长武塬区涝池演变特征分析

[目的]基于黄土高原长武塬区涝池多年变化的调查数据,分析长武塬区涝池演变过程、特征与影响因素,以阐明其作为地表水体在补给地下水方面的可能作用。[方法]采用野外实地调查获取涝池数据。[结果](1)研究区域涝池数量和面积在调查时段内总体呈现缩小态势,其中20世纪80年代前变化相对平缓,其后缩小速率加快,2010—2014年涝池数量和面积年缩小速率均达到最大,分别为-5.71%和-4.80%。(2)随着经济社会的发展,涝池在农村中的地位愈来愈低,村落布局及管理上对涝池的忽视,导致大量涝池消失,而且现存涝池蓄水时段缩短,多为季节性蓄水。(3)研究区域涝池面积的缩小与地下水位下降有同样趋势,表现出一定的因果关系,这可以解释为涝池对地下水的补给量减少,可能影响到地下水位变化。[结论]在人类活动的影响下,长武塬区涝池减少严重,今后应予以一定程度的恢复与重建。     

应用时间序列模型分析长武塬区地下水水位的变化特征

针对长武塬区地下水资源贫乏的问题,运用时间序列分析理论对长武塬区地下水位动态变化进行了分析和横拟.采用多项式拟合计算水位动态的趋势分量,运用谐波分析提取周期项,利用自回归(AR)模型模拟随机分量,将得到的三个分量进行叠加建立预报模型.依据长武塬区三口监测井的月平均水位埋深资料,运用SAS提供的指数平滑模型建立地下水位动态模拟和预测模型,并对模型的模拟和预测精度进行分析.(1)时间序列分析法可以简易快捷地模拟预测研究区的地下水位变化,且计算简单,所需资料较少且易于获得,可作为一种简易快速的地下水位模拟预测模型;(2)所建立的时间序列模型需要及时更新资料以提高预测精度;(3)通过对周期项的分析可知研究区地下水位变化存在的主要周期为7.4～10 a,且周期逐年增长,揭示了地下水位的多年变化规律;(4)研究区地下水水位呈下降趋势,尤其近几年水位下降幅度增大,应加以控制.     

长武黄土高塬沟壑区降水及侵蚀性降雨特征

利用长武县气象局1957—2006年的日降水量资料,分析该地区降水的年内、年际变化、概率分布特征等。结果表明：该区降水量季节分布不均,主要集中在7—9月;降水量的年际变化幅度较大,多年变化呈明显的丰水、平水、枯水年交替发生现象;降水量的年际变化大于年降水时间的年际变化。对侵蚀性降雨研究发现,其主要发生在7、8月,以降雨量小于30 mm的降雨次数较多;降雨强度随降雨量增加而减小;同时,以短历时降雨为主,历时在30min以内的降雨次数较多,其他时段相对较少。     

深层干化黄土自然降雨入渗特征试验研究

为探讨自然降雨在黄土区干化土壤中的入渗性能,研究干化黄土的降雨入渗机制,在陕北米脂试验站,建立野外10 m大型土柱模拟枣林地深层干化土壤,利用CS650-CR1000土壤水分自动监测系统对2014-2019年的土壤水分状况进行了连续定位监测。结果表明:(1)日降雨量为33.6,35.6 mm的大雨(降雨强度分别为3.73,2.97 mm/h,降雨历时9.0,12.0 h)状况下,最大入渗深度为140,100 cm,累积入渗量达20.05,16.10 mm;日降雨量为19.0,16.8 mm的中雨(降雨强度分别为2.24,1.53 mm/h,降雨历时8.5,11.0 h)状况下,最大入渗深度为90,60 cm,累积入渗量达8.12,9.77 mm;日降雨量为9.6,8.8 mm的小雨(降雨强度分别为1.48,0.76 mm/h,降雨历时6.5,11.5 h)状况下,最大入渗深度为30,20 cm,累积入渗量仅为1.05,0.23 mm。(2)降雨入渗的湿润锋运移深度(Z_i)随时间(T)呈幂函数Z_i=aT^b增加。(3)雨水的入渗历时包括降雨历时、自降雨停止至入渗结束两个时段。6次降雨(33.6,35.6,19.0,16.8,9.6,8.8 mm)在降雨停止后时段内的入渗深度分别为100,60,70,40,30,20 cm,入渗量依次为9.86,10.78,2.09,8.42,1.05,0.23 mm。在总入渗历时内,6次降雨入渗补给系数分别为0.60,0.45,0.43,0.58,0.11,0.03。黄土区降雨入渗深度受降雨量、降雨强度、入渗历时影响较大,提高单次降雨的雨量有助于提升雨水入渗补给系数,促进干化土壤得到有效水分修复。     

不同栽培模式对长武塬区冬小麦干物质积累转运的影响

在大田栽培条件下,以不同的品种和氮肥等肥料的施入研究了5种栽培模式,即品种为长武134(T1)、长旱58+追氮肥75 kg/hm2(T2)、长旱58+追氮肥75 kg/hm2+有机肥4 500 kg/hm2(T3)、长旱58(T4)、长旱58+有机肥4 500 kg/hm2(T5),对黄土高原地区小麦干物质的积累、转运和分配的影响。结果表明:干物质量随灌浆的进行而呈增长趋势。T3花前干物质输出率及其对籽粒的贡献率比T4分别高8.54%、11.44%,差异达到显著水平。T4花后干物质转运对籽粒的贡献率最高,为80.85%。花后干物质对籽粒的贡献率显示T4最高,其值为80.85%,T1、T2、T5无显著差异,其值分别为77.97%、77.06%、77.65%。T3能促进灌浆期小麦干物质的积累并获得较高的产量。     

长武塬区大气降水中氢氧同位素特征分析

通过测定长武塬区2005年降水水样的氢氧同位素组成,分析了该区降水氢氧同位素组成的基本特征。结果表明,长武塬区大气降水线方程为δD=7.44δ~(18)O 1.69,其斜率和截距与全球以及我国大气降水线相比均偏小,这与研究区地理位置和气候条件有关;降水氘盈余d值4—6月份较大,大于或接近10,7—10月份则小于10;以天为时间单位采集的次降水,其氢氧同位素组成的温度效应和降水量效应均不显著,而连续2 d长历时降水的雨量效应极显著;降水氢氧同位素组成季节变化明显,春季降水的氢氧同位素值较高,夏季同位素值降低,秋季同位素值最小,这在以次降水量为权重的加权平均值中表现得更加明显。     

土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响

为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流-入流-出流法和双环入渗法测量比较,采用不同降雨强度（20、40和60mm／h）和3种土壤含水率（2．60％、10．4％和19．5％）进行试验比较。结果表明：土壤入渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增加而增加,稳定入渗率则随着含水率的增加而降低。同时,通过Kostiakov、Horton和Philip入渗模型对试验结果进行回归分析,径流-入流-出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Horton入渗模型回归结果优于其他人渗模型。     

降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响

高温季节土壤表层温度非常高,土壤内部含水率较低,突发性降雨对于土壤温度动态变化和水热交换运移影响极大。为了揭示降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响,该研究建立了反映降雨入渗过程的土壤热量运移数学模型,编制了有限元数值计算程序,针对南京雨花台区典型土壤,开展了降雨非饱和入渗对土壤热量运移影响的数值计算与分析研究。结果表明:不考虑降雨入渗情况下,土壤温度变化与热量运移主要是表层土壤与环境之间的热交换作用引起,热量运移影响深度约0.2 m;降雨强度45 mm/h作用下,随降雨历时增加,雨水全部自由入渗到土壤内部,土壤内部基质吸力呈线性递减趋势,湿润锋面逐渐下移,土壤体积含水率快速增加;湿润锋过后的土壤体积含水率逐渐接近于饱和体积含水率,土壤入渗能力逐渐下降,直至趋于饱和入渗率;在降雨非饱和入渗影响下,入渗到土壤孔隙中的低温雨水与土壤颗粒发生热量交换,进而改变了原有土壤温度场分布,并随着降雨入渗深度的持续增加,降雨入渗过程对土壤热量运移的影响呈现逐渐减弱趋势。经过现场实测数据与模拟计算结果验证,随着降雨历时增加,土壤体积含水率实测值和数值计算值相对误差保持在±3.99%以内,均方根误差RMS...     

黄土地区降雨的优势入渗深度

[目的]分析黄土地区降雨入渗深度,为研究黄土滑坡破坏机理提供依据。[方法]通过现场观测实验监测不同深度土体的含水量变化趋势,并基于颗粒离散元方法对降雨入渗过程进行数值计算。[结果]监测结果表明黄土地区降雨入渗深度不超过1.5m。进一步通过数值计算发现:优势通道入渗的深度和裂缝几何尺寸有关,裂缝越深、越宽,降雨入渗的深度越大,影响范围越广,且裂缝的几何形态随着降雨入渗过程的发展而发生变化。[结论]黄土降雨入渗分为非饱和入渗和优势通道入渗2种,非饱和入渗深度有限,优势通道入渗深度更大,易诱发大规模滑坡灾害。     

降雨入渗和产流问题研究的若干进展及评述

２０世纪以来,入渗与产流研究取得了长足进展,该文从入渗影响因素,人渗计算与分析,坡地产流,流域产流４个方面,着重介绍了国内外研究的若干成果和进展,并估了简要的评述。     

土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下，利用室内人工降雨试验，研究了土壤初始含水率对坡面降雨入渗、湿润锋运移及土壤水分再分布规律的影响。结果表明：初始含水率越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定入渗率的时间也越短；当初始含水率均匀分布时，降雨入渗和再分布过程中湿润锋面平行坡面垂直向下整体运移，坡面降雨入渗过程可以简化为一维；当初始含水率非均匀分布时，初始含水率越高，再分布过程中湿润锋的运移速率越大，但在降雨入渗过程中，湿润锋的运移速率与土体的湿润程度和范围有一定的关系；坡面上方来水(径流)虽然对湿润锋运移速率影响不大，但对入渗有一定的促进作用；再分布过程中，土壤水分有沿坡向下运移的趋势。     

室内模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分布试验

降雨入渗对城市绿化、防洪排涝、农业生产等方面有着重要的意义。采用室内模拟降雨,使用时域反射仪采集相关数据,从土壤含水率变化特征和湿润锋运移特点等方面,研究了在垂向一维条件下不同雨强降雨对水分入渗的影响,探讨在降雨条件下土壤水分的再分布情况,从而确定试验所用砂壤土保水性最优土层范围。结果表明：降雨结束后,土壤水分的再分布主要受土水势控制,随着时间的延长,蒸发作用逐渐占据主导地位;试验所用砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35 cm,可为植物的选栽提供参考。     

保水剂对土壤水分垂直入渗特征的影响

为了探明保水剂对土壤水分入渗性能及变化过程的影响,该文通过室内积水入渗试验,比较分析了保水剂作用下土壤水分的入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化。结果表明：保水剂对入渗率的影响具有稳定性和一致性。上层混施（0～10 cm）和层施（5 cm）保水剂会限制土壤水分向下运移,30 min后累积入渗量分别比对照显著减少了17.3%～36.6%和5.5%～46.6%;而且随着保水剂用量增加,抑制效应增大。相比较而言,这种减缓入渗的程度在保水剂层施,且用量为0.1%时更为明显。下层（10～20 cm）混施和层施（10 cm和15 cm）保水剂对土壤水分入渗的抑制是有限的,约比对照降低了4.9%～11.9%;但当保水剂层施量为0.1%时,土壤水分入渗反而会随着入渗进程而增加,累积入渗量可达到对照的1.1倍。层施保水剂后,保水剂层及保水剂下层土壤含水率会普遍增加1.1～1.9倍。     

基于Hydrus-2D分析农田覆膜对降雨入渗的影响

为探究覆膜处理对农田降雨入渗过程的影响,该研究建立Hydrus-2D降雨入渗模型,模拟不同下垫面条件下不同覆膜和降雨情况对降雨入渗的影响。设裸地平作、无垄覆膜、起垄覆膜3种下垫面,覆膜宽度、降雨量和降雨历时3个因素,每个因素4个水平,共设置144种方案,模拟各方案的降雨入渗过程,分析其土壤含水率空间分布、湿润锋运移、雨后入渗量和有效降雨系数变化。结果表明,无垄覆膜、起垄覆膜处理雨后的膜间表层土壤含水率与裸地平作相比分别增加5.8%和9.2%,膜间水分入渗深度分别增加10.67和12.45 cm,说明覆膜和起垄均能促进降雨入渗;与裸地平作相比覆膜和起垄覆膜能显著提高有效降雨系数,特别是小降雨量的有效降雨系数增加明显;不同覆膜宽度对有效降雨系数的影响达到了显著水平,膜宽70 cm时有效降雨系数最大。因此通过调整覆盖地膜的宽度和设置垄沟可增加降雨入渗量及水分入渗深度,提高降雨资源和农田水分利用效率,这对缓解干旱半干旱区的农业缺水紧张情势,丰富农田水分运移、不同下垫面降雨入渗等相关理论具有重要作用。     

紫色土坡耕地降雨入渗试验研究

在田间条件下,利用人工模拟降雨研究了坡度、降雨、耕作方式对紫色土坡耕地入渗过程的影响.试验结果表明:雨强对入渗过程有重要影响.当雨强在19.62～111..69 mm/h之间变化,稳定入渗率随雨强增加而增大.坡度对入渗的影响比较复杂.在5°～25°范围内,随坡度增加,稳定入渗率表现出升-降-升的变化趋势,在10°与20°分别存在极大值与极小值.中耕显著增加了水分入渗,特别在高强度降雨下,中耕使稳定入渗率增加1倍以上,入渗补给系数增大50%以上.入渗率随降雨历时增加而减小,二者关系可以用乘幂函数描述.累积入渗量可以用降雨历时的线性函数来表示.     

土柱入渗性能自动检测装置研制与试验

为实现室内竖直土柱入渗性能的自动检测,研制了一种土柱入渗性能自动检测装置。该装置主要由传感器位置调节装置、土样盛放装置、供水装置、检测和控制模块、电源模块和上位机显示存储模块组成,采用压力应变式传感器检测入渗过程的累积入渗量,采用介电常数土壤水分传感器检测土壤含水率的变化,进而推断湿润锋的运移位置。基于这2种传感器,实现土柱入渗过程自动检测。采用水头为10 mm,容重为1.15、1.20和1.25 g/cm~3的红壤土进行室内土柱入渗试验,检验该装置的性能。结果表明:1)9个试验和18个检测位置,土壤水分传感器进出土柱成功率为100%,表明该装置运行可靠;2)与烘干法相比,土壤水分传感器检测得到土壤含水率的最大相对误差为-4.4%,检测结果比较准确;3)与人工观测湿润锋位置相比,土壤水分传感器推算出的湿润锋位置最大相对误差为-12.9%,说明土壤水分传感器检测湿润锋的运移效果比较明显;4)压力应变式传感器检测累积入渗量与人工实测得到的数据对比,最大相对误差为2.27%。该装置可作为土柱入渗自动检测试验平台。     

负水头条件下的水平一维土壤吸渗特征

该文分析了不同负水头条件下土壤水分运动特征,并通过室内模拟试验研究了不同负水头条件下水平一维土壤的吸渗特征,根据Brooks-corey模型推求了描述负水头条件下土壤吸渗公式,并分析了各参量间的函数关系。分析了Philip吸渗公式在负水头条件下的适用性,并对所建立的公式进行检验。研究结果表明：上述理论关系可以很好描述负水头条件下水平一维土壤吸渗过程。     

土壤初始含水率对优先流的影响简

土壤中优先流的存在会造成肥料利用率降低以及土壤深层甚至地下水污染.为确定土壤初始含水率对优先流的影响,通过室内含大孔隙土柱定水头入渗实验,以长武黑垆土及渭河砂土为研究对象,分析不同土壤初始含水率对优先流的影响.结果表明：1）相同质地,当土壤初始含水率大于其斥水性的峰值含水率时,湿润锋运移深度随着土壤初始含水率的增大而增大,反之湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少,不同质地土壤湿润锋运移速度随土壤粉粒质量分数升高而减慢;2）累积入渗量受到土壤储水性及斥水性的双重影响,导致与湿润锋的运移趋势并不一致,黑垆土对照CK组及优先流O-C-30组（除7.04％含水率外）累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,渭河砂土CK组及O-C-30组均呈现2阶段特征,累积入渗量先随着土壤初始含水率的增加而减少,之后随土壤初始含水率的增加而增加;3）Kostiakov入渗模型能很好地拟合累积入渗量随时间的变化过程,适用于存在优先流的土壤入渗模拟.该研究结果对土壤优先流水分模拟具有一定的指导意义.