蔡家川流域降雨-径流关系及水量平衡分析

以晋西黄土区蔡家川流域为研究对象,利用该流域2004—2009年的降雨径流实测数据,采用多重比较和回归分析等统计方法,对降雨—径流关系及水量平衡进行了研究。结果表明,流域年耗水量占年降雨量的比例高达90%以上,是水循环过程中的重要支出项;流域年径流系数只有1.60%～2.66%;场降雨条件下径流量和洪峰流量随雨量P和最大60min雨强I60的量级具有明显的跳跃式变化,当P≥30mm时,径流量、洪峰流量分别是0～10mm雨量级的8.31,6.52倍,当I60≥20mm/h时,径流量、洪峰流量分别是0～10mm/h雨强级的3.35,16.87倍;对不同雨型下径流量、洪峰流量与降雨指标进行多元回归分析后得出,短历时高雨强的A型雨下雨强对洪峰流量的贡献率(47.12%)大于历时较长且雨强较大的B型雨(44.62%)和长历时低雨强的C型雨(32.51%),C型雨下雨量对径流量的贡献率(28.5%)大于A型雨(26.69%)和B型雨(3.15%)。     

坡面喷施高分子化合物集流效率的试验研究

基于西北地区黄土高原水土流失严重、地形复杂、外源材料运输困难的实际情况,提出坡面喷施高分子聚合物——土壤固化剂、沥青乳剂、有机硅树脂,以期提高其集流效率。通过室外人工降雨模拟试验,分析了坡面经3种材料处理后,在不同浓度,不同雨强下对产流时间、集流效率、土壤侵蚀量的影响。结果表明:3种材料处理的产流时间较对照提早1/3倍;集流效率平均为72.0%,连续降雨条件下为85%以上;土壤侵蚀量明显较对照降低;3种材料的集流效果顺序为:土壤固化剂>有机硅树脂>沥青乳剂。本研究对西北地区发展新型集雨材料及雨水集蓄利用新形式具有一定指导意义。     

晋西黄土残塬区人工集流场形式优化设计

在黄土残塬地区,旱井作为解决当地农业用水的一种有效途径,已被越来越多的人所认同。而在旱井集雨系统中,旱井集流场所汇集的降雨径流及其含沙率的多少,又直接关系到工程效益的发挥和寿命的长短。该文利用人工降雨试验,并辅以天然降雨观测,系统分析了旱井系统中人工集流场的产流量、产沙率、集流效率与下垫面材料、坡度、雨强的关系,最终遴选出适合当地条件的最优坡度及下垫面材料。研究认为在经济、便捷与高效的原则下,采用5°左右坡的裸露夯实黄土面,可有效利用当地有限的雨水资源。     

黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系

为探究黄土和红壤侵蚀受雨强和坡度影响的差异及其与土壤性质的关系,通过测定分析黄土和红壤的各种理化性质,并分别对2种土壤在2个坡度(15°,20°)、2个雨强(60,90 mm/h)条件下开展4场降雨。结果表明:(1)与红壤相比,黄土的土壤颗粒更细,二者的毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量相差均在3%~6%以内,干筛时各粒级团聚体相差不大,但经湿筛破坏后二者团聚体差异较大,红壤的相对机械破碎指数(RMI)小于黄土,黄土有机质含量、阳离子交换量和络合态氧化物含量均高于红壤,无定形氧化物和游离氧化物则低于红壤;(2)同雨强、同坡度条件下,黄土产流时间均短于红壤,产流开始后,红壤比黄土先达到稳定径流率,不同雨强、坡度条件下,红壤稳定径流率为30~120 mL/s,黄土为100~220 mL/s,且在相同坡度、雨强范围内,红壤径流率变化层次分明,黄土则交错复杂;(3)红壤的产沙率和径流含沙率都较低,且多在产流几分钟即出现产沙率最大值,黄土产沙率则和径流率类似,在产流前期快速增长,10 min之后开始波动变化,再进入相对稳定产沙阶段,产沙率和径流含沙率随雨强和坡度的变化复杂;(4)不同土壤自身理化性质是影响坡面侵蚀的内在因素,与黄土相比,红壤的下渗能力更好,土壤抵抗径流剪切和剥蚀的能力更强,使得在同雨强、同坡度条件下红壤的侵蚀程度远低于黄土,规律性也更显著。     

红壤裸露坡地次降雨土壤侵蚀规律

揭示红壤裸露坡地次降雨土壤侵蚀规律可为红壤坡地水土流失防治和水土保持效益评价提供科学依据。该文基于典型红壤区裸露坡地试验小区134场次降雨气象、水文观测资料,选取雨量、历时和雨强为特征指标,综合采用快速聚类和判别聚类,划分确定出3种雨型:A雨型(高频次、短历时、小雨量、大雨强),B雨型(中频次、中历时、中雨量、中雨强)和C雨型(低频次、长历时、大雨量、小雨强)。其中,A雨型是造成红壤裸露坡地土壤侵蚀的主要降雨类型。通过Pearson相关分析和Mann-Kendall检验表明,红壤裸露坡地土壤侵蚀主要受雨强和雨量共同影响,雨强的指标中以最大30 min雨强与其关系最为密切,是导致土壤侵蚀变化的直接因素,雨量则通过改变雨强产生一定的间接影响。土壤侵蚀强度随最大30 min雨强增大过程中,在15 mm/h处存在明显转折,最大30 min雨强小于该值前,侵蚀强度呈缓慢增大,大于该值后,侵蚀强度快速增大。土壤侵蚀与雨量整体呈同步增大,但不同雨型的单位雨量侵蚀能力表现为A雨型B雨型C雨型。在排除前期降雨影响的前提下,利用数理统计方法建立了南方红壤裸露坡地次降雨土壤侵蚀强度与雨量和最大30 min雨强的幂函数统计关系,用于3类雨型下的侵蚀预报时整体精度较好,且更适于短历时暴雨。以上研究将为深入揭示红壤坡地土壤侵蚀规律和构建预报模型提供有益参考。     

土壤侵蚀量与其水动力因子间的灰关联分析

采用灰关联分析法定量地研究了华南花岗岩地区不同草本植物覆盖率条件下水动力因子(雨量、雨强、径流量)与土壤侵蚀量之间的关联程度。结果表明:(1)随着地表草本植物覆盖率的降低,径流量与土壤侵蚀量的关联度愈来愈小,而雨强、雨量与其关联性却愈来愈大;(2)当地表全裸露时,影响土壤侵蚀的主要因子是雨强,而不是一般认为的径流量:(3)与雨量相比,雨强和土壤侵蚀量之间有更密切的关联性,选择雨强来反映降雨对土壤侵蚀的影响更合适。     

多因素耦合作用下黄土植被坡面水沙养分流失模拟

采用人工模拟降雨试验研究不同雨强(60,90,120 mm/h)、不同坡度(10°,15°,20°)、不同生物炭含量(0,3%,6%)等多因素耦合作用下黄土植被坡面水沙及养分流失规律。结果表明:(1)水沙及PO_4~(3-)—P的流失随着雨强的增大而增大,NO_3~-—N随雨强的增大呈先上升后下降的趋势,径流及氮磷与坡度的规律性不明显,雨强坡度与k值(产沙速率系数)变化率的线性关系中,雨强的影响较大。(2)产流产沙过程相似,均随降雨历时先上升后趋于平稳,NO_3~-—N与降雨历时呈幂函数关系,PO_4~(3-)—P在流失过程中最大浓度与最小浓度比为1～2,且在侵蚀产沙及NO_3~-—N的流失过程中,雨强与生物炭相关性极显著。(3)生物炭含量≥3%会增加侵蚀产沙及PO_4~(3-)—P的流失,雨强为60,90 mm/h时,NO_3~-—N流失量随生物炭的增多呈先减小后增大的趋势,雨强为120 mm/h时,NO_3~-—N流失量随生物炭添加量的增大呈上升趋势。研究结果可以为黄土丘陵沟壑区水土资源管理提供科学的指导。     

林草影响下的致沙雨强研究及“水文法”模型改进

在梳理"水文法"基本原理和黄土高原产沙物理机制的基础上,定义了致沙雨强和有效产沙雨量。以黄河流域黄土丘陵沟壑区典型支流为研究范围,判别了各支流"天然时期"不同林草覆盖率下的致沙雨强指标,建立了林草覆盖率-致沙雨强关系曲线。分析发现,当林草覆盖率小于40%时,致沙雨强与林草覆盖率有良好的相关性;当林草覆盖率大于40%时,致沙雨强对植被变化不敏感,趋于稳定。将超过致沙雨强的有效产沙雨量作为降雨因子引入"水文法"模型,使改进后的模型的物理意义更加清晰,拟合精度进一步提高。     

黄土高原不同植被类型与降水因子对土壤侵蚀的影响研究

根据辛店沟1955年到1959年坡面径流小区的观测资料，分析了不同植被(高梁豇豆、苜蓿、草木樨)被覆度与降水(包括雨量(P)、雨强(I)以及PI乘积(PI30))与侵蚀速率的关系。结果表明土壤侵蚀速率随雨量，雨强及PI乘积的增加呈幂函数增加，但随被覆度的增加呈下降趋势。在PI30相同时，不同植被对土壤侵蚀速率的影响也不同。应用USLE(TheUniversalSoilLoessEquation)分别模拟了三种不同植被被覆度与降水因子对土壤侵蚀的关系方程和辛店沟全流域的水土流失方程；深入探讨了植被被覆度和降水对土壤侵蚀的作用规律。     

降雨强度对黄绵土坡地磷流失特征影响试验研究

坡地磷(P)的流失是导致土壤质量退化与水环境恶化的重要原因,探讨降雨特征对土壤P流失的影响机理对于坡地养分管理和环境保护具有重要的科学意义。该文以黄绵土(质地为粉质壤土)为试验材料,通过室内模拟降雨试验研究了雨强对坡地P随径流流失的影响。结果表明：施肥条件下坡地径流中溶解态磷(DP)含量达到0.18 mg/L以上。相同雨量时,径流中DP含量随雨强的增大而降低,泥沙浸提态磷(SEP)与全磷(STP)的含量与流失量以小雨强(0.91 mm/min)时为最大。坡面产流过程中DP、SEP及STP含量的变化均表现为“低－高－低”的变化趋势,其变化与径流含沙量呈正相关,而累积流失量则表现为加速增加的趋势。黄绵土坡地径流中不同形态P的含量随雨强的增大而降低,而总的流失量受雨强与产流过程等多种因素影响。     

人工集水面降雨径流观测实验研究

野外降雨径流观测实验研究表明 :土质集水面 (自然黄土坡面、清除杂草自然黄土坡面和夯实集水面 )的降雨产流方式为超渗产流 ,受降雨强度的影响大 ,径流的产生主要是由几次高强度的暴雨引起。此类集水面的年平均集水效率在 7.4%～ 35 .5 %之间 ,因此 ,增大集水区面积是保证土质集水面收集到更多雨水的基本途径。油毡、沥青和混凝土处理集水面的产流过程受降雨量和降雨强度的影响小 ,年平均集水效率在 5 0 %～ 80 %之间 ,但投资成本较高 ,其雨水利用方向是和设施农业相结合 ,修建固定集水面 ,发展高投入高产出农业。塑料膜集水面一次性投入低且平均集水效率较高 ,但寿命较短 ,建议利用简单临时性的移动塑料集水面收集雨水以供大田作物缺水期补灌。     

旱地不同覆盖沟垄种植方式对马铃薯土壤水分和产量的影响

马铃薯是西北黄土高原半干旱区的特色作物和主栽作物之一,如何提高其降水利用效率是发展该区域马铃薯产业的重点问题。在大田试验条件下,以不同的覆盖方式和沟垄种植方式为处理,测定马铃薯生育期的土壤水分含量及其分布和产量,计算耗水量和水分利用效率,研究西北黄土高原半干旱区旱地不同覆盖和种植方式对马铃薯产量和水分利用效率的影响。结果表明,马铃薯采用草-膜二元覆盖垄种技术,能够有效地积蓄自然降水,草-膜二元全地面覆盖保墒、垄沟有效地聚集和保持了土壤水分,尤其在伏旱阶段的块茎形成期,0-100cm土层的土壤含水量高于全膜覆盖处理。因此,高垄膜覆盖沟覆草垄播使得产量和水分利用效率较其它种植模式分别提高8.39%～58.38%和8.46%～67.97%,是一项适合于西北黄土高原旱作区马铃薯高产的栽培技术。     

黄土高塬沟壑区不同处理方法对土壤水分动态的影响

黄土高塬沟壑区,具有十年九旱的气候特征。为了实现雨水资源利用的最大化,选用几种常见的具有防渗作用的新材料对集水造林试验的集水区进行处理,并优选出了合适的处理方法。其中包括喷甲基硅酸钠,喷RG-100C1型高分子乳液,喷3F克渗王防水剂,掺3F克渗王防水剂,撒水泥并喷水等5种的集水效果的试验研究。通过对比研究,结果认为喷甲基硅酸钠在集水效果和资金投入上占有优势,具有推广价值。     

3种有机硅喷涂集雨面后的产流特征与集雨效率

集雨工程的建造往往比较复杂,寻找更经济、简便的集雨材料是干旱半干旱地区雨水资源利用的重要研究方向。高分子有机硅由于其具有良好的防水性、化学惰性、操作简单等特性,成为新型集雨材料的潜在选择。试验选用3种不同性质的硅烷(有机硅)乳液,设计4种有机硅与水的稀释比例(1∶7,1∶10,1∶13,1∶16),3种集雨面坡度(0°,9°,15°),通过室外模拟降雨进行集雨效率观测。结果表明,集雨效率道康宁IE-6683最大,为96.96%,道康宁520次之,为96.50%,有机硅原液为90.24%;3种有机硅与水的比例在1∶13与1∶16时集雨效果较好,平均集雨效率在90%以上;集雨面坡度对集雨效率具有显著影响,有机硅原液在坡度为0°与9°变化时集雨效率随坡度增加而增加,坡度为15°时集雨效率有所下降,道康宁520与道康宁IE-6683集雨效率均随集雨面坡度的变大而增加。     

高塬沟壑区雨水集流效率研究

通过6个径流小区对自然荒坡和道路场院的模拟对比试验,探索雨水集流场建设中的新材料、新工艺、新方法,为雨水集流场建设提供技术支撑。在模拟自然荒坡的3个径流小区中,无机防水剂1#和硅烷偶联剂对地表喷施处理后,集流效率明显高于对照;在模拟道路场院的3个径流小区中,无机防水剂4#+5kg/m²水泥和硅烷偶联剂+5kg/m²水泥对地表土壤掺混处理后,硅烷偶联剂+5kg/m²水泥集流效率明显高于对照。试验共筛选出了3种新材料,可用于雨水集流场建设。次降     

基于3S技术的可收集雨水资源潜力的计算与分析

目前已有的雨水收集利用工程中,出现了部分蓄水设施无水可蓄和部分蓄水设施经常溢流的情况,主要原因是区域集雨能力不了解,集雨工程建设不科学之故。该文提出了区域可收集雨水资源潜力和局地径流汇集能力两个指数,采用地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和全球定位系统(GPS)技术对区域的地形地貌及下垫面状况进行了较为精确的刻画与描述,在此基础上计算了区域内少雨、平水、多雨3种年型下的可收集雨水资源潜力;模拟了区域内的降水径流状况,计算了区域内的局地径流汇集能力,结果可用于指导雨水收集利用工程的设计与建设。     

人工生物土壤结皮特性及其集雨潜力的研究

为探讨在太行山半干旱区利用人工土壤生物结皮进行集雨的潜力和可行性,以自然生长的生物土壤结皮为种子,通过培育建立人工土壤生物结皮和生物结皮集雨,对人工土壤生物结皮建成后土壤物理性状、渗透率的变化及人工生物结皮集雨面的集流效率进行了研究。结果表明,人工土壤生物结皮与自然生长的生物结皮一样,可显著改变土壤的颗粒组成,使0~1 cm表层土壤的小颗粒物质含量增加、大颗粒物质减少,但对0~5 cm的土壤容重影响不显著。对土壤入渗速率的测定结果表明,人工培育的土壤生物结皮具有降低入渗速率的作用,与自然土壤相比,生物结皮的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率分别下降59.1%和44.4%,达到稳定入渗的加水量也减少50.0%。人工营建的生物结皮集雨面的平均集雨效率达60.86%,与自然土面相比,提高23.0%。对集雨面效益分析表明,生物结皮集雨面不仅具有较高的集雨效果,且使用年限较长,并具有明显的减少地表径流沉积物含量,提高土壤抗蚀性的作用。综上结果可以看出,人工土壤生物结皮是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料。     

喷施中性多聚糖对黄土坡面降雨入渗的影响

中性多聚糖(Jag S)是一种新型高聚物,研究该高聚物对黄土坡面降雨入渗的影响可对采用土壤侵蚀化学调控技术措施防治黄土坡面土壤侵蚀提供新的理论基础。通过人工模拟降雨试验,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0 mm min-1),不同坡度(10°、15°、20°)条件下,坡面降雨入渗及产流时间与喷施不同剂量(1、3、5 g m-2)Jag S之间的关系。结果表明:在不同坡度不同雨强下,与裸露坡面相比,喷施3种剂量的高分子化学材料Jag S均减少了前期降雨入渗率,但1及3 g m-2剂量Jag S处理能够明显提高黄土坡面入渗性能,减缓入渗在整个降雨过程的下降趋势,提高稳渗率,强化入渗效应均值分别为21.53%及9.17%,大剂量(5 g m-2)Jag S反而降低了土壤入渗性能(小雨强下除外)。喷施不同剂量Jag S的坡面其产流开始时间差异很小,但均早于裸露坡面,且表现为Jag S喷施剂量越大,坡面越早产流,大坡度大剂量对降雨产流时间影响较大。三个剂量对应产流时间提前百分比均值分别为47.26%、50.47%及66.28%。总之,Jag S在一定程度上能改善黄土坡面土壤结构,提高黄土坡面降雨入渗性能,从而降低土壤侵蚀,为采用高聚物进行水土保持提供了科学依据。     

MBER土壤固化剂集流场的施工工艺

 人工集流场常用的防渗材料有混凝土、聚乙烯薄膜和沥青玻璃丝油毡等,这些材料的集流效率高,但是存在造价高或耐久性差的缺点。应用土壤固化剂修建集流场,能够有效解决集流材料造价高和耐久性差等问题。在阐述MBER土壤固化剂的组成和固化机制、原材料的技术要求、配合比设计和集流场结构设计等基础上,重点研究土壤固化剂集流场的施工工艺,提出了在干硬性施工工艺中混合料的均匀性、含水率和施工时间是应用固化剂修建集流场的关键技术,建议加强对塑性施工工艺的研究。