黄土区不同下垫面农田降雨入渗及产流关系的数值模拟

在野外试验的基础上，建立了二维农田降雨入渗及产流关系的数学模型，并用中国科学院长武县王东沟农业生态站不同下垫面径流小区实测土壤含水率及产流资料对该模型进行验证。结果显示：该模型对降雨过程中土壤入渗、产流以及雨后蒸发条件下土壤水分的模拟都有很高的精度，可以用于黄土区降雨入渗及产流关系的模拟。     

昆明市城市绿地蓄水滞洪效益研究

城市绿地的蓄水滞洪效益是城市绿地水土保持效益的重要方面。以昆明市建成区城市绿地为研究对象,分析其蓄水滞洪效益,结果表明:绿地表层土壤总孔隙度较大,然而土壤稳渗率普遍较小,尤其是人工绿地,平均值只有0.242mm/min;在一年一遇1 h降雨(36 mm)条件下,除了自然绿地外,人工绿地均有径流产生,人工绿地平均蓄渗率只有15.10%;当前期非毛管孔隙没有水分滞存时,绿地的暂时滞洪效益非常显著,12.35 cm土壤即可蓄存全部降水;土壤稳渗情况下,绿化区平均下凹3.73 cm即可额外蓄渗非绿化区50%的径流;若要绿化区不产流,则绿地平均入渗率至少要达到0.6 mm/min或下凹2.1 cm。从降水特点分析,昆明市城市绿地目前滞洪效益较低,需要提高土壤入渗性能或建下凹式绿地。     

流域坡面综合产流数学模型的研究

从流域坡面产流机制出发,依据Horton入渗曲线,建立起一个可适用于不同流域的综合产流模型,模型以降雨强度和土壤蓄水量为控制条件,同时兼顾超渗产流和蓄满产流,适应下垫面条件较为均一的流域或单元区域在不同条件下的产流计算。     

典型泥石流小流域降雨和土地利用对坡面侵蚀的影响

[目的]揭示泥石流小流域降雨和土地利用对流域内坡面侵蚀的影响和作用,为泥石流的生态治理提供科学依据。[方法]以白龙江流域一级支沟——甘家沟泥石流小流域为研究区,基于该流域已建的5个径流小区(裸地、坡耕地、草地、土坎梯田、经济林地)连续5年的观测资料,利用K-均值聚类法,选择降雨量(P)、降雨历时(D)和最大30 min降雨强度(I₃₀)3个降雨指标,将该流域46次侵蚀性降雨事件划分为3类雨型(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型),以平均径流系数和平均土壤流失量为主要指标,定量化分析了不同降雨雨型和土地利用类型对坡面产流产沙的影响和作用。[结果]径流和土壤流失对降雨的响应存在差异,平均径流系数为Ⅰ型降雨最高,其次为Ⅲ型和Ⅱ型降雨;土壤流失量为Ⅱ型降雨>Ⅰ型降雨>Ⅲ型降雨。最大30 min降雨强度与5种土地利用类型的径流系数和土壤流失量的正相关性最高,其次为降雨量、降雨历时。5种土地利用类型的平均径流系数为裸地>经济林地>坡耕地>草地>土坎梯田,土壤流失量为裸地>坡耕地>经济林地>草地>土坎梯田。降雨和土地利用相互作用下,径流...     

不同降雨量及雨强条件下兰州南山人工侧柏林土壤水分入渗规律

[目的]降雨是干旱半干旱地区土壤水分的主要来源,将野外观测和模型模拟相结合研究降雨入渗规律,可以更系统地掌握土壤水分亏缺状况。[方法]通过定点观测,应用Hydrus-1d模型对兰州南山人工侧柏林土壤水分动态变化进行模拟,评估模型在干旱区的适用性,分析不同降雨条件下土壤水分响应状况和入渗机制。[结果] Hydrus-1d模型在兰州南山人工侧柏林有较好的适用性,且深层模拟效果更优。降雨量<30 mm时,10 cm处土壤含水量对降雨响应最为强烈,30,50 cm处受降雨影响相对较小且有明显的滞后,70 cm以下没有响应;降雨量>8.2 mm时存在湿润峰。模拟期内,最大入渗深度为70 cm,最大入渗量为23.7 mm,入渗深度随时间增加而入渗量和入渗速率却随时间延长而减小。降雨量与入渗量、入渗深度和入渗速率呈显著正相关(p<0.05)。降雨量<20 mm时,降雨强度对入渗量、入渗深度和入渗速率存在显著影响。[结论]使用Hydrus-1d模型可以较好地模拟兰州南山人工侧柏林土壤水分动态变化并计算入渗量、入渗速率和入渗深度,且分析发现降雨量对该地土壤水入渗过程的影响更显著。     

野外模拟降雨条件下坡面降雨入渗、产流试验研究

利用野外模拟降雨试验,研究了植被类型、降雨强度、地表结皮、覆盖杂草等对荒草地和裸地降雨入渗、产流的影响。结果表明:裸地因降雨易产生地表结皮,产流时间主要取决于降雨强度,两者的关系可用幂函数描述,达显著水平;荒草地由于植被覆盖度较高,产流时间主要取决于土壤初始含水量,两者的关系可用线性公式描述,达极显著水平;与裸地相比,荒草地能延缓产流,并有效拦蓄径流;裸地形成地表结皮后,产流提前,平均入渗率降低,但坡面覆盖杂草(尤其是坡中下部覆盖杂草)能有效拦蓄径流、延缓产流、增加入渗,并促进土壤水分向深层的运移,而雨后采用抑制蒸发的措施能起到类似的效果     

华北平原中部典型区包气带水分时空动态变化特征

[目的]研究包气带水分时空动态变化特征,为"四水转化"系统动态循环研究提供依据。[方法]利用土壤水分运动学中势能的观点,研究包气带水分、包气带水势随时间和深度的变化特征。[结果]季节不同,土壤水势整体分布差异明显。6—8月土壤水势最高,局部地段甚至达到饱和,12月至翌年3月土壤水势最低。地面0—50cm深度土壤含水量受季节影响非常大,土壤水势激烈变化;50cm深度以下土壤含水量基本不受季节交替影响,50—140cm土壤水势相对稳定;140cm以下只受重力势作用。[结论]降雨、灌溉、蒸发、地下水埋深等因素均能引起土壤剖面土壤水势分布发生变化,从而实现入渗型、蒸发型、蒸发—入渗型、下渗—上渗型、下渗—上渗—入渗型等土壤水分运动状态的相互转化。     

极端暴雨条件下黄土丘陵沟壑区土壤蓄水能力和入渗规律

黄土高原退耕还林还草工程实施后,下垫面环境条件的变化可能对流域水文过程、水文通量、水量平衡以及生态系统产生十分重要的影响。研究极端暴雨条件下剖面土壤蓄水能力和入渗规律,对于阐明流域产汇流过程和影响机制具有重要的科学价值。采用土壤墒情仪对陕北"7·26"特大暴雨事件下黄土丘陵沟壑区草地剖面土壤水分进行了实时动态监测,分析了极端暴雨条件下剖面土壤水分的动态变化和蓄水过程,利用Horton入渗模型模拟了剖面土壤水分湿润锋的运动过程,揭示了极端暴雨条件下剖面土壤水分的入渗规律。结果表明:(1)极端暴雨条件下,黄土丘陵沟壑区坡面草地不同深度层次土壤水分与降雨过程的响应不同,具有层次性和明显的滞后效应,其中,0～140 cm是影响该地区土壤水文过程的关键层次;(2)土壤水分再分配结束时,湿润锋最深深度达140 cm,土壤蓄水量达225.99 mm,较降雨前95.37 mm增加了1.37倍;(3)极端暴雨过程中湿润锋的运动随时间呈对数递减关系,其稳渗速率随容重增加而减小,呈指数函数递减;(4)极端降雨过程中该地区坡面草地的产流机制仍以超渗产流为主,对于揭示流域的产汇流机制和完善水文预报模型具有重要的科学意义。     

Jag S对黄土坡面降雨入渗的调控效应

[目的]Jag S是一种新型可用于调控水土流失的高分子化学材料,揭示Jag S对降雨入渗的化学调控效应,为黄土坡面水土流失治理提供科学依据。[方法]采用人工模拟降雨试验研究Jag S对黄土坡面入渗调控效应。[结果](1)撒施Jag S坡面入渗率随降雨过程的变化趋势与裸坡相似,起初皆随降雨历时的延长先快速减小,随后趋于稳定状态;(2)撒施Jag S的坡面和裸坡相比,初始产流的时间提前,入渗率减小速率较大,达到稳渗阶段所用的时间少,且前期入渗率小于裸坡坡面前期入渗率,但稳渗率大于裸坡;(3)撒施Jag S坡面的入渗量明显高于裸坡的入渗量,在各个剂量下,入渗量均随坡度的增加而减小,随雨强的增加而呈现递增变化趋势。[结论]因此撒施Jag S可有效增加土壤入渗和强化入渗效应。强化入渗效应的Jag S剂量顺序依次为:1g/m23g/m25g/m2。     

红壤坡地降雨入渗、产流及土壤水分分配规律研究

选取农作区和荒草区两个不同利用模式下的红壤坡地，研究了降雨的入渗、产流及对土壤水分分布的影响。结果表明：（1）农作区和荒草区的径流系数都随着年限的延长而降低并达到稳定。降雨量成为影响径流量的唯一主导因素；农作区的径流系数显著高于荒草区（r〈0．05）。（2）农作区的入渗比率（入渗量／降雨量）低于荒草区；在持续降雨的情况下。农作区60cm以上土壤蓄水增量降低，但渗漏量保持不变．因此使入渗比率降低，而荒草区则在60cm以上土壤蓄水增量降低时，通过提高土壤的渗漏量保持较高的入渗比率。（3）降雨对土壤水分分布的影响受土壤初始含水量和垫面的影响。土壤初始含水量越低，降雨使土壤水分含量增量越大。在同等降雨置下，农作区只有40cm以上的土壤水分含量增加，而荒草区则为90cm以上。     

基于梯田信息的地形湿度指数表达研究

[目的]研究基于梯田DEM的地形湿度指数,为深化黄土高原地区土壤水分的研究提供依据。[方法]以黄土高原地区梯田为研究对象,选择5mDEM、基于真实田坎方法构建的1m梯田DEM和基于激光点云数据构建的高精度1 m DEM数据分别对研究样区的地形湿度指数进行表达并作对比分析。[结果]3种不同梯田DEM数据对地形湿度指数的表达有显著差异。(1)5m DEM数据仅能表现出地形湿度指数的宏观分布特征,不具备梯田地形特征信息;(2)基于真实田坎方法构建的1m梯田DEM能较准确细致地实现对梯田样区地形湿度指数的表达,梯田田面和田坎特征分布明显。但与高精度1 m DEM相比,在单个田面和田坎内部地形湿度指数定量表达有所偏差。[结论]基于真实田坎方法构建出的梯田DEM可以更加准确地表达出梯田区域的地形湿度指数分布特征,但与真实地形相比,在田面和田坎内部的表达上仍然有所偏差,其构建方法需要进一步改进。     

黄土丘陵沟壑区梯田暴雨侵蚀状况及规律分析

针对2013年延安百年不遇暴雨造成的黄土丘陵沟壑区梯田侵蚀灾害严重、水土资源利用率低等问题。选取安塞县马家沟流域曹新庄梯田作为典型研究对象,在进行野外监测的基础上,分析了梯田在百年不遇暴雨条件下的梯级侵蚀灾害发生规律。结果表明:按高程最上级梯田侵蚀轻微,依次往下梯田侵蚀面积所占百分比逐渐增大并且增加明显,上部梯田主要以面蚀为主,仅发生轻微沟蚀,下部梯田面蚀、沟蚀都比较严重。梯田侵蚀量与梯田汇水面积、地表径流量等条件有关,影响梯田侵蚀灾害发生的主要因素是地表径流量。该区2013年6—9月延安百年不遇暴雨梯田平均侵蚀模数为20 659.7 t/hm²,超过该区平均年侵蚀模数的47.6%,6—9月月降雨量侵蚀的临界值为118.8 mm。布置水沙调控措施层层拦蓄径流是保证梯田安全的重要措施。     

等高反坡阶对坡耕地土壤碳库的影响

[目的]研究坡耕地等高反坡阶措施的蓄水保土和固碳减排效应,为改善云南山区红壤坡耕地土壤侵蚀状况提供科学依据。[方法]自然降雨条件下,通过松花坝迤者小流域1a的野外径流小区定位观测,对有、无等高反坡阶措施条件下的坡面产流产沙和土壤有机碳流失进行对比分析。[结果](1)泥沙作为土壤有机碳流失的重要载体,因其流失所致的流失量占总有机碳流失量的85%以上,最高达95.38%;(2)等高反坡阶具有显著的蓄水减流和保土减沙效应,其减流率在5.56%~53.91%,减沙率在18.84%~83.11%,产沙调控作用更优;(3)雨季前后,原状坡面小区土壤碳储量减少率达9.90%,明显高于等高反坡阶小区土壤碳储量的减少率3.99%;(4)通过相关分析发现,2个小区土壤有机碳的流失率与降雨量均未达到显著相关,但与降雨侵蚀力显著相关(p0.05)。径流、泥沙与2个小区有机碳的流失率均达到了显著正相关(p0.05)。[结论]等高反坡阶通过改变地表微地形,减少了坡耕地有机碳的输出。     

台田措施下坡面流土壤侵蚀水动力学特征

通过野外径流小区放水试验,研究2种台田类型(土坎,石坎)、3种台田级数(1,2,3级)、1种坡度(10°)、3种放水流量(0.5,1,1.5m~3/h)下坡面流土壤侵蚀过程,分析台田措施下坡面流土壤侵蚀水动力学特征。结果表明,台田级数对坡面流流态影响较大,增加台田级数可使坡面流波动性降低,台田类型对雷诺数影响相对较小。土壤分离速率总体随流量增大而增大,相同流量条件下,呈波动性增加后减少且逐渐趋于平稳的特征,两者相关关系用指数函数回归方程拟合(R20.840)。同类台田且田面宽度和相同条件下,土壤分离速率与台田级数呈负相关关系,阻力系数与流量呈负相关关系,坡面流土壤分离速率与阻力系数呈负相关关系。研究结果对认识坡面流土壤侵蚀的过程和规律具有重要意义,也为坡面侵蚀物理模型的建立提供参考。     

黄土高原泾河流域梯田对河道径流及生态基流影响

[目的]定量分析泾河流域梯田建设对河道径流、生态基流的影响程度,为流域梯田建设提供一定理论支撑。[方法]采用合作开发的嵌入梯田模块的SWAT(soil and water assessment tool)模型模拟河道径流量。[结果]嵌入梯田模块的SWAT模型在模拟河道径流时可满足模型模拟精度的要求;随着梯田面积增加,河道年径流量减少,生态基流保障程度提高,年、月生态基流不满足天数降低;梯田的年平均减流量为4.25×104 m3/(km2·a);梯田具有蓄洪补枯作用,且对丰水期的调控效果高于枯水期,对河道生态基流的影响为:枯水期平水期丰水期。[结论]嵌入梯田模块的SWAT模型在该流域具有较好的适用性,提高流域内梯田面积是滞洪补枯的有效手段之一,在一定程度上保障了河道生态基流。     

垄沟集雨对紫花苜蓿草地土壤水分、容重和孔隙度的影响

在旱作条件下, 将垄沟集雨措施应用于紫花苜蓿种植, 研究沟垄宽比和覆膜方式对2年龄紫花苜蓿草地土壤水分状况、土壤容重及孔隙度的影响。结果表明: 全越冬期, 膜垄和土垄处理0~120 cm土壤水分平均散失量分别低于CK(平作)28.43 mm和13.61 mm。膜垄处理整个集雨期的蓄墒增加率为59.03%~99.27%, 产流效率为53.43%~91.72%; 2009年集雨前期(4月上旬~6月上旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率分别为1.92%~2.74%和1.71%~2.55%, 2009年集雨中后期(6月中旬~9月下旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率较集雨前期显著升高, 分别为8.85%~36.77%和8.01%~35.82%; 膜垄和土垄处理的蓄墒增加率、产流效率均随垄面宽度增加而显著增加, 且膜垄的蓄墒增加率、产流效率显著高于土垄处理。垄沟集雨种植能够显著降低0~40 cm土壤层容重, 且0~20 cm土壤层容重降幅表现为膜垄大于土垄。垄沟集雨种植也能够显著增加0~40 cm土壤层孔隙度, 且0~20 cm土壤层孔隙度增幅表现为膜垄大于土垄。     

极端暴雨条件下黄土高原水平梯田损毁情况调查分析——以岔巴沟流域“7·26”特大暴雨为例

2017年7月25日20时至26日8时,陕西榆林市11个县区遭遇特大暴雨侵袭,我们于当年10月对位于暴雨中心的岔巴沟流域的梯田损毁情况进行了专项调查。首先通过室内Google Earth近实时影像结合GIS绘图在流域内确定梯田位置和数量,根据修建时间、利用和植被类型将这些梯田分类。在流域内空间分布均匀地选择不同类型典型梯田并进行野外实地测量,统计各类型梯田的损毁情况、损毁形式并估算各类型梯田的土壤侵蚀模数及其流域平均侵蚀模数。结果表明:岔巴沟流域梯田以≤ 4 hm²规模为主,梯田数量上占91.4%,面积上占了50.7%。暴雨造成梯田的损毁形式以田埂表层结皮脱落、田埂滑塌崩塌、田埂冲毁、田面陷穴穿洞为主,有人为干扰时会产生更加剧烈的后果。暴雨造成的梯田损毁侵蚀坑大部分为深度0~0.5 m的侵蚀。老梯田农地、老梯田乔木和老梯田草地侵蚀坑发生频率远远多于新机修梯田,保持在20~36处/100 m。新机修梯田的侵蚀测坑发生频次少,为5处/100 m,但深度可达4.8 m,后果严重。不同类型梯田损毁产生侵蚀模数差异较大,老梯田农地、老梯田草地和老梯田乔木的侵蚀模数为34 000~37 000 t/km²,新机修梯田为19 404.3 t/km²,老梯田灌木侵蚀模数最低,为5 958.4 t/km²。流域内梯田平均侵蚀模数为30 733.4 t/km²。通过本次调查,掌握不同类型梯田在极端暴雨条件下的损毁情况,为黄土高原梯田保护及修复提供数据支持。     

基于SWAT和PLUS模型的窟野河流域径流对土地利用变化的响应及预测

[目的]为揭示窟野河流域径流对土地利用变化的响应,并预测未来径流变化。[方法]以窟野河流域为研究区,基于SWAT和PLUS模型,通过2000年、2005年、2010年、2015年、2020年和预测得到的自然发展情景下2025年、2030年7期土地利用数据,定量分析径流在不同土地利用情景下的变化。[结果](1)SWAT模型率定期和验证期的R²和NS均>0.7;PLUS模型总体精度为0.877 4,Kappa系数为0.802 1,2个模型在窟野河流域适用性较好;(2)2000—2020年,窟野河流域林地、建设用地面积分别增加102.92,600.90 km²,耕地、草地、水域和未利用地分别减少277.15,366.25,40.44,19.98 km²;(3)窟野河流域年平均径流深整体呈现“上游低,下游高,西部低,东部高”的空间分布格局;(4)在保证其他输入数据不变的情况下,改变土地利用数据,情景分析结果表明,林地、草地面积减少会促进径流,建设用地面积增加同样会促进径流;(5)自然发展情景下,2025年和2030年窟野河...     

台风“利奇马”暴雨引发的土壤侵蚀调查研究——以山东省临朐县为例

[目的]实地调查极端降雨事件下的土壤侵蚀特征,探寻水土流失治理中存在的问题,为人类应对极端天气灾害提供科学依据。[方法]以受2019年8月9号台风"利奇马"暴雨影响较大的山东省临朐县为调查区域,采用资料分析与野外调查相结合的方法,分析曾家沟、耿家沟典型小流域的坡面侵蚀、道路侵蚀及弥河上游各级河道的冲淤情况。[结果]"利奇马"台风过境期间,暴雨中心的雨量站降雨量达到50 a一遇标准;林草地、撂荒地基本无细沟侵蚀发生,坡耕地细沟侵蚀模数为4 560～19 500 t/km~2,梯田田面上细沟集中于承接上方汇水的位置;受植被保护或石坎梯田的田坎完好,而其他类型田坎滑塌严重。调查样地滑塌侵蚀模数301～36 321 t/km~2,田坎滑塌最为严重;河岸尤其是弯顶处冲刷严重,河道回流区、两河交汇处、拦河坝以及桥梁上游等淤积量较大。[结论]小流域的水土保持措施可减少暴雨造成的土壤侵蚀量。建议针对不同部位和利用类型的土地设计修建适宜的蓄排水和保土措施,并加强对农民的水土保持型农艺培训,提升极端暴雨下的水土流失防灾减灾能力。