土壤溶质迁移过程的试验研究

设计了自由排水、土壤水分饱和和壤中流3种水文条件,采用人工模拟5组不同地表径流流速,分别对土壤溶质迁移到地表径流过程中土壤侵蚀、伯努利效应、扩散和对流4种途径的作用机理进行了分析.结果表明,在土壤水分饱和条件下,伯努利效应引起的土壤溶质流失量占总流失量的比例很大.结合混合层理论和试验得到了3种水文条件下混合层的深度,其中自由排水(-10 cm)时混合层深度小于1.5 mm;在土壤水分饱和条件下,混合层深度介于0.9～4.5 mm;但是在壤中流条件下,混合层表现为整个土层都为混合层深度.     

降雨-径流条件下混合层深度模拟试验

混合层深度是非点源污染模型中一个重要参变量,在模拟土壤溶质随地表径流迁移流失过程中,它决定了参与径流迁移的土壤溶质的范围及其具体流失量,为现有模型参数校正提供一定的数据支持。通过设计3种水文条件即自由排水状态（-5?cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5?cm）,采用人工模拟3种降雨强度（3,6和9?cm/h）,及同时分别外加模拟相对于降雨量的0,2,4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中混合层深度。试验结果表明混合层深度与降雨强度呈线性增加关系;自由排水条件下,与地表径流量呈复杂正比例增加关系;土壤饱和条件和土壤渗流条件下,混合层深度与地表径流量均呈线性增加关系。研究结果发现混合层深度的实质是一个多向、复杂的动态溶质迁移变化量。     

降雨-径流条件下土壤溶质迁移过程模拟

通过雨滴的打击加速土壤表面溶质迁移至地表径流过程。通过设计3种水文条件即控制排水状态（-5 cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5 cm）,采用人工模拟3种降雨强度（30、60和90 mm/h）,及同时外加模拟相对于降雨量的0、2、4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中扩散过程的规律。试验结果表明降雨强度、或地表径流总量、或地表水位线的增加,均加速土壤溶质的扩散过程。渗流作用下,对流-扩散作用存在着一种交互作用,能加速分子扩散过程。土壤溶质迁移过程同降雨强度、地表径流量和地下水位高低有着重要关系。     

降雨－径流－土壤混合层深度研究进展

降雨－径流－土壤混合层深度是模拟表层土壤－水－化学物质混合体内微观机制和宏观行为的一个重要参数。该文对混合层深度的基础理论以及实际应用等进行了综述,探讨了存在的问题和今后的方向研究。混合层深度受降雨因素、下垫面条件和溶质性质等影响,有关的概念和模型主要包括完全混合深度、不完全混合深度、有效作用深度、有效传递深度和等效径流迁移深度等,一般均采用示踪法和率定模型法确定，主要用于模拟土壤溶质随地表径流迁移过程、估算非点源污染物输出负荷和衡量土壤养分有效性。今后应扩大试验模拟和理论研究的尺度和对象，加强混合层深度和溶质径流迁移过程对近地表土壤水文条件和土壤侵蚀的响应研究，用混合层深度模型或确定各区域适宜的深度值代替非点源污染模型中的1.0 cm深度，以提高模拟精度。     

土壤容重对溶质迁移过程的影响

土壤在径流作用下发生流失、土壤溶质迁移等现象,是一个受径流、土壤性质、下垫面特性、土地利用方式等多种因素综合影响的复杂过程.利用斜坡土槽,采用一定的坡度和实验流量,对不同容重的土样进行了室内放水实验,研究了在土壤饱和条件下,土壤容重对土壤溶质迁移过程的影响.实验结果表明:(1)随径流作用时间的增加,单位时间内土壤溶质迁移量逐渐减少,其关系可用幂函数来描述;(2)土壤溶质发生迁移是受地表径流和壤中流共同作用的结果;(3)土壤容重对土壤溶质迁移过程影响总体表现为土壤容重越大,随径流迁移的土壤溶质量越少;(4)土壤容重增加相同幅度,但同时刻随径流迁移的土壤溶质递减量逐渐减少.     

聚丙烯酰胺施用对铵态氮地表径流迁移的影响及解析模拟

地表氮素迁移至径流的水平对氮素流失有重要影响。该研究在人工模拟降雨条件下,主要考察高分子有机化合物聚丙烯酰胺（PAM）施用对铵态氮地表径流迁移效应。试验结果表明,PAM的施用降低了径流运移氮素的能力,表现为铵态氮初始流失浓度极大降低,且氮素流失过程更趋平稳。基于土壤混合层理论和氮素平衡原理建立了PAM施用下铵态氮地表迁移不完全混合模型,并求得了解析解,证实了地表铵态氮径流迁移符合指数型衰减过程,模拟结果与实测值拟合较好。     

土壤Cr(VI)在非线性Langmuir吸附条件下的径流流失试验与模拟

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。试验模拟的田间地表径流是由降雨引起的,根据降雨期间土壤与雨水相互作用情况,将降雨过程分为4个阶段分别求解进行研究。利用室内模拟降雨-径流试验所得数据进行模拟计算,并通过敏感性分析和模型参数对径流流失量的影响分析,阐明模型参数对土壤中吸附性溶质径流流失规律的影响。研究结果表明:此二层非完全混合模型能预测土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。该模型对入渗水溶质与土壤混合层溶质之间的非完全混合系数γ非常敏感,对土壤混合层溶质与地表积水-径流水溶质之间的非完全混合系数α不敏感,对Langmuir吸附方程中的参数B、C也不敏感。其中γ和α对模拟径流流失过程的影响主要作用于降雨前期,而Langmuir吸附方程中的参数B对模拟过程的影响作用于降雨前期,C也主要作用于降雨前期,但对后期的影响比其他参数更大。试验数据显示地表径流中溶质含量很低,说明该次试验中混合层溶质进入地表积水-径流层量很少,而模拟α值很小,与实际情况吻合,同时也说明,土壤中流失的污染物重金属Cr(VI)大多存在于地下排水中。     

土壤Cr(Ⅵ)在非线性Langmuir吸附条件下的径流流失试验与模拟

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。试验模拟的田间地表径流是由降雨引起的,根据降雨期间土壤与雨水相互作用情况,将降雨过程分为4个阶段分别求解进行研究。利用室内模拟降雨-径流试验所得数据进行模拟计算,并通过敏感性分析和模型参数对径流流失量的影响分析,阐明模型参数对土壤中吸附性溶质径流流失规律的影响。研究结果表明:此二层非完全混合模型能预测土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。该模型对入渗水溶质与土壤混合层溶质之间的非完全混合系数γ非常敏感,对土壤混合层溶质与地表积水-径流水溶质之间的非完全混合系数α不敏感,对Langmuir吸附方程中的参数B、C也不敏感。其中γ和α对模拟径流流失过程的影响主要作用于降雨前期,而Langmuir吸附方程中的参数B对模拟过程的影响作用于降雨前期,C也主要作用于降雨前期,但对后期的影响比其他参数更大。试验数据显示地表径流中溶质含量很低,说明该次试验中混合层溶质进入地表积水-径流层量很少,而模拟α值很小,与实际情况吻合,同时也说明,土壤中流失的污染物重金属Cr(VI)大多存在于地下排水中。     

土壤中溶解性溶质流失特征试验

该文以含有一定初始溶质的壤土和沙土为试验材料,为了研究不同条件下土壤溶质的流失特征,考虑到农田在产生地表径流前存在地表积水的过程,进行了室内土壤测试试验。试验结果表明：在相同条件下,既存在地表径流又存在地下排水时,损失的土壤溶质仅有小部分存在于地表径流水中,流失在地下排水中的溶质占损失的土壤溶质的主要成分。因此在实际田间操作中,当不能同时采用降低地表径流和地下排水的方法来提高土壤溶质的利用程度时,应首先考虑降低地下排水的措施。而在暴雨范围内,降雨强度越小、土壤初始含水率越低、地下排水条件越好、土壤质地越粗等都将导致土壤溶质在地表径流和地下排水中流失的质量越大,从而降低土壤溶质的有效利用程度,该成果可以为提高土壤溶质的利用效率和降低农业污染提供一定的参考意义。     

模拟降雨条件下黄土坡地土壤溶质迁移特征试验研究

土壤质地和溶质性质对土壤溶质地表迁移过程有较大影响.通过室内模拟降雨试验,以杨凌壤土、安塞黄绵土和神木绵砂土为研究对象.研究了土壤NO3-、NH4+、PO43-、K+和Br-的迁移特征.结果表明,塿土的溶质地表流失量均高于黄绵土和绵砂土.尤其是吸附性强的NH4+和PO43-、NO3-与Br-坡面流失以随地表径流流失为主,且主要集中在产流开始的初期阶段.3种土壤处理中径流溶质最高浓度ρmax(mg/L)大小顺序为:ρmax塿土＞ρmax＞黄绵土＞max绵砂土,土壤溶质随入渗水分的迁移能力由大至小依次为:Br-＞NO3-＞K+＞NH4+＞PO43-.塿土等效径流迁移深度EDR最大,黄绵土次之,砂绵土最小,各溶质EDR与溶质垂向迁移能力无明显相关性.     

基于水文和土壤侵蚀模型评估植被过滤带净化径流中氮磷的效果

为了方便快速地评估单次径流条件下植被过滤带对污染物氮、磷的净化效果,该文设计了地表径流的模拟放水试验,分析了泥沙与颗粒态污染物的相关性,依据土壤混合层概念简化了土壤污染物的输移,建立了植被过滤带对污染物作用效果的估算模型。结果表明:径流中颗粒态氮、磷含量与泥沙含量有显著相关性(P0.05),据此建立线性相关方程,估算出植被过滤带对颗粒态污染物的净化效果,其86%以上样本的颗粒态氮、磷质量浓度模拟偏差均在±20%之内;溶解态氮、磷的迁移分两部分,即发生于坡面地表径流中和土壤混合层中,分别根据质量平衡原理建立方程对溶解态污染物的迁移进行了模拟,验证得到83%以上样本的溶解态氮质量浓度模拟偏差在±20%之内,67%以上样本的溶解态磷质量浓度模拟偏差也在±20%之内,研究表明,可以基于土壤混合层概念和水文及土壤侵蚀模型对植被过滤带净化效果进行评估。     

水力梯度影响下WEPP模型估计细沟侵蚀参数的可行性分析

为分析近地表水文条件影响下WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型估计细沟可蚀性和临界剪切力的可行性,该研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,采用不同水力梯度值模拟饱和/渗流(水力梯度为0、0.71和1.43 m/m)和排水(水力梯度为?0.71和?1.43 m/m)2种近地表水文条件,并设置3个放水流量(0.55、1.58、2.51 L/min),利用"V"形试验土槽测定不同条件下细沟产流产沙,以WEPP模型估算的土壤可蚀性和临界剪切力为计算值。测定增大流量直到侵蚀开始并出现连续不断的土壤颗粒分离时所对应的流量,将基于此流量计算获得的临界剪切力作为实测值。比较临界剪切力计算值与实测值验证WEPP模型估算的可靠性。结果表明,在饱和/渗流条件下,土壤剥蚀率随着冲刷历时的增加逐渐减小;在排水条件下,放水流量为0.55 L/min的土壤剥蚀率随冲刷历时的增加快速减少并逐步稳定,而随着放水流量增大土壤剥蚀率波动的更为剧烈。5个水力梯度平均细沟可蚀性为2.51×10?2 s/m。饱和/渗流条件下细沟可蚀性为3.07×10?2 s/m,是排水条件的1.78倍。除水力梯度为?1.43 m/m时临界剪切力在WEPP模型中的计算值与实测值相符外,在?0.71~1.43 m/m范围内,临界剪切力的计算值均高估了实测值,平均高估了36.85%。临界剪切力实测值与计算值呈指数函数关系(R2=0.77,P0.01)。该研究可为黄壤的侵蚀防治及WEPP细沟侵蚀模型临界剪切力修正提供理论支持和科学指导。     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀.输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义.通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度...     

雨滴打击与壤中流交互作用对横坡垄作坡面侵蚀过程的影响

横坡垄作是被广泛采用的保护性耕作措施之一。垄沟低洼处的积水可诱发壤中流,并可造成雨滴打击对土壤颗粒分离/搬运的增强与减弱作用并存。因此,横坡垄作坡面雨滴打击与壤中流交互作用对土壤侵蚀过程的影响有别于传统坡面。基于人工模拟降雨试验,对有/无雨滴打击作用(RI,WRI)自由入渗(FD)和壤中流(SP)2种试验处理下的产流、产沙过程进行了探究。结果表明:(1)径流量表现为SP+WRI>SP+RI>FD+RI>FD+WRI。雨滴打击作用和壤中流对径流的贡献分别为-47.09%~54.37%和41.96%~85.62%。(2)侵蚀量表现为SP+RI>SP+WRI>FD+RI>FD+WRI。雨滴打击作用和壤中流对侵蚀量的贡献分别为12.92%~94.94%和25.83%~97.28%。(3)自由入渗试验处理下,雨滴打击作用对产流过程影响不明显;土壤饱和后,雨滴打击作用和壤中流的存在均使产流、产沙过程波动幅度更大。(4)有/无雨滴打击作用,自由入渗试验处理下的侵蚀量与产流率符合幂函数关系,而壤中流试验处理下二者符合指数关系。研究结果有助于加深对横坡垄作坡面土壤侵蚀过程的认识,为横坡垄作坡面水土流失综合治理提供理论支撑。     

不同模拟糙度集中水流内红壤团聚体剥蚀特征研究

研究了5种模拟糙度和6种不同冲刷距离组合下3种粒径的红壤团聚体在集中水流内的剥蚀破坏规律,分析了糙度、运移距离以及相关水力学参数对团聚体剥蚀破坏的影响。结果表明,在相同运移距离条件下,随粒径和糙度的增加团聚体剥蚀破坏程度呈增加趋势,与粒径相比,糙度对剥蚀破坏程度的影响更大。相同模拟糙度下,随着运移距离的增加,剥蚀率均呈抛物线形先增大后减小的趋势;各运移距离下,7~5 mm粒径团聚体的剥蚀率随糙度的增加而增加;5~3 mm和3~1 mm粒径团聚体在各运移距离内随糙度的增加变化规律不一致。在不同糙度情况下,以运移距离等于36 m为例,团聚体与原始团聚体质量比(Wr/Wi)随径流水深、阻力系数、水流剪切力的增加均呈幂函数减小之后趋于平缓的趋势。该结果为研究红壤团聚体破碎理论机制提供了参考,对于完善土壤侵蚀过程模型,具有重要的理论意义。     

坡度对降雨径流挟沙能力影响的模拟试验

高陡边坡降雨径流侵蚀输移能力是一个重要的科学问题。通过室内模拟降雨试验研究相同雨强不同坡度和坡长条件下的降雨径流侵蚀输移规律。结果表明：(1)试验条件下,水深与水力坡度的1/3次方呈负相关,与坡长的3/5次方呈正相关,流速与水力坡度和水深呈幂函数增加;(2)相同雨强裸坡条件下,径流含沙量与水力坡度的1/2次方呈正相关,与坡长的4/5次方呈正相关。水流挟沙能力约与水力坡度的1/2次方呈正相关。(3)降雨径流的水流紊动扩散作用与重力作用的比值较明渠水流偏大,表明雨滴打击的紊动作用较明显,给出挟沙能力公式。与常用的河流泥沙挟沙能力公式比较,系数偏大,指数偏小。研究成果对深入分析降雨径流侵蚀输移的机制具有重要意义。     

苔藓覆盖对喀斯特林地碳酸盐岩红土剥蚀过程的影响

为探究苔藓覆盖对喀斯特山地土壤剥蚀过程影响的机理,通过野外采集原状土样,结合上方来水冲刷剥蚀试验,分析了不同坡度(5°,20°)与不同土壤含水率(饱和含水率、田间含水率)条件下苔藓盖度与土壤分离能力间的定量关系,解析了坡面流水力特征参数对苔藓覆盖的响应规律.结果表明:在5°和20°坡度下,苔藓覆盖下饱和土壤的土壤剥蚀率...