北方土石山区典型坡面优先流特征研究

以太行山区崇陵流域的典型坡面为研究对象,通过亮蓝(Blue-FCF)与KI染色示踪试验,利用图像处理软件技术,计算优先流形态特征参数,分析5个不同坡位的优先流形态特征变化规律。结果表明:(1)随着坡位升高,坡面土壤厚度、容重逐渐减小,而总孔隙度、渗透系数、饱和含水量逐渐增大,凋萎系数与田间持水量则呈现波动变化趋势;(2)随着坡位的升高,染色剂运移深度不断增加,基质流区域占比减小而优先流区域占比增大;各坡位染色面积比随深度缓慢下降,在40cm以下深度范围高坡位点的土壤水分与周围土体交互作用较低坡位点较弱;染色剂入渗体积随坡位升高而逐渐增大;(3)随着坡位的升高,优先流对实际水分运移的贡献增大,高坡位坡面水分以优先流为主要方式向下入渗;(4)土壤质地与容重是影响土石山区坡面不同坡位优先流差异的主要因素。     

垂直线源灌土壤湿润体尺寸预测模型研究

基于HYDRUS-2D模型建立了垂直线源灌土壤水分运动数学模型,设置81种情景,模拟获得不同土壤质地、初始含水率以及线源长度、线源直径和埋深条件下的湿润体变化过程。湿润体尺寸主要受土壤质地影响,土壤质地越粗,湿润锋运移越快,线源长度、线源直径和埋深对其影响较小。土壤湿润锋运移过程符合幂函数关系,幂函数指数在水平和垂直向上方向上变化较小,而在垂直向下方向上随饱和导水率(Ks)的增大而增大;幂函数系数随Ks的增大而增大。提出了包含Ks在内的垂直线源灌土壤湿润体尺寸预测模型,试验验证了所建模型的可靠性,MAE和RMSE接近0,PBIAS在-4%~9%之间,NSE不小于0.929,说明预测效果良好。所建模型仅需Ks即可推求,试验设计简单,初步实现了由土壤物理参数预测垂直线源灌土壤湿润锋运移距离的可能。     

降雨和坡度对坡面水流阻力规律影响研究

为探明降雨条件下坡面薄层水流阻力特性,分析雨强对坡面流阻力的综合作用,以流体力学和水力学基本理论为依据,通过5个坡度和8个流量、4个雨强组合条件下的模拟降雨试验,系统研究了降雨条件下坡面薄层水流阻力规律。结果表明:相同雨强条件下,阻力系数随着坡度的增加呈现先增加后减小的趋势,随着流量、水深的增大而逐渐减小,最终稳定在0.025左右;相同坡度下,坡面薄层水流的阻力系数随着降雨强度、放水流量的增大而减小;降雨强度在一定程度上影响阻力系数与弗汝德数幂函数关系的离散性。在本试验条件下,薄层水流都处于"层流"和"过渡流"的流区,并且随着坡度的增大,薄层水流向"层流"转捩。在考虑雨强的情况下,给出了计入雨强影响的裸坡条件下坡面流阻力的计算公式。     

坡面薄层水流滚波演变规律试验研究

为探求坡面薄层水流滚波产生机理及其演化规律,采用变坡水槽试验,结合超声波测量技术,研究了5种坡度和21种单宽流量下坡面薄层水流的水力特性及失稳特征。结果表明,试验条件下,坡面水流流态指数平均值为0.536,水流流态以紊流为主,流型为急流;特定粗糙床面条件下,随着流量的增加,水流经历失稳到滚波猝灭再到二次失稳的演变过程;滚波猝灭临界流量随着坡度的增大而逐渐减小,其临界雷诺数在509~602之间,临界弗汝德数在3.29~7.39之间;随着流程长度的增加,滚波的波速变化不大,波长和波高逐渐增大,频率逐渐减小,滚波发生沿程聚合现象;当单宽流量和坡度增大时,波速和频率均随之增大,波长变幅不大,而波高呈现先增大后减小的抛物线型变化趋势。     

坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验

精确高效的观测手段是深入研究坡面薄层水流特性的基础。基于系统集成理论和自动化测量原理,结合高精度超声波水位传感器,研制坡面水流滚波特征参数测量系统。在光面玻璃床面,5种坡度和5种单宽流量条件下进行实际测量应用,评价测量系统的精确度及稳定性,并与人工测针法和目测法测量结果比较分析。结果表明,测量数据相对误差为0.23%,变异系数为0.66%;测量系统和传统测量方法测得的滚波波峰值最为接近,滚波频率、波速和波长的接近程度依次减弱;相比人工测量方法,超声波测量操作简便,自动化程度高且能够进行持续稳定观测,具有较好地测量精度和可靠性,能够满足坡面水流滚波特性研究需求。研究成果在坡面水流测量手段改进方面具有广阔的运用前景。     

黄土区浅沟侵蚀影响因素对其侵蚀速率影响的模拟试验研究

浅沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区的主要侵蚀类型之一。利用室内模拟降雨与放水相结合的研究方法,对雨强、上游汇水面积、坡度和耕作等因素对浅沟侵蚀的影响进行了初步研究,结果表明:浅沟侵蚀发生的速率与坡度、雨强和汇水面积均呈正相关关系。耕作通过改变表层土壤结构,改变了浅沟侵蚀随雨强、坡度和上游汇水面积与侵蚀速率的响应关系。且在较小坡度坡面上,耕作显著减少由于雨强变化引起的侵蚀变化,但在大坡度和大雨强条件下,耕作对雨强引起的侵蚀变化有加强作用。     

黄土区浅沟侵蚀沟槽发育及其水流水力学基本特性模拟实验研究

浅沟侵蚀是黄土区坡面侵蚀重要的侵蚀类型,通过模拟试验发现了浅沟侵蚀形态发育过程中宽深比的变化规律及其水流流态特性。结果表明:浅沟沟槽侵蚀发育重要参数宽深比的变化规律与是否进行耕作处理关系密切,随着侵蚀的进行其宽深比逐渐减小,并且稳定在1左右;浅沟水流属于紊流,其雷诺数随着坡度和雨强的增大而增大。耕作和汇水面积的增大造成雷诺数的波动范围变大;浅沟水流在急流和缓流之间不断转换。相同条件下,耕作使得浅沟水流的弗汝德数Fr值变小,且随着雨强和坡度的增大,耕作对弗汝德数的影响越来越小。研究结论对完善黄土区坡面侵蚀研究具有重要意义。     

黄土丘陵区坡沟系统不同侵蚀方式的水力特性初步研究

 采用多坡段组合模型,通过室内人工模拟降雨实验,初步研究坡沟系统中片蚀、细沟侵蚀、浅沟及切沟侵蚀的水力、泥沙参数变化及其相互间的关系,以雷诺数、弗劳德数及过水断面单位能量为不同侵蚀方式发生的动力临界指标,初步得出不同侵蚀方式发生的水动力临界值,对揭示坡沟系统土壤侵蚀规律和产沙预报具有重要意义。     

松辽流域灌溉用水过程模拟及分析

随着人类活动对于流域水循环过程影响的加深,水资源演化机制发生了深刻的变化,其中农业灌溉用水是最为重要的影响因素.研究流域农业灌溉用水模拟和分析方法,对于研究水资源评价、水资源合理配置具有重要的意义.基于二元流域水循环模式,采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式,利用已有的气候和作物资料计算了松辽流域30个三级区21 a逐日的参考作物需水量和逐旬的综合灌溉需水量,结合气象观测和用水统计资料对模拟结果进行了分析和验证.结果表明:松辽流域参考作物需水量ET0呈不显著增加的趋势,只有西辽河下游、柳河口以上、绥芬河3个三级区的ET0呈不显著减小的趋势,其他27个三级区ET0均呈增加趋势,其中3个三级区呈显著增加趋势,逐年灌溉需水量总体趋势表现为显著增加.     

基于遥感的湟水流域生态环境状况评价

以湟水流域为研究对象,利用LANDSAT8 OLI和MODSI遥感影像,基于ERDAS软件和ArcGIS软件空间分析技术,得到流域土地利用类型分布图和植被覆盖空间分布图。根据《生态环境状况评价技术规范(HJ192-2105)》,计算生物丰度指数、水网密度指数、植被覆盖指数、土地胁迫指数和污染负荷指数等,对流域的生态环境状况进行评价和分析。结果表明:流域生态环境状况一般,主要是由于西宁市城区和民和县生态环境状况指数较低。现阶段加强水资源管理和控制污染排放是生态环境治理的重点。