黄丘区野外坡面土壤水分变化对次降雨过程的响应

土壤水分的垂直变化与空间变异特征对坡面降雨入渗和产流过程有重要影响。为了研究黄丘区降雨-土壤水分响应关系,在天水罗玉沟流域建立野外坡面小区,利用野外水分动态观测和人工模拟降雨试验,研究天然状态和90 mm/h降雨强度下的土壤水分变化规律。结果表明:天然状态下,土壤剖面土壤水分的垂直变化可以划分为速变层(0~20 cm)、活跃层(20~30 cm)、次活跃层(30~40 cm)和相对稳定层(40~100 cm),土壤水分的垂向分布存在分层现象,坡向分布存在显著的坡位差异(P0.05)。降雨过程中,降雨能明显增强土壤水分的活跃性,主要表现在0~30 cm土层范围内,随土层深度的增加,降雨对土壤水分活跃程度的影响逐渐减弱。0~30 cm土层土壤水分随降雨时间变化表现为3段式,即快速上升期、稳定期、略微下降期,深层次土壤水分在垂向的变化中表现为不均匀性,存在梯度性差异;除0~30 cm土层外,降雨仅增加各土层中的土壤水分,对各层间土壤水分在整体土层范围中土壤水分的占比影响较小,雨中坡位间土壤水分的分布差异更为显著(P0.01)。随着0~30 cm土层的土壤水分含水率的增加,产流速率呈增加并趋于稳定的趋势,产沙速率的变化趋势为产沙量达到高峰后逐渐减小并趋于稳定。     

黄土丘陵区深层干化土壤对降雨入渗的响应

在陕北米脂试验站设置了野外10 m地下大型土柱,分别利用BLJW-4小型综合气象观测站、CS650-CR1000自动监测系统对降雨状况和土壤水分状况进行长期连续定位观测,分析黄土丘陵区深层干化土壤对降雨入渗的响应。结果表明:(1)黄土丘陵区降雨可以划分为3种类型:快速蒸发型降雨(P≤13 mm)、缓慢蒸发型降雨(13 mmP26 mm)、入渗主导型降雨(P≥26 mm)。其中快速蒸发型降雨、缓慢蒸发型降雨在裸露地表情况下仅能引发浅层土壤的降雨入渗响应(Z_(rapid)≤30 cm, 30 cmZ_(slow)60 cm),不能对深层干化土壤形成有效的水分补给;而入渗主导型降雨则能够引发深层干化土壤的降雨入渗响应(Z_(infiltration)≥60 cm),能够促进干化土壤得到水分修复。(2)0～90 cm土层为降雨入渗、蒸发循环层,该深度范围土壤受降雨、蒸发作用影响强烈,土壤水分呈现频繁增、减波动;90 cm以下土层为降雨入渗主导层,该深度范围内土壤不再受蒸发作用影响,土壤水分呈增加趋势。(3)入渗主导型降雨年最大入渗深度在140～160 cm,雨后上层土壤水在蒸发作用下69～435 h恢复至雨前水平。裸露地表状况下,多年累积降雨能够促进深层干化土壤产生入渗响应,2014—2019年干化土壤对于自然降雨的入渗响应深度依次为180、220、400、700、900 cm及1 000 cm。     

飞来峡水利枢纽水保工程监测内容和方法设计

通过对黄土高原水土保持世行贷款项目实施后土壤养分、pH和阳离子代换量变化的分析，研究了水土保持措施对土壤化学特性的影响。结果表明，坡耕地和荒坡地的土壤养分含量基本不随时间变化，而有措施地块的土壤养分含量随时间推移而递增；有措施较无措施地块的土壤养分含量增加，pH向中性变化；阳离子代换量增加。     

土地利用变化对张掖市生态系统服务价值的影响

利用1987年、2000年和2009年三期土地利用数据,评估了土地利用变化对甘肃省张掖市生态系统服务价值的影响.结果表明:在整个研究期内,土地利用结构整体变化显著,在1987～2000年间,林地、草地、湿地和水域面积减少,年变化率分别为-4.16%、-3.73%、-4.29%和-2.24%;耕地和荒漠面积增加,年变化率分别为0.82%和0.79%;在2000～2009年间,林地、草地、湿地面积呈增加趋势,年变化率分别为5.79%、5.84%和3.66%;耕地、荒漠和水域的面积在减少,年变化率分别为-0.28%、-0.39%和-3.92%.生态系统服务的静态总价值在整个研究期呈现先减少后增加的趋势,在1987～2000年间,减少了116 570.8万元,在2000～2009年间,增加了39 393.5万元;林地、草地和湿地生态系统价值的增减是导致相应总价值增减的主要原因.基于发展阶段系数和资源紧缺度的生态价值动态估算方法,估算张掖市1987年、2000年和2009年的生态系统服务的动态总价值分别为136 734.8万元、190 341.7万元和171 348.9万元,动态生态价值的研究对指导干旱地区生态保护和水资源合理配置具有重要的实际应用价值.     

基于春玉米微咸水灌溉的水盐生产函数研究

在石羊河流域开展微咸水灌溉试验,综合考虑水分与盐分因素对春玉米生长的影响,以国际上通用的水分生产函数Blank模型和Jensen模型为基础进行作物水盐模型的构建,通过引入盐分胁迫因子,将水分生产函数转变为水盐生产函数。通过2009年和2010年春玉米不同矿化度微咸水灌溉试验,结合函数求解,探求春玉米各生育阶段的盐分敏感指数,得出春玉米的盐分敏感程度顺序为苗期>拔节期>抽雄灌浆期>成熟期。同时以交替灌溉试验进行验证,结果表明微咸水安排在盐分敏感程度小的生育阶段更有利于作物的生长。     

宁夏青铜峡灌区冬灌对冻融期土壤水热盐分布及作物生长影响

[目的] 研究冬灌和冻融条件下土壤水热盐的再分布规律及其对作物生长的影响,为防治土壤盐渍化和保障粮食安全提供科学依据。[方法] 基于宁夏青铜峡灌区2018年10月25日至2020年10月3日试验田实测气象、土壤理化指标和作物生长数据,采用统计分析及可视化方法对冬灌与非冬灌区农田水热盐的运移规律及作物生长情况进行对比分析。[结果] 青铜峡灌区土壤温度变化滞后于气温变化,土壤浅表层温度受气温变化影响更显著。土壤从表面开始逐渐向下冻结,冻结深度随着气温的降低不断加深,消融期土壤冻结层从表层和底部同时进行消融,整个土壤冻融期共历时98 d。农田灌溉后含水率显著增高,冻结期灌溉降低各土层土壤温度0.1~1.1 ℃。冬灌农田不同深度土层土壤温度变化趋势和含水率变化特征与非冬灌区农田基本一致。冬灌后各土层盐分含量均下降,其中0—30 cm土层土壤盐分显著下降,但冻融期后冬灌农田土壤出现返盐现象。冬灌农田相较于非冬灌农田,小麦植株较高,玉米生长发育速度较快,小麦增产20.64%,玉米增产4.20%。[结论] 青铜峡灌区冬灌明显改变了土壤水热盐的分布规律,可以有效降低土壤盐分,促进作物生长和增产,特别是明显提高小麦产量。     

黑土坡面不同粒级泥沙流失特征分析

不同粒级泥沙流失特征研究可揭示坡面侵蚀机理,表征土壤养分流失状况;而现有研究缺少对不同粒级泥沙流失速率及流失比例的过程性研究。为此,该研究基于连续汇流冲刷试验,研究汇流冲刷次数和坡度对黑土坡面不同粒级泥沙流失特征的影响。试验处理包括6次连续汇流冲刷（1 L/min,每次历时60 min）和2个黑土区典型坡度（5°和10°）。结果表明,汇流冲刷次数对不同粒级泥沙流失速率及比例的影响较坡度的影响明显。试验条件下,<0.25 mm泥沙流失比例最大,其次为1～2、2～5、0.5～1、0.25～0.5、>5 mm泥沙流失比例。随着汇流冲刷次数的增加,<0.25 mm泥沙的平均流失速率由1 965.7～6 698.4 g/(m2·h)显著减小为59.5～80.0 g/(m2·h),该粒级泥沙流失比例亦总体呈现减小的趋势,而1～2 mm泥沙流失比例总体呈现增加的趋势,二者作为侵蚀泥沙的主体,其变化具有明显规律性。因此,<0.25 mm和1～2 mm泥沙流失特征应作为黑土区土壤侵蚀研究的重要部分,进而指导防治措施的布设;同时,建议采用适宜的覆盖措施防治黑土坡面细小颗粒泥沙的流失。     

极端暴雨情景模拟下黄河中游区现状下垫面来沙量分析

黄河防洪,难在沙多。未来黄河的来沙情势事关治黄方略确定、流域水沙资源配置、重大水利工程布局与运用,是近年治黄的热点问题。2000年以来,黄土高原生态环境大幅改善,黄河来沙锐减,在此背景下,需要客观认识极端暴雨情景下的黄河最大可能来沙量,为黄河防洪减淤提供决策依据。该文以沙量贡献率约91%的黄河中游河口镇至潼关区间为研究对象,以下垫面产输沙环境大体稳定、且暴雨偏多的2010-2018年作为现状下垫面,设计了"假定1933年暴雨重现"和"假定2010-2018年各支流的最大暴雨年在同一年发生"等两种极端暴雨情景,分别采用各支流最大暴雨年实测沙量相加和基于现状年各支流降雨-产沙关系的水文学方法,分析了研究区现状下垫面在极端暴雨情景下的可能来沙量。1933年是黄土高原近百年实际发生过的最大暴雨年;通过暴雨移植而成的"合成年"暴雨量级仅次于1933年,但输沙量和产沙量相当于实测值;两个暴雨情景的大暴雨落区不同。研究结果表明:在现状下垫面背景下,如果2010-2018年各支流的最大暴雨年出现在同一年,研究区的年输沙量将达6.2亿t,相应的区域产沙量为9.9亿t;基于现状下垫面的降雨-产沙关系,如果1933年大暴雨在研究区重现,研究区的年输沙量将达9.4亿t,相应的区域产沙量为12.4亿t。该文采用的两种极端暴雨情景,只能算得上是近一百年内的最大降雨,且未考虑坝库水毁排沙和极端暴雨出现在连续干旱年之后等不利情况,否则来沙量将更大。由此可见,即便是黄土高原林草植被已经大幅改善,且大量梯田和淤地坝建成投运,黄河防洪和骨干工程调度运用仍要做好应对大沙的准备。     

考虑雷诺数和形状影响的坝岸根石水平水流拖曳力系数修正

对于水利工程坝岸散抛根石冲揭失稳,水流作用下根石的拖曳力是重要的力学分析参数。该文基于黄河坝岸散抛根石的形状参数特征,利用水槽试验量测球体及不同形状块体受水流作用的水平拖曳力,研究雷诺数、物体形状指标与拖曳力相关关系及变化规律,明确影响因素,率定双因素影响下块体的拖曳力系数函数。结果表明,水下球体或近似球状物体的拖曳力系数,基本不受水流及物体形态影响,拖曳力系数趋于0.40～0.56;有棱角块体的水流拖曳力系数,块体雷诺数小于3×104的影响区域,系数函数呈双曲线趋势变化;块体雷诺数大于3×104的影响区域,迎水面宽高比不大于侧立面长高比,拖曳力系数趋于0.80～0.90,迎水面宽高比大于侧立面长高比,拖曳力系数趋于1.00～1.10。进一步通过试验修正了水流作用下不同形态物体的水平拖曳力系数,提出了块体雷诺数、形状参数双因素影响下物体水平拖曳力系数函数,得到了以不同物体来流方向投影响面积为基准的水平拖曳计算公式,经拟合公式的合理性分析与验证,拖曳力系数拟合优度达到0.90以上,平均相对误差为8.7%;修正后拖曳力平均相对误差仅为7.5%,公式计算效果良好,更准确地反映散抛根石的水下受力特征,为分析水下抛石受水流冲击离散形态提供理论依据。     

黄土丘陵区小流域淤地坝纪录的泥沙沉积过程研究

淤地坝是黄土丘陵区小流域水土流失治理的重要工程措施之一,在拦蓄泥沙的同时,也记载了小流域侵蚀产沙的历史变化过程及特征.该研究根据流域历史降雨资料,分析了黄土丘陵区关地沟小流域淤地坝1959～1987年泥沙沉积旋回变化及各旋回层泥沙中、小流域沟间地和沟谷地表层土体中放射性同位素137Cs含量,研究了小流域侵蚀产沙变化过程及泥沙主要来源.结果表明:该小流域在淤地坝建设初期,侵蚀产沙强度很大,其后产沙强度由强变弱,呈显著降低趋势,淤地坝内沉积泥沙的70%来源于沟间地;微小流域与较大流域在泥沙来源方面存在较大差异.