土壤水下渗解析解与数值解的比较研究

针对饱和—非饱和条件下土壤水的垂向下渗,分别用半经验计算公式和全物理基础的HYDRUS模型模拟了不同降雨情景下的土壤水渗漏量,对两种方法的计算结果进行了比较。结果表明,两种方法均能反映出土壤水渗漏率与降雨强度的相关性,降雨强度和降雨总量的增加引起土壤水渗漏总量的增加。在较小雨强条件下,公式计算土壤水渗漏总量稍大于HYDRUS模型计算,雨强较大时则相反。两种方法的计算结果在渗漏率峰值的出现时间和土层底部初始出流时间上存在差异。当土层厚度减小时,半经验解析式的计算精度有所提高,在使用该解析式时,建议对土壤层分层计算,可以提高计算精度。     

降雨入渗条件下厚包气带土壤水流通量的模拟与分析

降雨较少的半干旱半湿润地区大范围的厚包气带中土壤水运动的研究越来越受到关注,其中厚包气带对降雨补给浅层地下水特征的影响是重要的研究问题。探究厚包气带情形下降雨对浅层地下水的补给作用和机理可为分析人类干扰情况下水文循环规律的变化、合理地制定水资源开发利用规划提供理论依据。本文以北京市大兴区新凤河流域采育镇由GEOPROBE钻机获得的9.6m厚包气带土壤样品为研究对象,在室内详细测得土壤特性数据的基础上,运用HYSRUS-1D软件模拟55a降雨入渗条件下的一维土壤水流动态过程,分析土壤水流通量的时空变异特征,探讨用较浅层位(2m深度附近)的土壤水流通量来估算深层土壤水渗漏量的可行性,旨在为野外裸地厚包气带条件下评价降雨入渗对浅层地下水的补给提供简捷实用的方法。研究结果表明:该地区多年自然降雨条件下的平均土壤水分深层渗漏量为131.03mm,多年平均降雨入渗补给系数约为0.21。其中,平水年对应的平均降雨入渗补给系数约为0.18。当模拟时段达到55年时,土壤剖面2m以下的入渗通量几乎不随深度变化而变化。这一实际案例的研究结果对该区域宏观水资源管理和评价具有一定的参考价值。     

黄土坡面细沟径流过程试验

 采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对同坡度不同降雨强度及同降雨强度不同坡度条件下的黄土坡面细沟径流过程进行模拟试验研究,结果表明:1)不同降雨强度下,细沟径流率随径流过程的变化在3个大降雨强度下为先逐步增大随后转为稳定的变化过程,2个小降雨强度下变化较平缓,稍有后期大于前期的趋势,皆可用幂函数方程描述;2)不同坡度下,细沟径流率随径流过程的变化表现为随径流历时的增长而递增,15min以后接近于稳定,变化过程一致,可用幂函数方程很好地描述;3)不同坡度下细沟径流率随径流过程的变化与不同降雨强度下总体上具有相似性,都随径流历时增长呈先增大后趋于稳定或稍有后期大于前期的变化趋势,但细沟径流率随径流过程的增加速率在不同坡度下比不同降雨强度下大;4)同坡度下,细沟径流深随降雨强度增大而增大,可用对数方程很好地描述;同降雨强度下,细沟径流深随坡度增大相应增加,可用对数方程很好地描述;细沟径流深随降雨强度及坡度的变化可用二元对数方程很好地描述。     

岔巴沟流域汛期径流模拟及地表产流特征分析

气候变化是影响流域水文循环过程的重要驱动因素,近年来,气候变化导致极端降雨—径流事件的频繁发生对人类社会经济发展构成了严重的威胁。因此,迫切需要开展流域水文模拟和产流特征分析。土壤和水评估工具(SWAT)是一种具有物理机制的分布式水文模型,已被广泛用于评价变化环境下的水文过程。以黄土高原岔巴沟流域为研究区,通过利用与黄土高原地区产流模式更为接近的Green-Ampt下渗法驱动SWAT模型模拟了岔巴沟流域日尺度的水文过程,并以水文响应单元为分析对象,结合4个降雨—径流事件的地表产流量和地表径流系数分析了降雨强度和前期土壤含水量对不同土地覆被产流特征的影响。结果表明：(1)基于Green-Ampt下渗法驱动的SWAT模型率定期和验证期E_NS为0.76,0.74,R²为0.78,0.75,模型能够较好地模拟日尺度流域水文过程;(2)流域不同土地覆被下地表径流系数随最大雨强的增加呈显著上升趋势,且最大降雨强度大于16 mm/h后地表径流系数显著增加,当土地覆被为耕地时降雨转化为地表径流的比例最大,其次为草地和林地;(3)前期土壤含水量的大小可以揭示大...     

人工模拟降雨条件下花岗岩红壤坡面侵蚀过程与特征分析简

通过室内人工模拟降雨试验,研究降雨强度、坡度及地表覆盖3因素对花岗岩红壤坡面侵蚀过程的影响.结果表明：1）起始产流时间随降雨强度和坡度的增加而有所提前,而地表覆盖能延缓起始产流时间;2）在不同降雨强度和坡度条件下,径流率从产流初期开始都快速增加,7 ～ 10 min后达到稳定,且随着降雨强度和坡度增加,径流率也显著增加;3）随着降雨强度的增大,产沙率明显增大,且降雨强度越大,坡度对产沙率的影响越明显;4）降雨强度和径流总量、产沙总量之间相关性极显著,其相关系数分别为0.892和0.799;5）地表覆盖具有良好的减沙作用,其减沙效益超过90％.     

沂蒙山区坡面侵蚀过程

通过组合不同降雨强度、坡度的室内模拟降雨试验,研究沂蒙山区坡面侵蚀过程。结果表明：坡面产流时间随降雨强度、坡度的增加而提前,降雨强度对产流时间的影响较大;径流速度与降雨强度、坡度正相关,降雨强度对径流速度的影响相对坡度较弱,褐土表面径流速度大于棕壤;坡面径流量随降雨强度增大而增大,随坡度的增大而减少;土壤侵蚀率与总侵蚀量皆随降雨强度、坡度的增大而增大,但波动规律不同,细沟侵蚀使土壤侵蚀率急剧增加。对于棕壤,小降雨强度时,坡度是影响侵蚀率的主导因子,大降雨强度时,主导作用被降雨强度替代;对于褐土,侵蚀率的大小主要受控于降雨强度。在相同试验条件下,棕壤的侵蚀率、总侵蚀量要大于褐土,说明棕壤抗侵蚀能力小于褐土。     

水文条件对紫色土坡面土壤侵蚀及养分流失的影响

采用人工模拟降雨试验,研究水文条件对紫色土坡面土壤侵蚀及氮和磷养分流失的影响。试验处理包括2个施肥水平（低肥和高肥水平）,4个水文条件（自由下渗、土壤水分饱和、壤中流、壤中流＋降雨）和一个降雨强度（60 mm/h,历时60 min）。结果表明：壤中流＋降雨和土壤水分饱和条件下的土壤侵蚀量分别是自由下渗条件下的3.1和1.7倍,同自由下渗相比,壤中流、壤中流＋降雨和土壤水分饱和条件下,地表径流中NO3-N、HPO4-P的浓度和流失量有显著增加;低肥水平条件下,自由下渗、土壤水分饱和、壤中流和壤中流＋降雨地表径流中,NO3-N的浓度分别是0.88、58.90、698.41和87.80 mg/L,对应水文条件下地表径流中,HPO4-P的浓度分别是0.252、0.322、0.811和0.383 mg/L,高肥水平条件下,径流中的NO3-N和HPO4-P的浓度也有相同的趋势;土壤水分饱和条件下,地表径流中NO3-N和HPO4-P的流失量分别是自由下渗条件下的27～39和1.3倍,壤中流＋降雨条件下,地表径流中NO3-N和HPO4-P的流失量分别是自由下渗条件下的100～114和1.5～1.7倍,同时,壤中流＋降雨和土壤水分饱和条件下,泥沙中NO3-N和HPO4-P的流失量也比自由下渗条件下显著增加。     

红壤坡面降雨入渗及产流产沙特征试验研究

采用室内模拟降雨研究了不同降雨强度和坡度对红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响.结果表明:产流时间随降雨强度和坡度的增大而提前.对于入渗率较低的红壤坡面,径流强度主要受坡面承雨强度的影响,径流强度随雨强增大而增大,随坡度增大而减小.坡面入渗率随降雨强度的增大表现为先增大后减小.降雨强度增大能够增加水分入渗,但这种促进作用仅在一定的降雨强度范围内起作用.坡面入渗率随坡度增大表现为先增大后减小.20°左右存在一个坡面入渗率变化的临界坡度.坡面细沟侵蚀发展状况对稳定坡面入渗率有比较大的影响.径流率和入渗率与降雨历时的关系分别可以用幂函数和对数函数描述.在75,100 mm/h降雨强度下,产沙量随坡度的增大而增大,而50 mm/h降雨强度下,产沙量在20°时达到最大值而后出现下降,在20°附近存在一个侵蚀产沙量变化的临界坡度.     

模拟降雨入渗对岷江流域红壤坡面产流产沙的影响

采用室内模拟降雨研究了不同降雨强度和坡度对岷江流域红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响。结果表明:在不同降雨强度下,随坡度的增加,初始产流时间趋于提前;随降雨强度的增大,产流时间提前,降雨强度对初始产沙时间的影响大于坡度变化的影响。在同一坡度条件下,径流强度随降雨强度的增加而增加,平均入渗率随降雨强度的增加表现为先增大后减小的趋势。50mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后20min开始趋于稳定;75mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后15min开始趋于稳定;100mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后10 min开始趋于稳定,径流强度和平均入渗率趋于稳定的时间均随雨强的增大而明显提前,各个时刻的径流强度和入渗率的稳定值在降雨过程中并不稳定,表现为随降雨强度和坡度的增大,波动愈剧烈。坡面产沙量随坡度和降雨强度的增大而增大,当坡度由5°增大到10°时,产沙量急剧增加;当坡度由10°增加到30°时,产沙量增速趋缓,侵蚀产沙量没有出现临界坡度。坡面产流强度和入渗率随时间的变化关系分别服从幂函数和对数函数规律,不同降雨强度下的径流深和产沙量也呈现出显著的正线性关系。     

坡度与降雨强度对植物路路面侵蚀动力参数的影响

通过人工模拟降雨试验,研究了不同坡度和降雨强度条件下植物路的水沙响应过程及机制.结果表明:植物路和裸露路面的径流水力学参数流速、径流深、雷诺数、弗劳德数和过水断面单位能量均随坡度和降雨强度的增大而增大;而Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数则随坡度的增大而增大,随降雨强度的增大而减小.在相同坡度和降雨强度条件下,植物路路面径流的流速、雷诺数、弗劳德数和过水断面单位能量比裸露路小,而径流深、Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数均比裸露路大.在不同坡度和降雨强度条件下,植物路径流量与径流时间均符合双曲线移轴模型关系,而输沙率与径流时间符合三阶对数关系.植物路减沙效益明显大于减水效益,并且减水和减沙效益均随着坡度和降雨强度的增大而减小,因此在建设植物路时应同时考虑坡度和当地降雨强度的影响.