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。     

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。     

土壤溶质迁移至地表径流过程的室内模拟试验

关于土壤溶质迁移到地表径流,现有研究大多是概念性的认识,对迁移过程中各个部分的定量研究却很少。该文为了量化研究土壤溶质迁移流失过程及其作用机理,通过设计2种水文条件即土壤水分饱和和土壤渗流条件,其中土壤渗流条件设置了2种水头（5 cm,10 cm）,采用人工模拟5组不同地表径流流速,分别研究土壤溶质迁移到地表径流过程中4种途径：土壤侵蚀、伯努利效应、扩散和对流。试验结果表明了伯努利效应导致土壤溶质迁移量增加;特别是在土壤水分饱和条件下,当地表径流流速从55 mL/s升到 200 mL/s时,伯努利效应引起的土壤溶质流失通量占总流失通量的比例从14%升到53%,在土壤水分饱和条件下,混合层深度小于5 mm;但是在土壤渗流条件下,混合层深度随着水头的高低和径流流速的大小而变化。土壤溶质迁移过程同地表径流流速和地下水位高低有着重要关系。     

降雨强度对黄土坡面矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验，研究了黄土区土壤矿质氮素随地表径流迁移流失和入渗的动态变化，初步探讨了径流与土壤矿质氮素的作用深度EDI，并提出了EDI深度的确定方法。结果表明：土壤矿质氮素流失是降雨、径流与表层土壤矿质氮素作用的结果，随径流流失量显著高于随泥沙流失量，地表产流过程径流养分浓度呈现高—低—较高变化；降雨(降雨强度)和径流是土壤溶质迁移的动力，对土壤矿质氮素随径流流失和入渗有着重要影响。雨强增大，土壤矿质氮素流失量、径流作用深度(EDI)和土壤硝态氮入渗锋值深度均增加；同一坡面不同坡位土壤NO^－₃-N与径流有效作用深度(EDI)和浓度锋值深度不同，坡中下部最深，坡顶部和坡底部较浅；土壤NO^－₃-N和土壤NH⁺₄-N入渗和再分布过程截然不同。     

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.     

表层土壤容重对黄土坡面养分随径流迁移的影响

农田化学物质随地表径流迁移的问题,既是农业问题,又是水环境问题。地表土壤容重是影响土壤溶质随径流迁移的重要因素之一。通过室内模拟试验,研究了降雨条件下土壤容重对黄土区坡面土壤氮、磷和钾随径流迁移过程的影响。结果表明,随着土壤容重增大,初始产流时间提早,径流系数增大,土壤流失量增多,土壤磷和钾流失量也随之增大。径流养分浓度变化对土壤容重响应程度的大小次序是：NO3ˉ-N〉PO4^3-P〉K^＋。径流养分流失率过程曲线存在“峰值点”,它是土壤容重、溶质理化特性以及土壤水文参数综合作用的结果。通过数学模拟,进一步证实了幂函数是模拟黄土区非饱和水流条件下养分流失过程的最佳模型。本研究为深入理解黄土坡面径流溶质迁移机理提供了参考。     

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-土壤-径流系统中氮磷的迁移

农田地表径流形成的面源污染是影响饮用水源地水质安全的主要污染源。降雨输入、土壤溶质迁移和地表径流输出三者相互作用,决定着农田面源污染负荷的产生。通过设置移动小区,收集和监测次降雨事件中的地表径流、土壤溶质迁移,研究面源污染负荷中降雨氮磷和土壤溶质输入负荷和比例。结果显示,随雨水输入径流的DTN、DTP负荷占径流DTN、DTP负荷的58%和67%;由降雨带到陆地生态系统的N、P主要通过径流输入到其它系统中,但径流NO3--N负荷主要来自土壤溶解态NO3--N向径流的溶出迁移;计算降雨-地表径流-土壤溶质的相互作用深度,简化了小流域面源污染负荷量化过程,为制定小流域面源污染防治规划提供理论指导。     

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。     

Snowmelt runoff parameters and geochemical migration of elements in the dissected forest-steppe of West Siberia

In three West Siberian geomorphological regions, the snowpack was measured and the soil frost depth, the volume of surface runoff, the humus content of the soil, and the chemical composition of meltwater were determined for each year from 1969 to 2007. The study was carried out on chernozem-type soils during different hydrological years. The water content of the snow varied in those years from 65 mm under low-snow conditions to 255 mm in very snowy winters. Both the amount of snow and the type of land use influence the surface runoff volume. Slopes covered with perennial grasses and plowland had the greatest snowmelt runoff values (> 50% of the water content of snow). The removal of clay particles depletes the humus from chernozem and phaeozem soils. Moderately eroded soil is transformed into medium-humus soil, and strong erosion leads to low-humus soil. In meltwater running on the surface of phaeozems situated near a cement factory, the concentrations of calcium and magnesium were 15- to 20-fold higher and carbon concentrations were 1.5-fold higher than in soils outside the pollution zone.     

植被缓冲带在水源地面源污染治理中的作用

在山地丘陵区遭遇高强度降雨时,常常发生水土流失;水流携带泥沙下泄,过量施入农田的肥料、农药等化学物质随之进入河流、水库、湖泊等地表水和地下水水体,进而造成水体富营养化等面源污染,危害水源地安全。为梳理植被缓冲带能够控制水土流失、阻控污染物移动、解决水源地面源污染问题,明确该项技术措施减少和治理水源地面源污染的机制,为水源地面源污染防治和水环境改善提供参考。在概括介绍植被缓冲带的类型、功能的基础上,对该项技术措施减少和治理水源地面源污染的机制进行讨论。植被缓冲带治理水源地面源污染的机制主要有:①植物在生长过程中自身对氮磷等物质的吸收;②利用植被固结土壤,减少水土流失;③植被覆盖、拦蓄能够延长径流在地面的停留时间而增加水分入渗、减少氮磷等物质随地表径流流失;④植物根系参与土壤中多种物理、化学和生物过程,加速碳、氮、磷等物质的形态转化。针对水源地面源污染特点和植被缓冲带的建设技术及其应用要点,提出相关建议,并对今后该技术的发展进行了展望。     

基于混合产流模式的黄土高原流域水沙过程耦合模拟

为深入理解黄土高原干旱半干旱地区复杂地貌条件下流域水沙运移规律。基于垂向混合产流机理和运动波方程，构建分布式流域水文模型，耦合流域土壤侵蚀和泥沙输移过程模拟模块，并考虑梯田对水沙过程的影响，建立适用于黄土高原的分布式流域水沙过程模型。选取黄土高原延河支流西川河流域多年实测场次洪水过程的径流泥沙资料，对模型进行率定和验证。径流模拟的纳什效率系数在0.56以上，平均值超过0.70,模拟次洪过程的峰形、峰值、峰现时间与实测过程具有较好的一致性；侵蚀产输沙模拟精度较低，其纳什效率系数均值率定期为0.79,但验证期仅为0.45,模拟结果整体趋势与实测值较一致，但输沙量模拟峰值比实测值偏低。模型可以较精确地模拟黄土高原流域洪水产汇流过程，但输沙量模拟值偏低，一方面由于产汇流模块的误差传递；另一方面，对重力侵蚀考虑不足。因此，未来模型将考虑滑坡、崩塌等重力侵蚀过程，提升模拟精度和效率，为流域水沙过程模拟与流域综合治理提供有效工具。     

东北不同黑土厚度区多营力作用的坡面土壤侵蚀试验研究

量化东北黑土区多种外营力作用的坡面复合土壤侵蚀过程,将为坡面水保措施的精确布置提供重要科学依据。基于野外模拟试验,分析了东北典型薄层黑土区(宾县)、中层黑土区(海伦市)和厚层黑土区(克山县)多营力叠加作用的坡面水蚀特征。野外模拟降雨的试验处理包括仅水蚀的试验处理(I)、冻融+水力叠加作用的试验处理(Ⅱ)和冻融+风力+水力叠加作用的试验处理(Ⅲ)。结果表明:与仅有水蚀作用的试验处理相比,冻融作用使典型薄层、中层和厚层黑土厚度区的坡面径流深度分别减小29.4%,39.3%,32.1%;而其使坡面水蚀量分别增加16.3%,36.0%,26.3%;冻融和风力叠加作用使3个黑土厚度区的坡面径流深度分别减少3.6%,4.1%,10.8%,而其坡面水蚀量分别增加38.5%,102.1%,64.1%。试验条件下,从厚层黑土区到中层黑土区再到薄层黑土区,坡面径流深度和坡面侵蚀量均呈增加趋势。冻融作用和冻融+风力叠加作用对3个黑土厚度区坡面水蚀的影响程度从大到小依次皆为海伦黑土>克山黑土>宾县黑土。冻融作用使土壤硬度和土壤抗剪强度分别减小24.4%~36.7%和21.3%~23.9%,从而使土壤可蚀性增加,导致坡面水蚀量增加。地表在风力作用下形成了不同深度和不同大小的风蚀凹痕微形态,导致坡面径流集中和流速增加12.4%~19.1%,坡面径流侵蚀能力和搬运能力增加,从而使坡面水蚀量增加。     

密云水库流域非点源污染研究概述

密云水库是现阶段首都北京惟一的地表饮用水源地,非点源污染是影响水库水质的主要因素.为明晰密云水库流域非点源污染的基本特征及其研究进展,本文总结了近20年来对水库流域非点源污染的研究成果,从非点源污染调查、非点源污染的负荷与预测评价、非点源污染物的影响因素与机理、非点源污染的控制管理等4个方面进行了概述.初步明确了密云水库流域非点源污染的基本特征,包括非点源污染主要来自于水土流失、化肥农药的施用、山区养殖产生的畜禽粪便、水产养殖等,其污染负荷随年度降雨变化较大,对水库污染总负荷的贡献COD约70%、BOD,约70%、NH,-N约90%、TN约70%、TP约90%等.预测了水库流域非点源的发展趋势.评价了非点源污染治理各项技术措施和政策管理措施的效果,并从非点源污染具体来源、污染途径和机理、研究尺度等方面提出了现阶段非点源污染研究存在的问题和需要进一步研究的方向.     

三峡库区坡耕地不同施肥水平与耕作模式径流泥沙流失规律

为有效防治坡地水土流失,减轻农业面源污染,以原位径流小区长期（2010—2012年）观测试验为基础,以“冬小麦—夏玉米”种植模式为研究对象,设置对照（T0）、常规（T1）、优化（T2）、增量（T3）、横坡垄作（T4）5个处理,分析了三峡库区紫色土坡耕地不同施肥水平与耕作模式下径流泥沙流失规律及其对降雨的响应。研究发现:（1） 各处理5月份的径流量占观测时段内总径流量的16.39%～21.96%,侵蚀量占观测时段内总侵蚀量的12.53%～25.56%,产生侵蚀性降雨的最小降雨量为20.5 mm。（2） 不同施肥与耕作模式下降雨量与径流量、侵蚀量均呈y=ax+b（a > 0）的线性关系;通径分析表明,侵蚀量的变化是径流量直接作用的结果,施肥对土壤侵蚀及产流的影响是通过改变土壤理化性质和作物地面覆盖度而实现的。（3） 不同施肥水平与耕作模式下径流总量与侵蚀总量的变化趋势一致,在不同施肥水平下径流总量与侵蚀总量均表现出:T0 > T1 > T3 > T2,不同耕作模式下径流总量与侵蚀总量均表现出:T2 > T4。横坡耕作和优化施肥模式能够更有效地减少地表径流,降低土壤侵蚀量,是三峡库区防治坡耕地水土流失的有效途径。