裂隙网络对坡面流及土壤水分入渗影响

为研究裂隙对坡面流及土壤水分入渗的影响，通过染色示踪试验，对染色示踪图像进行二值化处理，提取出各像素点染色信息。对染色信息及试验数据处理得到径流量、土壤水分入渗量等参数，进而分析裂隙网络对入渗深度、染色面积、坡面流及土壤水分入渗的影响。结果表明，裂隙网络的存在减小了坡面径流系数，增大了降雨入渗系数；较无裂隙试验相比，50 mm/h 雨强下裂隙试验平均径流系数减小了 0.42，降雨入渗系数增大了0.53；30 mm/h 雨强裂隙试验平均径流系数减小了 0.15，降雨入渗系数增大了 0.38。裂隙网络的存在增大了剖面的入渗深度、染色面积；较无裂隙试验相比，50 mm/h 雨强下裂隙试验平均入渗深度增大了 21.34 cm，平均染色面积增大了36.0%；30 mm/h雨强下裂隙试验平均入渗深度增大了5.70 cm，平均染色面积增大了9.5%。     

农田裂隙分布及其对土壤水分运动影响试验研究

通过农田土壤裂隙演化试验以及土壤染色示踪试验,应用MATLAB软件对裂隙照片、染色示踪照片二值化处理,去噪处理后,提取出裂隙率、土壤入渗深度、染色面积等形态相关参数,分析了裂隙以及裂隙存在下土壤水分运动规律。结果表明,裂隙发育过程中,裂隙的深度和宽度服从正态分布,初期表现为裂隙深度、宽度的共同发展,后期主要是裂隙深度的变化;裂隙率的变化在初期呈线性变化,裂隙率变化速率逐渐变缓;裂隙的存在,促使入渗深度呈带状分布,同时加大了平均入渗深度和入渗面积,降低了入渗均匀度。     

黄土高原区不同地貌类型下入渗水深度研究——以南小河沟为例

选取位于黄土高原沟壑区天然荒草地董庄沟和植被恢复的杨家沟对比小流域,利用探地雷达探测、染色和注水入渗试验以及雨后土壤含水量观测,分析了黄土高原区入渗水影响深度及其与覆被、土壤和地形之间关系。结果表明,黄土层10~20 cm内节理、裂隙、大孔隙等垂向异质性强,且呈现沟谷向梁峁坡增大趋势;为地下水补给提供了有利途径;短时段降水入渗影响小于1 m,且随着深度增加、土壤密度增大、饱和入渗系数降低,减少了入渗水向深部运动量;林地覆盖地方大孔隙发育,增大饱和入渗系数和入渗水影响范围大;浅表20 cm土壤水分随坡地成反比、与地形指数成正比,说明沟谷洼地土壤水分高,缺水量小,是主要产流区,为揭示黄土高原区不同下垫面条件下水循环规律和降雨-径流形成机制提供基础。     

基于HYDRUS-3D模型的微润灌溉土壤水分入渗模拟

掌握土壤水分入渗规律对于合理制定灌溉方案、设置灌溉参数和改进灌溉技术有重要意义。为探究微润灌溉条件下土壤水分入渗规律,利用HYDRUS-3D有限元模型对微润灌溉下土壤水分入渗进行了数值模拟,讨论了初始压力水头和土壤质地对土壤水分入渗的影响。数值模拟结果显示：在土壤水分入渗的垂直剖面上湿润体以微润管为中心呈同心圆状向外扩散,扩散速率与初始压力水头呈正相关。模拟试验周期为36h,分3个时间段进行土壤水分扩散速率的计算,0~5h内土壤水分平均入渗速率为1.85cm/h,6~15h内的平均入渗速率为0.79cm/h,16~36h内的平均水分入渗速率为0.59cm/h。土壤含水率最大值出现在微润管周围,向外围呈减小趋势。相同时间内土壤湿润峰运移距离随初始压力水头的增大而增大,微润灌溉下水分入渗速率在3种质地的土壤（砂壤土、壤土、粘壤土）中依次增大,并测得在压力水头为-180cm时整个模拟周期中3种质地土壤的平均水分扩散速率分别为：0.69、0.53、0.46cm/h。研究表明,土壤含水率和水分扩散速率随压力水头的增大而增大,随土壤黏粒含量的增大而减小。     

土壤干缩裂缝几何特征对入渗的影响

通过碘-淀粉染色示踪试验,结合数字图像处理技术,分析了裂缝宽度、深度及表面裂缝面积率3个裂缝表征参数对土壤水分入渗的影响。研究结果表明:大裂缝即实际宽度大于1.25 cm的裂缝,其入渗深度超过45 cm,能够促进土壤水分入渗,为水分运移提供明显的优先通道,随着大裂缝宽度的增加,入渗深度在45~65 cm范围内变化,没有明显的规律,小裂缝对入渗的作用不明显。裂缝深度较小时,土壤水分可看作一维半无限均匀运动,而深度较大的裂缝对入渗的影响显著,土壤水分运移表现出明显的优先流特征。表面裂缝面积率与湿润的土体体积具有良好的正相关关系(r=0.95),建立了一元回归模型,并提出以表面裂缝面积率作为裂缝对入渗影响程度的表征指标,面积率越大,裂缝对入渗的作用越明显。     

覆膜和降雨强度对玉米耗水过程及土壤水分入渗的影响

【目的】研究农田作物生长过程中,覆膜和降雨特征等因素对玉米耗水过程和土壤入渗产生影响。【方法】根据北京地区典型年降雨量设计和模拟春玉米生育期降雨过程,利用群集式测坑和挡雨棚及附设人工降雨装置,开展了不同地表覆盖条件下降雨强度对玉米耗水及水分利用效率的影响研究。降雨强度包括小雨强0.5 mm/min和大雨强1.5 mm/min,覆盖和种植条件包括膜下滴灌(MDI)、地面滴灌(SDI)和对照无作物种植(NP)。【结果】①MDI处理水分利用效率较SDI处理高13.5%。与SDI处理相比,MDI处理作物耗水量减小了40.6 mm,覆膜主要提高20～60 cm土层储水量。②大雨强条件下土壤深层渗漏量增多了3.4%～15.6%;降雨和灌溉对土壤水分影响深度主要为0～150 cm土层,相对于SDI处理,MDI和NP处理土壤储水量大大增加。③小雨强时表层0～20cm土壤入渗NP处理最快,大雨强时MDI处理入渗最快。作物根区40 cm深度处,小雨强时MDI处理的土壤水分最快达到峰值,而大雨强时NP处理最快达到峰值。60 cm深度处不同覆盖条件下在2种雨强时土壤水分变化速率一致,达到峰值速率表现为NP处理>MDI处理>SDI处理。【结论】覆膜具有较好的节水增产效应;降雨强度越大,土壤水分下渗越快;相同降雨量时小雨强降雨更有利于土壤水存储。不同的降雨强度对土壤水分入渗和再分布影响不同。研究结果可为雨水资源的合理利用从而提高农田水分利用效率提供理论依据。     

降雨集流渗灌系统室内模拟土壤水分运动研究

为解决宁南山区旱地经济林干旱缺水的现状及小降雨(4～16 mm)无法入渗到根系(20～40 cm)分布范围,设计了一种降雨集流渗灌装置,通过室内土箱试验,以降雨量作为控制因子,研究不同雨量条件下径向和垂向土壤水分的运动特征.结果表明:随雨量增加累计入渗量逐渐增大,入渗速率逐渐减小;不同雨量条件下土壤含水率增量在垂向0～...     

基于水量平衡原理的裂隙优先流双域渗透模型及其应用

针对农田裂隙在灌溉过程中造成灌水效率降低和养分淋失等现象,基于表层入渗、裂隙边壁层流通量、裂隙边壁水平吸渗三者与灌水强度平衡原理,构建了基于水量平衡的优先流双域渗透模型,采用染色示踪试验进行了验证,并基于该模型进行了初始/边界条件旋转设计模拟应用。结果表明,试验优先流模式可显著区分为基质流态（土层深度0~10cm）和优先流态（土层深度大于10cm）,染色覆盖率在土层深度大于10cm的区域内呈线性骤降趋势;对比分析实测和模拟流态可知,本文提出的裂隙流双域渗透模型可有效预测土壤上边界入渗特征、基质流入渗深度和染色覆盖率随深度的变化,实测和模拟染色覆盖率极显著相关（P<0.01,R2为0.981）,裂隙流发育可分为供水强度控制、表层入渗能力/裂隙边壁层流控制、表层/裂隙边壁入渗能力控制3个阶段。基于该模型采用初始体积含水率（θi为0.20、0.25、0.30、0.35cm3/cm3）和灌水强度（R0为0.10、0.08、0.06、0.04、0.03、0.02cm/min）旋转设计,分析了初始及边界条件下优先流特征,模拟结果表明,增大灌水强度可使优先流指数增加而降低灌水均匀度,而当初始含水率升高时,优先流强度减弱且基质流深度增加。本文基于水量平衡原理模拟了裂隙流湿润锋推移过程,消除了传统双域渗透模型难以量化裂隙边壁糙率和层流厚度的缺点,丰富了膨缩性土壤裂隙优先流预测理论,可为农田水分管理和水肥渗漏淋失抑制提供依据。     

黄土台塬区不同时代黄土水分入渗特性和迁移规律的试验研究

为了探索黄土台塬地区不同时代黄土水分入渗特性和迁移规律，通过黄土台塬区不同时代黄土(Q₄,Q₃,Q₂)分层垂向一维积水入渗试验、自然降雨和地表入渗池800 mm入渗条件下的土壤水分迁移试验，分析了不同时代黄土的入渗特性和土壤水分迁移特征，并采用3种入渗模型对入渗过程进行拟合。结果表明：Q₂黄土入渗能力最弱，稳定入渗率为0.53 mm/min，较Q₄和Q₃黄土的稳定入渗率分别低44.2%和45.4%;Q₄黄土的入渗过程较好地符合Kostiakov模型，Q₃、Q₂黄土的入渗过程较好地符合Horton模型。研究区自然降雨和蒸发对土壤水分的最大影响深度约1.0 m，入渗后第4～83 d，入渗池中心土壤湿润锋从2.65 m运移到4.20 m，入渗池中心垂向入渗湿润锋深度随时间呈幂函数关系变化。     

影响山坡土壤入渗速率及路径的染色示踪研究

以姜湾流域和睦桥实验站为例,利用入渗及染色示踪实验,开展了山坡土壤水分运动路径及运动过程的研究。研究结果表明:在湿润山丘区,土壤中由根系、虫洞及砾石造成的快速流的通道广泛存在,土壤渗透性良好,远大于常规的降雨强度,从田间证明了其产流以蓄满产流方式为主。此外,染色示踪实验的结果显示,山坡表层(本区域70cm,即未达基岩不透水层深度)土壤入渗以垂向运动为主,少量侧向流主要由土壤大孔隙引发。     

农田裂隙优先流对灌水模式/初始墒情响应机制及其模拟研究

农田灌溉管理过程中优先流降低水肥利用效率,加剧地下水污染风险。基于碘化钾-淀粉染色示踪试验,分析了地面灌DM、微喷灌WP1(20 mm/h)、微喷灌WP2(40 mm/h)处理下的裂隙优先流特征,验证了基于水量平衡的双域渗透模型的有效性,并采用4组初始体积含水率（0.20、0.25、0.30、0.35 cm3/cm3）与5组灌水强度（12.0、24.0、36.0、48.0、60.0mm/h）旋转组合设计进行模拟应用分析。结果表明,WP1、WP2处理整体上水分以均匀的基质流形式入渗;DM处理下的土壤剖面染色区域在垂直方向上可明显划分为基质流区（0～6.9 cm）和优先流区（>6.9 cm）。此外,DM处理下的基质流深度、灌水均匀度显著（P<0.05）小于WP1、WP2处理,而其优先流指数及湿润锋弯曲度均极显著大于（P<0.01）WP1、WP2处理,这表明地面灌可以激活更多的优先流路径,增大优先流发育程度和空间异质性,降低灌水质量。基于水量平衡的双域渗透模型可有效预测不同灌水强度下的基质流深度和土壤剖面染色面积比变化趋势（R2≥0.927 6、NSE≥0.884 4、RS...     

干缩开裂黄褐土非饱和水平吸渗特征研究

通过室内水平吸渗试验,结合Matlab数字图像处理与形态学算法,在黄褐土土壤中添加秸秆模拟不同生长期作物根系密度,对干缩开裂黄褐土中的非饱和水平吸渗及湿润锋推移特征进行研究。结果表明:不同秸秆密度处理裂缝稳定形态面积密度和裂缝平均宽度差异显著(p0.05),当秸秆密度由0 cm/cm~3增加到1.5 cm/cm~3时裂缝面积密度和裂缝平均宽度分别减小为1.73%、0.071 cm,随着秸秆密度增大土壤稳定形态裂缝面积密度与裂缝平均宽度显著减小。秸秆添加间接影响入渗过程历时,但土壤最终累积入渗量无显著差异。裂缝的存在导致入渗率发生波动现象,且在入渗前中期尤为明显;未开裂土和开裂土累积入渗量随时间的变化关系均符合Kostiakov经验入渗模型,其经验参数与秸秆密度有关,拟合方程达到显著水平。引入湿润锋均匀系数对水平吸渗不均匀性进行评价,土壤裂缝面积密度及裂缝平均宽度越大入渗初期的水分不均匀性特征越明显,均匀系数随着时间推移逐渐减小;根据湿润锋推进速率随时间的变化特征,开裂黄褐土土壤的水平吸渗过程可以分为3个阶段,即初始裂隙流阶段、稳渗基质流阶段和吸渗末期阶段。     

不同地面处理下的降雨入渗规律研究

近年来,膜下滴灌等节水灌溉技术的实施提高了水分利用效率,但膜下滴灌的起垄和覆膜的处理在一定程度上改变了农田下垫面条件,降雨的入渗过程会受到一定影响。为了分析膜下滴灌的覆膜及起垄对降雨入渗过程的影响,试验选取下垫面处理、降雨强度、土壤初始含水量3个影响因素,进行了遮雨棚内的人工降雨测坑试验。试验数据分析结果表明:降雨强度对降雨入渗量及入渗深度影响最大;不同下垫面处理中,平整裸地的入渗量及入渗深度最大,起垄次之,覆膜及起垄最小。在一定的降雨强度范围内,垄沟的集雨作用随着雨强的增加而增加,沟内的入渗量增加显著;在起垄及覆膜起垄条件下,膜上水分由于膜的不透水作用和垄沟的集雨作用,分别是膜边和沟中的降雨入渗量最大。当雨强继续增加时,垄沟的集雨作用被削弱,但膜的汇流作用仍然存在,覆膜区域下方的土壤水分都是由膜边的土壤水分经过侧向运移达到,土壤水分的二维入渗过程十分显著。     

土壤膨胀性对降雨入渗产流影响试验

入渗产流是水循环的重要环节,膨胀性土会改变土壤水分运动参数,从而对降雨入渗产流过程产生影响。以具有膨胀性的黄绵土和娄土为研究对象,在室内模拟降雨条件下,研究了土壤膨胀性对4种厚度(分别为10、20、30、40cm)的土壤容重、累积入渗量、径流强度等土壤水分运动参数的影响,并采用Philip公式、Kostiakov公式和Horton公式对土壤水分运动特征曲线拟合。结果显示:各种厚度的膨胀性土壤受到膨胀力和重力双重作用均导致表层0~10 cm土壤平均干容重相对减小,10 cm以下深度土壤干容重随深度增加而相对增加。随着土壤厚度增大,黄棉土和娄土的土壤累积入渗量变小。径流强度随历时增加而增加,然后稳定,且因不同土层土壤颗粒稳定性不同影响波动幅度。Philip公式拟合效果不理想,Kostiakov公式只适用于土壤饱和段的拟合,而Horton公式考虑到膨胀土体积变化影响土壤饱和过程中土壤水入渗速率,适用于初始入渗至稳定入渗的过程。     

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。     

坡度和降雨强度对坡耕地入渗的影响

利用人工模拟降雨对黑龙江西部半干旱区坡耕地不同坡度和不同降雨强度下的土壤水分入渗规律进行了试验研究,采用产流历时和稳定入渗速率二项指标进行分析,发现随着地面坡度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐减小,坡面产流历时与坡度呈对数函数关系,土壤稳渗速率与坡度呈幂函数关系;随着降雨强度的增大,产流历时提前,稳定入渗速率逐渐增大;坡面产流历时与降雨强度呈指数函数关系,土壤稳定入渗速率与降雨强度也呈指数关系。     

降雨雨型对城市雨水系统内涝弹性的影响

为探究降雨雨型对城市雨水系统内涝弹性的影响,基于MIKE FLOOD平台,以济南市新旧动能转换起步区大桥分区为研究对象,对7种重现期、3种降雨历时和3种雨峰系数的设计降雨雨型进行内涝过程场景推演,并结合层次分析法,以积水量、积水面积和平均积水深度为基础量化系统内涝弹性。结果表明：积水量峰值、积水面积峰值均随重现期、降雨历时的增大而增大,平均积水深度波动较大;系统性能前后主要发生两次波动,分别由降雨强度变化和研究区大部分洼地深度较浅导致;随着重现期的增加,系统内涝弹性越小,单位雨峰系数引起的系统内涝弹性极值对应的降雨量差异越来越大,整体上,降雨雨峰越居中和降雨历时越大,系统内涝弹性越小。     

阻力形式对坡面流流速修正系数的影响

坡面流平均流速是建立坡面土壤侵蚀过程模型的基础参数,主要通过示踪法测定的水流表层流速乘以修正系数α获得,因此对α的合理取值是准确计算平均流速的关键。在收集和整理前人试验资料的基础上,利用室内水槽冲刷试验,研究了不同阻力形式(颗粒阻力、输沙阻力、植被阻力)对坡面流流速修正系数的影响。结果表明：坡面流流速修正系数随颗粒阻力、输沙阻力增加而减小,随植被阻力增加而增大,两者均可用幂函数表示;不同阻力形式主要通过改变坡面流流速分布影响流速修正系数,颗粒阻力和输沙阻力主要使流速梯度变大,而植被阻力主要使流速梯度变小。利用逐步回归分析给出了多种阻力形式作用下流速修正系数的预测公式,与实测值对比,吻合较好。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

基于人工降雨的土壤水分入渗研究

以半干旱区农田水循环为出发点,以西辽河半干旱区建平县为代表,通过人工模拟降雨及三因素三水平正交试验设计,对不同农田下垫面处理方式对降雨入渗的影响进行研究。为全面了解情况,共选取雨强(10、20、30mm/h)、土壤初始含水率(田间持水率的50%、60%、70%)及农田下垫面处理方式(平整裸地、起垄不覆膜、起垄覆膜)3个降雨入渗影响因素。结果表明:农田下垫面处理方式变化对降雨入渗的影响受控于降雨强度,雨强为最大降雨累积入渗量的首要影响因素,土壤初始含水率的影响较小。起垄覆膜对降雨入渗的影响主要体现为加快湿润锋推移,缩短入渗时间,减少降雨累积入渗量。