作物生长条件下的阿维里扬诺夫潜水蒸发公式改进

为提高作物生长条件下潜水蒸发强度计算精度,引入作物影响系数概念,提出2种阿维里扬诺夫潜水蒸发改进公式。采用河南惠北水利科学试验站2005-2007年的逐日潜水蒸发量与水面蒸发量试验数据和最小二乘法率定改进公式中各参数值,并用平均绝对误差、均方根误差和相关系数等3个统计指标对改进公式的计算精度进行评价,利用2007-2008年的试验数据对改进公式进行了验证。结果表明,提出的改进公式一的经验指数、潜水蒸发极限埋深以及各生育阶段的作物影响系数等参数值较为合理;验证期平均绝对误差0.30～0.59mm/d,均方根误差0.57～0.87mm/d,相关系数0.58～0.72,各统计指标值基本优于前人的研究,提高了潜水蒸发计算精度。     

应用地表温度与植被指数梯形空间关系估算陆面蒸散量

提出了以Priestley-Taylor方程为基础,综合利用地面气象观测数据与卫星遥感观测数据的陆面蒸散量估算方法。其基本思路是:基于地表能量平衡原理,利用遥感观测与地面气象观测数据,计算给定气温条件下全植被覆盖与祼土地面在极湿、极干状况下的地表温度,构建每个像元的地表温度(Ts)与植被指数(VI)的理论梯形空间,进而根据该象元Ts-VI坐标点在该梯形中的位置,计算其Priestley-Taylor系数,并利用Priestley-Taylor方程估算像元的蒸散比。利用美国一个半干旱地区的地面观测数据进行了精度验证,结果表明该方法具有较理想的精度,蒸散量估算的平均绝对误差约为35.5%。     

农田土壤表面干缩裂缝的随机分布统计特征

该文对不同耕地类型土壤表面干缩裂缝的发展规律进行了室内试验研究,通过计算机图像处理,研究裂缝形态的统计规律。结果表明:裂缝面积密度和长度密度都是随着含水率的减少而增大,达到最大值后保持稳定。水田和旱田试样的连通性指数随着含水率的减小而增大,分别在质量含水率为20%和12%左右达到最大值并且稳定,最大值分别为0.935和0.598,反映了不同耕地类型下土壤干缩裂缝网络的形成过程和连通性的实际情况。裂缝面积和长度的概率密度和累积概率符合正态分布,裂缝面积和长度的概率密度实测值与概率密度函数的拟合决定系数分别大于0.94和0.91;裂缝面积和长度的累积概率实测值与分布函数的拟合决定系数分别大于0.90和0.94。可以用正态分布描述土壤表面裂缝的形态,有助于研究土壤干缩裂缝的形成机理以及不同裂缝形态对土壤优先流的影响。     

辽河流域铁岭站径流变化及其影响因素分析

采用线性趋势回归、Mann-Kendall秩次相关检验、小波分析、Spearman相关分析等多种方法,对1964-2004年间辽河流域福德店至铁岭区间降水、径流时间序列的年际变化特征进行了综合分析.结果表明:①流域降水径流年内分配不均匀,主要集中在5 9月份;②多年年降水量、年径流量和年径流系数总体呈下降趋势,其中年径流量和年径流系数下降趋势明显;③年径流量的年际变化较大,年最大与最小径流量的倍比为11.9倍,21世纪00年代的径流量平均值仅为60年代的24.3％,减少幅度较大;④年降水和年径流量具有明显的阶段性和周期性演变特征,分别存在7 a和15a尺度的周期性变化规律.⑤降水量减少和下垫面条件变化是造成福德店至铁岭区间流域径流量下降的重要因素.     

九龙江流域生态需水量时空变化趋势分析

为了维持和保护流域生态系统健康,避免流域生态环境退化,进行流域生态需水量的确定和研究是有必要的。根据九龙江2000—2018年2个水文站实测数据,结合Tennant法确定河道内生态基流,选择面积定额法,利用流域内土壤质地分布状况,以及基于遥感开发的MCD12Q1土地利用产品和MOD16A2蒸散发产品估算植被生态需水量,并对区域生态环境需水量进行时间变化趋势分析和空间分布分析。结果表明：(1)在2000—2018年,九龙江流域有林地、草地面积整体呈现增加趋势,农田、疏林地面积呈现下降趋势;(2)九龙江流域内北溪、西溪河道内多年平均生态需水量分别为22.68亿m³,10.67亿m³,植被多年平均生态需水量为105.27亿m³;(3)有林地、草地的生态需水量呈显著上升趋势,疏林地、农田生态需水量呈下降趋势,前者显著,后者不显著。受人类活动影响,九龙江流域土地覆盖/利用类型年际变化剧烈,因此在区域生态需水量变化中其作用不可忽略,随着遥感/GIS技术的发展,对土地覆盖/利用类型以及植被蒸发量的高时空分辨率观测变得可能,有助于准确预...     

黄河中上游流域水沙变异关系模型研究

[目的] 开展黄河流域水沙变异关系模型研究,为流域水沙变化研究提供理论支持。[方法] 从黄河中上游流域水沙变异影响因素分析入手,推导出以微分为基础的水沙变异关系模型。[结果] 模型通过黄土高原和黄河中上游流域7个测站控制流域输沙率和流量变异变量的模拟检验,获得了7个流域输沙率和水流变异模拟平均有效性系数为0.860和0.887,平均相对误差分别为14.8%和6.7%。[结论] 从水流变异、泥沙变异模拟精度和各因素变异贡献比例3个层面检验了模型,初步证明了模型结构的合理性和模拟实际泥沙变异具有的高有效性。     

三峡库区重金属含量空间分布及污染状况

[目的] 对三峡库区坡面土壤与消落带沉积泥沙中重金属含量特征开展研究,为该区重金属污染评价提供理论与数据支持。[方法] 在三峡库区选取53个采样点,分析区域内坡面土壤与消落带沉积泥沙中Cr,Cu,Pb,Zn,Mn 5种重金属元素的含量,利用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、地累积指数法和潜在生态风险指数法开展污染状况评价。[结果] 研究区域内重金属含量平均值大小依次为：Mn>Zn>Cr>Cu>Pb,仅Cu,Zn和Mn存在污染。Zn和Mn在消落带沉积泥沙与坡面土壤中皆富集,而Cu仅在坡面土壤中富集。研究区域内重金属在空间分布上呈上、下游高,中游低分布。单因子污染指数法表明,研究区内仅存在Zn （P_ia=1.07）的轻度污染与Mn （P_ia=2.65）的中度污染。研究区域内梅罗综合指数为2.93,为中度污染。根据地累积指数法,研究区域内仅存在Mn轻度污染,其余重金属皆为无污染。Cr,Cu,Pb,Zn,Mn的潜在生态危害皆为轻微生态危害;研究区域的综合生态危害指数为14.09,为轻微生态危害。[结论] 研究区域内Cr含量主要受到研究区地质背景影响,而Cu,Pb,Zn和Mn含量同时受到地质背景与人类活动的影响。研究区内存在Mn和Zn污染,且有轻微生态危害。     

渭河流域蓝绿水对土地利用变化的响应模拟

为深入探讨渭河流域土地利用演变过程对蓝绿水时空变化的影响,该研究基于渭河流域1995、2015年土地利用数据,利用CA-Markov(Cellular Automata-Markov)模型预测渭河流域2035年的土地利用格局;结合SWAT(Soil and Water AssessmentTool)水文模型,设置多种土地利用变化情景,定量分析流域内土地利用变化与蓝绿水量的时空响应关系。结果表明:1)CA-Markov模型模拟2015年土地利用格局效果较好,Kappa系数为0.89,可用于模拟预测;1995-2035年间,耕地主要向建筑用地和草地转移,草地主要向林地和耕地转出,流域内耕地呈减少趋势,单一动态度为-0.27%,建筑用地增速最大,单一动态度达到3.75%。2)1995-2015年间,蓝水量增加了2.38 mm/a,绿水量减少了18.74 mm/a,绿水量减少幅度较大,2015-2035年蓝水量增加了14.82 mm/a,绿水量减少了15.23 mm/a,蓝水量的增加幅度较大;在极端土地利用情景下,退耕还草、还林对蓝水量和绿水量均起减少作用,蓝水量分别减少了9.27、11.37 mm/a,绿水量分别减少了32.94、21.13 mm/a。因此需要合理规划渭河流域耕地、林地和草地,防治水土流失问题,促进流域生态环境的改善。研究结果将对渭河流域土地利用规划和水资源管理提供科学参考。     

冻融过程对高寒区渠道基土力学特性的影响

高寒区复杂的环境场是渠道基土劣化的重要原因,并由此诱发渠系工程的灾变。开展了湿干循环及湿干冻融耦合循环下膨胀性渠道基土的三轴固结排水剪切试验,描述了渠道基土的应力-应变关系、弹性模量、破坏强度和抗剪强度指标的变化特征,探讨了湿干冻融耦合循环中的冻融过程对渠道基土力学特性的影响。结果表明:湿干循环和湿干冻融耦合循环次数的增长使得渠道基土的应力-应变关系由一般硬化型往弱硬化型(弱软化型)发展,湿干冻融耦合循环过程中的冻融过程加剧了这一转变的发展。同时,湿干冻融耦合循环中的冻融过程易造成渠道基土的弹性模量、破坏强度、黏聚力在耦合循环初期大幅下降,而这一影响随着湿干冻融耦合循环次数的增长逐渐弱化。7次湿干循环后,试样的弹性模量、破坏强度、黏聚力和内摩擦角分别衰减了约13.1%～33.3%、21.2%～27.6%、39.1%和15.6%,低于7次湿干冻融耦合循环后22.3%～34.5%、22.2%～30.9%、44.0%、11.7%的衰减幅度,表明湿干冻融耦合循环中的冻融过程加剧了渠道基土力学性能的衰减,但对试样内摩擦角影响较小。另外,湿干冻融耦合循环中的冻融过程造成低围压下的渠道基土损伤较为明显,以传统弹性模量形式表征渠道基土的损伤度在在一定程度上低估了湿干循环及湿干冻融耦合循环过程对于渠道土体的损伤程度,在高寒区膨胀土渠系工程相关计算与分析中,还应充分考虑渠道土体的破坏强度衰减。研究成果可为北疆供水工程的建设与维护提供一定科学依据。     

稻田-沟塘系统水氮动态模拟与灌排调控模型构建

沟塘系统对农田排水具有较好的拦蓄能力,是降低中国南方稻区农业面源污染风险的有效措施,定量化评价稻田-沟塘系统水氮过程是合理制定水氮管理措施的关键。该研究以稻田-作物模型WHCNS_Rice为基础,通过添加沟塘水氮平衡和灌排调控过程,构建了稻田-沟塘系统水氮调控模型。并采用太湖流域2 a不同灌排和施肥处理的田间试验数据校准和验证模型,分析不同灌排和施肥处理下稻田-沟塘系统的调控策略。研究结果显示,模型能够模拟不同灌排和施肥处理下稻田土壤含水量、稻田田面水深、径流量、氮素径流损失量、氨挥发量、作物吸氮量和作物产量,模拟的相对均方根误差、一致性指数和模型模拟效率的范围分别为4.6%～29.7%、0.758～0.996和0.073～0.983,均在可接受的范围内。模拟结果显示,与传统处理相比,控制灌溉结合优化施肥,减少了稻田32.1%～36.2%的灌溉水用量和36.7%～67.3%的氮素径流损失,同时平均降低了55.1%沟塘硝态氮浓度,从而降低了沟塘地表氮素径流损失风险。Morris敏感度分析结果显示,稻田土壤水力学参数和沟塘渗漏速率对沟塘水深的模拟影响较大,而作物参数的敏感度相对较低。沟塘硝态氮浓度对稻田水力学参数、沟塘氮素消纳系数和氨挥发一阶动力学系数较敏感。同时,构建的模型能反映不同水氮管理措施和沟塘/稻田面积比下稻田-沟塘系统水分消耗、氮素去向和作物生长过程。该模型可为优化稻田-沟塘系统水氮管理方案、防控农业面源污染提供有力工具。