黄土高原水土保持措施强化降雨入渗分析及灰色预测

黄土高原水土流失综合治理是以强化降雨入渗,减少地表径流,阻止土壤侵蚀为目的。因此,治理区降雨入渗量的大小是衡量水土流失治理效果的关键指标之一。目前入渗量的计算多利用年总降雨量,由于在黄土地区小雨量或小强度的降雨具有与水土流失治理的零相关性,因而会导致对水土流失综合治理强化入渗作用估计的较大误差。提出用1a中产生径流的次降雨总量(产流降雨总量)计算入渗量。以西川河流域为例,采用1997—2001年的降雨径流资料,分别用年降雨总量与产流降雨总量推求降雨入渗系数,对比分析了入渗量随流域水土流失治理度的变化,结果表明:利用产流降雨总量能比较清晰地反映流域治理程度对降雨入渗的影响。在此基础上,采用GM(1,1)灰色动态模型预测西川河流域降雨入渗量随水土流失治理度的变化趋势。结果表明,GM(1,1)灰色模型能够合理地预测黄土高原水土保持措施对自然流域入渗量影响的变化趋势。     

Green-Ampt 公式在层状土入渗模拟计算中的应用

通过对Green-Ampt入渗模型特点的进一步分析和总结,概述了目前对Green-Ampt 入渗模式的发展情况,特别在沙层阻水、浑水入渗、间歇入渗和降雨入渗方面的应用进行分析,并对Green-Ampt公式在这些方面应用中参数确定方法进行了进一步探讨,为在黄土区的应用提供指导.     

妫水河流域不同植被覆盖条件下土壤入渗及模型的比较分析

 为恢复官厅水库库区植被提供科学依据,在官厅库区妫水河流域内延庆县大榆树镇上辛庄小流域试验区,进行了不同植被覆盖条件下的土壤积水入渗试验,并用4种入渗公式进行了拟合。通过分析比较,得出了不同植被覆盖条件下的土壤入渗规律,并对采用考斯恰可夫、Horton、通用经验公式以及Philip入渗模型时的适用性和准确性进行了评价。     

浑水入渗规律试验研究

在分析了影响浑水入渗主要因素的基础上,提出了试验方案,根据浑水渗试验资料,建立了浑水渗经验公式,结果表明,浑水与清水入渗的差异主要是由浑水中物理性粘粒在存在引起的水中物理性粘粒含量越大,累积入渗量就越小,这一成果对流域降雨产汇流,土壤侵蚀机理研究及浑水灌溉研究与应用具有一定的价值。     

利用STAR-1进行土壤物理特性时空变异研究初报

研究背景:LISEM(Limberg Soil Erosion Model)模型是目前国际上流行的次降雨土壤侵蚀预测物理模型,在欧洲应用极为广泛,其基本原理是通过对流域内土壤、植被、降雨、水文过程等因子的详细测定,输入土壤物理参数--残余含水量、饱和含水量、饱和导水率、持水曲线和导水曲线及相关系数,运用Darcy,Richard或Green-Ampt入渗公式计算出降雨产生的径流,再应用GIS(Pcraster)系统对流域内不同单元进行叠加,形成流域出口处的径流和侵蚀过程.为了研究该模型在黄土高原的适应性,我们在中欧合作项目"中国黄土高原提高土地资源持续利用及土壤侵蚀模型建立"支持下,在陕北安塞县大南沟小流域开展了一系列研究,小流域土壤物理特性时空变异属其中之一.     

应用遗传算法拟合浑水入渗经验公式

探索浑水入渗规律，对浑水灌溉、流域降雨产汇流、土壤侵蚀机理的研究与应用具有一定的价值。该文首先分析了影响浑水入渗主要因素的基础上，提出了浑水入渗试验方案。根据浑水入渗试验资料，认为入渗时间和物理性粘粒含量是影响浑水入渗的主要因素，引入粘性指数来反映浑水中物理性粘粒含量的大小，在此基础上，提出了浑水入渗经验公式。应用遗传算法，以浑水入渗经验公式中待求参数为优化变量，采用二进制编码，拟合这些待求参数。分析结果表明：拟合的浑水入渗经验公式精度较高；浑水与清水入渗的差异主要是由浑水中物理性粘粒的存在引起的；浑水中物理性粘粒含量越大，累积入渗量就越小。     

黄丘区不同地类的降雨入渗试验)

采用加拿大倒"L"型人工模拟降雨装置,在野外试验研究了黄土丘陵沟壑区几种坡面治理措施在暴雨下的入渗特征,取得了不同地类的降雨入渗过程线和拟合公式,同时印证了用双环法所得入渗曲线与降雨入渗过程有较大差异的结论.从而为提高小流域综合治理措施标准,建立土壤侵蚀数学模型提供了科学依据.     

施加PAM的坡地降雨入渗过程及其模型研究

作为一种新型高效的土壤结构改良剂 PAM,在一定条件下能显著地提高土壤入渗能力 ,减小坡面径流。采用室内人工模拟降雨试验 ,研究了不同 PAM覆盖度下降雨产流随时间的动态变化及其与雨强、坡度的关系 ,以及入渗率随时间的变化规律 ,分析了 PAM、坡度、雨强对入渗率的影响。结果表明 ,地表施加 PAM后土壤的入渗率及稳定入渗率都比未施 PAM显著提高。通过对比施加 PAM后 Kostiakov入渗模型与 Horton入渗模型的显著性 ,表明 Horton入渗公式的适用性更好     

水土保持措施对小流域洪水过程的影响研究

采用小流域平行对比法,分析研究小流域的次降雨洪水过程,研究水土保持综合治理对小流域洪水的作用过程,通过双环入渗法测定流域土壤入渗速率,分析不同土地利用类型对土壤入渗速率的影响,结果表明,水土保持林草措施通过改变流域下垫面条件,改善土壤的入渗性能并对洪水过程产生影响。     

基于物理化学调控方法的水分时空分布试验

利用室内人工降雨试验,采用3因素3水平正交试验设计方案,研究物理化学调控方法实施情况下坡面土体中水分的时空分布状况。结果表明,物理调控方法可以调节降雨在坡面上的空间分布状况,在同一坡度条件下,面积比为1:2和1:1的处理的湿润锋尾部变化梯度及湿润锋深度均大于面积比为0:3的处理,且湿润锋分布的均匀程度较高。文中使用的入渗率计算公式可真实反映沿坡面各点的入渗率变化过程,入渗量计算公式可计算出降雨入渗量,且精度较高。化学调控方法由于能够维持土壤的物理结构,可以提高土壤的早期降雨入渗率,并增加入渗区上部的降雨入渗量,进而缩小坡面各点的水分分布差异。物理化学调控方法在坡面上配合使用可以提高降雨利用率,但其实际应用效果仍需进一步研究。     

不同入渗水头条件下的Green-Ampt模型

在蓄水坑灌灌水时,蓄水坑内入渗水头的增加会改变入渗界面土壤结构性状,从而导致土壤水分入渗特性发生变化。为了能够模拟不同入渗水头作用下的入渗过程,该文在分析入渗水头对水分入渗影响的机制基础上,将入渗水头对入渗的影响归结为对概化饱和区导水率的影响,建立了能够模拟不同入渗水头对入渗影响的改进Green-Ampt模型。在室内进行了不同入渗水头入渗试验对改进后的Green-Ampt模型进行验证,结果表明不同入渗水头条件下不同时刻对应入渗率的Green-Ampt模型计算值和试验实测值吻合较好,改进的Green-Ampt模型可以有效地模拟不同入渗水头条件下的入渗过程。     

工程堆积体入渗特征及入渗模型适宜性评价

以重庆市城镇建设和交通枢纽工程形成的典型工程堆积体为研究对象,采用野外双环入渗法对工程堆积体入渗特征、影响因素及入渗模型适宜性进行研究,筛选重庆市典型工程堆积体最优入渗模型。结果表明:(1)工程堆积体初始入渗率可达23.20mm/min,随着入渗时间的延长,入渗速率逐渐降低,30min瞬时入渗率为2.38~11.32mm/min,稳定入渗率为1.81~9.05mm/min;(2)工程堆积体的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、30 min入渗率、60 min入渗率和渗透总量均表现为中等变异,变异系数为36.42%~57.49%;(3)工程堆积体初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和渗透总量与容重和含水率均呈负相关关系,与总孔隙度呈正相关关系;稳定入渗率、平均入渗率和渗透总量与60~40,40~20,20~10,10~5mm碎石含量呈负相关关系,与5~2mm碎石含量呈正相关关系;(4)不同工程堆积体回归模型的拟合效果存在差异,其决定系数R2依次为Kastiakov模型(0.899)通用经验模型(0.893)Horton模型(0.870)Philip模型(0.867),Kastiakov模型拟合效果优于通用经验模型、Horton模型和Philip模型,可以较好地模拟和预测重庆市工程堆积体入渗过程和入渗能力。     

黑钙土不同土层在两种材质负压渗水器下的吸渗特性

基于–5 k Pa负压灌水条件下的一维垂直水分吸渗试验,分析了陶土和聚乙烯醇缩甲醛泡沫塑料(PVFM)两种材质负压渗水器在黑钙土A、B层的渗水性能,测定累计吸渗量、吸渗率、湿润峰及土壤含水率等指标,并利用它们考察了Kostiakov,Horton、Philip 3种常用的土壤水分吸渗模型及垂直一维非饱和土壤水分运动代数模式描述负压吸渗过程的适用性,进一步比较了不同处理下的模型参数。结果表明:(1)–5 k Pa灌水条件下,PVFM渗水器和陶土渗水器的累计吸渗量没有明显差异,前者能有效替代后者作为负压渗水器;(2)黑钙土B层土壤水分吸渗特性比A层差,同时间内累计吸渗量较少,吸渗率降低速度更快;(3)短时间负压灌溉条件下,不同土层的累计吸渗量与湿润峰、吸渗率与湿润峰倒数、湿润峰平方与时间均存在明显的线性关系;(4)负压灌溉后距离渗水器上下各15 cm范围内,土壤含水率维持于20%~33%范围内,变异系数均在10%左右;(5)拟合结果表明,Kostiakov与Philip模型能很好地描述–5 k Pa负压灌溉下不同处理的水分吸渗特性,而Horton模型描述黑钙土A、B层较长时间的吸渗效果较差。     

湖南省衡山不同海拔高度土壤的入渗特征

[目的]探究衡山不同海拔高度土壤入渗性能的差异及其影响因素,为山体大尺度土壤入渗性能研究提供思路和方法。[方法]在衡山不同海拔高度区域选取9个试验点进行野外点源入渗试验。[结果]①从各试验点入渗率角度分析,稳定入渗率随海拔上升逐渐增大(山顶山腰山麓)且入渗率变化显著。从入渗开始到稳定入渗减小了50%～86%,且入渗过程呈现出一定规律性,即初始入渗率很大,随着入渗过程的推进,前10 min入渗率迅速减小,10～30 min缓慢减小,最终在30 min后趋于稳定。②影响土壤入渗性能的因素较多,在衡山试验中稳定入渗率与0.25 mm水稳性团聚体含量和海拔高度分别呈极显著正相关和显著正相关关系,而与有机质、土壤容重和质地相关性较低。③Kostiakov模型,Philip模型、Horton模型在各试验点的决定系数R~2均大于0.95,都能较好地对衡山各试验点入渗速率进行拟合,而Philip模型的参数中表征稳定入渗率的参数A均为负数,使其物理意义不明确。[结论] Horton模型能反映不同海拔区域稳定入渗率的特征(山顶山腰山麓),Kostiakov模型能较好地反映入渗速率的变化特征(山麓山顶山腰),也说明点源入渗法测量山地入渗是可行的。     

莲花湖库区水源涵养林土壤入渗性能的空间分布特征

以莲花湖库区红松水源涵养林为研究对象,由入渗速率拟合入渗模型,运用地统计学理论与方法对模型参数进行空间异质性分析。结果表明：采用Philip公式对入渗过程进行数学模拟最佳,模型参数吸渗率和稳渗率均服从对数正态分布,结构比分别为0．773、0．678,变程分别为8．04和6．69m,分维数分别为1．954、1．978。二者相比,吸渗率空间依赖性强,空间相关范围大,空间分布较简单,在空间分布格局上二者呈极显著正相关关系,相关系数R为0．52。     

充分供水条件下点源入渗参数影响因素及其简化模型

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了充分供水条件下点源入渗的土壤水分运动数学模型,并应用SWMS-3D软件对模型进行了求解,模拟并分析了充分供水条件下多种典型土壤的点源入渗特性及其影响因素。结果表明,充分供水条件下点源入渗累积入渗量曲线符合Philip模型;在相同土壤质地、容积密度下,吸渗率与稳渗率随着膜孔直径的增大而增大;稳渗率随灌溉水深的增大而略有增大。基于Philip模型,提出了包含膜孔直径、灌溉水深的充分供水条件下点源入渗简化模型。并利用黄土高原典型土壤的室内试验资料与已有文献资料对简化模型进行了验证。验证结果表明,所建简化模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可较准确地反映充分供水条件下点源入渗特点。     

辽西低山丘陵区坡地砾石含量及粒径对土壤入渗性能的影响

基于室内土柱模拟试验对比分析辽西低山丘陵区坡地不同粒径及砾石含量的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了含砾石土壤对传统土壤入渗模型的适用性。结果表明:粒径一定时,随砾石含量的增加土壤累积入渗量减少,随累积入渗量的增加土柱湿润锋变化速率由小变大;砾石含量小于20%时,湿润锋前进到一定深度下,土壤累积入渗量随粒径的增加而增大;当砾石含量增大到一定值时,砾石含量相同直径不同的土壤累积入渗量与湿润锋随时间的变化基本无差异。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、通用模型、Horton模型和Kostiakov模型对入渗率与入渗历时的关系进行拟合,其中砾石含量为5%时,Horton模型拟合效果最好,砾石含量为10%~30%时通用模型适用性更强,Horton模型拟合效果最差,其他模型拟合效果因砾石含量及粒径等因素的不同而异。     

A modified physical-based water-retention model for continuous soil moisture estimation during infiltration: experiments on saline and non-saline soils

ABSTRACT

Water infiltration is an issue of vital concern to farmland irrigation. Besides, a soil-water evaluation during infiltration benefits irrigation determination and salt leaching, which has still not been well revealed through a physical-based model regarding continuous soil-water estimation. We conducted one-dimensional infiltration on non-saline loam soil and saline sandy loam soil to propose a modified water-retention model which was expected to estimate continuous soil-water changes during infiltration. Results indicated that for the non-saline soil and the saline soil with different salinities, the modified water-retention model can be established based on the vertical one-dimensional algebraic model and the Kostiakov model. But different from the traditional vertical one-dimensional algebraic model, the new established model can be adopted for calculating and predicting continuous water content during infiltration at any duration, with higher accuracy than using HYDRUS, due to direct parameter acquisition from the observed infiltration data rather than indirect acquisition from soil water characteristic curve. The established potential relationship between soil moisture and cumulative infiltration promotes the development of precise agriculture.     

海州露天煤矿排土场复垦区不同土地利用类型土壤入渗特征

为揭示排土场复垦区不同土地利用类型土壤的水源涵养功能,采用野外实地双环入渗试验和室内理化分析方法,系统地研究了海州露天煤矿排土场复垦区不同土地利用类型(乔木林地、灌木林地、农用地、荒草地)土壤入渗特性及其影响因素。结果表明:不同土地利用类型下的土壤初始入渗率、稳定入渗率和累计入渗量均表现为乔木林地灌木林地农用地荒草地;不同土地利用类型下土壤入渗过程的拟合优度存在差异,G-P综合模型、Kastiakov模型、Horton模型的平均拟合优度依次为0.926,0.908,0.905。G-P综合模型相对误差为79.21%~123.69%,更接近排土场复垦区土壤入渗的实际过程,可作为排土场复垦区土壤入渗过程的预测模型;不同土地利用类型下土壤初始入渗率与非毛管孔隙度呈显著正相关,稳定入渗率和累计入渗量与非毛管孔隙度、砾石含量和部分根系特征呈显著正相关;采用主成分分析评价的土壤入渗能力排序为乔木林地灌木林地农用地荒草地,初始入渗率、稳定入渗率、14min入渗率和累积入渗量的主成分方差累积贡献率为99.047%,较好地表达了土壤入渗能力。     

宁夏砂田不同砾石覆盖厚度土壤入渗过程及模型分析

以宁夏中部旱区砂田土壤为研究对象,通过对不同砾石覆盖厚度条件下砂田土壤水分入渗过程进行研究,采用一维垂直定水头入渗法,选取砾石覆盖厚度为影响因子,设置5个覆盖厚度(0,6,9,12,15cm),观测湿润锋运移和入渗量变化规律,比较各处理土壤入渗特征,利用模型拟合土壤入渗过程。结果表明,砾石覆盖提高了土壤水分入渗能力,土壤湿润锋运移距离和入渗量明显增加。与CK相比,砾石覆盖厚度为6,9,12,15cm时的累积入渗量分别增加了4.3%,11.8%,12.8%和17.1%,平均入渗率增加了25.8%,38.7%,50.0%和62.9%;同时砾石覆盖厚度改变了土壤水分入渗曲线,随着砾石覆盖厚度增加,土壤初始入渗率迅速增加,但稳定入渗率增加较为缓慢。与CK相比,砾石覆盖厚度为6,9,12,15cm时的初始入渗速率分别增加了40%,81%,91%和110%;稳定入渗速率分别增加了15.3%,17.9%,20.5%和25.6%。利用3种入渗模型对砂田土壤水分入渗过程进行拟合,结果表明Horton模型拟合效果最好,是分析和预测不同砾石覆盖厚度土壤水分入渗过程的适宜模型。