流总量的 5 3 % ;下游地区面积占流域总面积的 41 2 % ,年径流量占流域年径流总量的 42 4%。上游地区面积占全流域面积的 5 8 8% ,年输沙量仅占全流域年输沙量的 2 1 6% ;下游地区年输沙量 160 0万t,占流域年输沙总量的 78 4%。流域内灾害性天气频繁 ,水热配置不利于植物生长 ,大面积植被退化 ,人类经济活动频繁等 ,是导致下游地区水土流失严重的主要原因     

定西市安定区退耕还林地径流聚集工程的土壤增墒效果

[目的]分析退耕还林地径流聚集工程的土壤增墒效果,为改善林地土壤水分供给研究提供依据。[方法]通过对甘肃省定西市安定区退耕还林地中径流聚集工程形式和造林模式的调查研究,分析半干旱地区隔坡水平阶、隔坡反坡台、正方形聚流坑、燕尾式聚流坑不同整地方式下林地增墒效果及其林草的生长发育状况。[结果]径流聚集工程具有明显的土壤增墒效果,在径流聚集工程作用下乔木树种单株水分供给总量达2.54~4.29m~3/(株·a),灌木树种单株水分供给总量达1.42~1.79m~3/(株·a),2m土层内含水率达到8.76%~11.40%,土壤水分基本满足了林草植被的正常发育需求,林草生长旺盛。[结论]在同类地区的人工林建设中可选择适宜的树种与相应的径流聚集工程结合,改善林地土壤水分供给状况。     

SWAT模型土壤空间离散化对径流和输沙模拟结果的影响

以东江源为研究区,采用SWAT （Soil and Water Assessment Tool）模型,通过设置11种子流域划分方案,并保持土地利用和地形2个要素不变,以定量分析子流域划分引起的土壤离散化对产流产沙过程的影响。结果表明：（1）随着子流域数量的增加,土壤类型空间离散化趋势越明显,其中面积最大的泥红壤面积显著减少（P<0.05）,面积第2和第3的渗育质水稻土和黄壤显著增加（P<0.05）,面积最小的石质土在子流域数量少（11~267个）时该地类被概化完全消失,子流域数量增加到524个后,该地类面积呈增加趋势（P<0.05）。（2）土壤空间离散化导致年均径流量（1.32%）和输沙量减少（P<0.05）,且对输沙量影响更显著（18.07%,P<0.01）。（3）随着土壤离散程度增加,年平均最大1天、连续最大5天、连续最大7天输沙量均显著减少（16.64%,17.54%,17.34%,P<0.01）,而径流量变化不显著（0.59%,0.89%,0.83%,P>0.05）。（4）土壤空间离散化导致洪水过程输沙量峰值显著减少,而对洪峰径流量影响并不显著。子流域划分引起的土壤离散化主要通过土壤侵蚀因子K值变化而引起输沙量变化。研究结果将为分布式水文模型不确定性研究和提高模拟精度提供参考。     

黔中喀斯特区典型土地利用方式及耕作措施的水土流失调控效应

[目的]探讨贵州省中部喀斯特地区坡面几种典型土地利用类型及耕作措施对土壤水分、土壤侵蚀及坡面径流的调控效应,探明其差异显著性,为区域坡面水土流失防治提供参考。[方法]采用野外径流小区定位观测法,以贵州省龙里县羊鸡冲小流域及贵阳修文龙场小流域为研究对象,开展坡面不同土地利用及耕作方式水土流失调控效应的研究。[结果]林地、撂荒地及农耕地对土壤水分的调控效应差异不显著(p0.05),对土壤侵蚀的调控效应差异显著(p0.05)。3种土地利用方式对径流的调控效应相对复杂,具体为撂荒地显著低于林地(p0.05),但林地与农耕地间、撂荒地与农耕地间均无显著差异(p0.05);两种典型耕作措施研究结果显示,蔬菜种植(春甘蓝)对土壤水分、水土流失的调控效应优于玉米种植(单作),但两者对土壤水分及水土流失的调控效应均无显著差异(p0.05)。[结论]黔中喀斯特区3种土地利用方式中,撂荒地水土流失调控效应显著高于林地和耕地;蔬菜种植水土流失调控效应高于玉米单作,但是两者无显著差异(p0.05)。     

邢台市核桃林水土保持效益分析

[目的]分析不同树龄核桃林在不同栽植模式下的水土保持效益,为该区核桃经济林栽培技术技术的完善以及水土流失的有效防治提供理论依据。[方法]以河北省邢台市裸地和不同核桃林地内的径流场为研究对象,采用野外试验布设和室内分析测定相结合的方法,以裸地为对照研究了不同核桃林在天然降雨后的产流产沙特征。[结果](1)在常规核桃林、核桃—苜蓿林和核桃—生态放养(鸡)林3种核桃林栽植模式中,核桃—苜蓿林保水保土效果表现最优,径流系数在0.14%~0.30%之间,径流含沙量在4.04~8.95kg/m3之间。(2)在同一核桃林栽植模式中,随着核桃树树龄的增长其保水保土作用也逐渐增强。5年生核桃林的径流系数和径流含沙量平均为3年生核桃林的95.90%和83.63%,8年生核桃林的径流系数和径流含沙量平均为3年生核桃林的94.54%和77.66%。[结论]核桃林适宜的栽植模式可以在增加经济效益的同时,有效地控制水土流失,在实际应用中,应针对不同的地形条件、降雨特性进行合理的选择。     

Hydrosedimentology of nested subtropical watersheds with native and eucalyptus forests

Purpose

Information on the effects of eucalyptus forests on hydrosedimentological processes is scarce, particularly at the catchment scale. Monitoring and mathematical modeling are efficient scientific tools used to address the lack of information for natural resource management and the representation and prediction of those processes. This study evaluates the effects of eucalyptus cultivation on hydrosedimentological processes in watersheds and to use the Limburg soil erosion model (LISEM) to represent and predict hydrological processes.

Material and methods

The study was conducted in two forested watersheds: the main watershed (94.46 ha) and a nested sub-watershed (38.86 ha), both cultivated with eucalyptus and residual riparian native forest, located in southern Brazil. Hydrosedimentalogical monitoring was conducted from 16th February 2011 to 31st December 2012, and LISEM model calibrations were performed on the bases of six storms events.

Results and discussion

The sediment yield for 2011 was 41.6 Mg km^?2 and 38.5 Mg km^?2 for the watershed and sub-watershed, respectively. An extreme event in 2012 provided greater sediment yield for the sub-watershed (99.8 Mg km^?2) than that for the watershed (51.7 Mg km^?2). Rainfall events with a greater maximum intensity generated rapid discharge and suspended sediment concentration responses in the sub-watershed due to the smaller drainage area and steeper landscape. In the main watershed, the accumulation of flood waves occurred for most events, with less steep hydrographs, and a later occurrence of the discharge peak after that of the sub-watershed. The LISEM adequately reproduced the peak discharge and runoff for the calibrated events; however, the peak time and the shape of the hydrograph were not adequately represented.

Conclusions

The hydrosedimentological patterns of the watershed and sub-watershed, both cultivated with eucalyptus, was characterized by sedimentographs preceding hydrographs during rainfall–runoff events where scale effects occur, with maximum discharge and specific sediment yield greater in the watershed than that in the sub-watershed. Empirical models based on hydrologic variables may be used for estimating the suspended sediment concentration and sediment yield. Therefore, LISEM may be used for the prediction of hydrological variables in these forested watersheds.     

赣江流域水土保持生态建设减水减沙效益评价

利用赣江流域1956-2008年年降雨量和赣江控制站外洲水文站年径流量和年输沙量资料,采用水文分析法计算赣江流域近30a水土保持生态建设的减水减沙效益。结果表明,赣江流域治理后期1984-2008年水土保持生态建设年均减沙量为5.70×10⁶t,年均减沙效率为48.57%。随着水土保持措施的生效,减沙率有逐年上升而后稳定的趋势,2008年减沙率达80.54%;赣江流域水土保持生态建设对流域年径流总量减少不明显,后期径流量反而会有所增加。水土保持生态建设能增加流域土壤入渗,减少地表径流,削减洪峰流量,延长汇流时间,起到防洪减灾效果。     

东南沿海地区小流域土地利用/覆被变化的水文效应

[目的]研究我国东南沿海小流域土地利用/覆被变化的水文效应,为该区水土资源合理配置和可持续发展提供科学依据。[方法]以东南沿海福建省晋江山美水库集水区为例,运用SWAT水文模型。[结果](1)研究区土地利用变化表现为林地转向园地和建设用地、耕地转向建设用地的特征。(2)固定其他条件,将构建的模型2006年土地利用数据替换为1995年,对比分析发现2000—2010年全流域和典型子流域的年径流深增加,洪水期平均径流增加,枯水期径流基本减少。(3)从全流域空间角度看,径流量均增大,特别是研究区西部地区和东南部地区;同时径流量变率增大,稳性减小。(4)园地、林地、建设用地和水田是驱动区内水文变化的主要因子。[结论]研究区土地利用与覆被变化导致"洪水量更大,枯水量更小"的径流变化趋势。河川径流的变化受各地类变化的组合叠加效应影响,这种叠加效应还须进一步研究。