黄河中游典型流域近60年水沙变化趋势及影响因素

为分析黄河水沙成因并预测未来水沙情势,选取黄河中游多沙粗沙区昕水河和朱家川2条流域为研究对象,依据水文站及雨量站1956—2018年降雨和径流泥沙实测数据,采用Mann-Kendall趋势及突变检验、累积距平法和Morlet连续小波分析等方法探讨流域水沙变化趋势,并利用双累积曲线法对水沙变化进行归因分析,量化气候变化及人类活动对水沙变化的相对贡献。结果表明:1956—2018年,昕水河和朱家川小流域年均径流量分别为11.9×10⁷,1.7×10⁷ m³,年均输沙量分别为12.3×10⁶,9.8×10⁶ t,径流和输沙量均呈显著减少趋势;2条流域的径流量突变年分别为1980年和1984年,输沙量突变年分别为1980年和1972年;选取的2条流域水沙变化存在明显周期性,径流变化的第1主周期分别为45年和16年,输沙量变化的第1主周期分别为9年和15年;降雨对昕水河和朱家川小流域径流量减少的贡献率分别为19%,8%,对输沙量减少的贡献率分别为25%,35%,远不及人类活动的贡献率,人类活动是径流和输沙量锐减的主导因素。研究结果可为黄河水沙治理提供科学性建议。     

黄河中游河龙区间侵蚀产沙对景观特征的非线性响应

为明确退耕还林（草）工程期间景观特征变化对侵蚀产沙过程的非线性影响机制,以2006—2016年黄河流域河龙区间33个水文站控制子流域为研究对象,采用增强回归树方法分析了河龙区间子流域产沙模数时空差异的景观驱动因子,定量评价了各景观特征与产沙模数的非线性关系。结果表明,林地和耕地面积比例对产沙模数变异贡献最大,分别贡献22.0%和16.9%的变异;林地面积的增加和耕地面积的减少可以减少产沙模数,但当林地面积>15%,耕地面积<20%时,对产沙模数的影响减弱;增加林地和草地的植被覆盖度对水土流失的减缓作用也存在阈值,草地和林地植被覆盖度的阈值分别为0.5和0.3,当超过该阈值后,其对侵蚀产沙过程的减缓作用趋于弱化;适当减少边界密度数量有利于控制流域土壤侵蚀,当边界密度<60 m/100 hm²时,边界密度对产沙模数影响不大,当超过阈值后,产沙模数随着边界密度的增加急剧增大。当边界密度维持在60 m/100 hm²之内时,可以达到适宜的水土流失防治效果。研究结果揭示了河龙区间流域尺度上景观因子对侵蚀产沙过程的阈值效应,可以为黄河流域植被合理恢复提供重要参考。     

河网区灌溉水利用系数的尺度转换

大尺度灌区灌溉水利用系数的测定条件难以保障,而小尺度灌区的灌溉水利用系数可以通过试验测定,如何通过小尺度灌区的灌溉水利用系数来预测大尺度灌区的灌溉水利用系数,就有必要对灌溉水利用系数的尺度转换问题进行研究。河网灌区的特点是没有统一的水源引水口,通常是由若干个小灌区合并成一个大灌区,是一个典型的自相似系统。论文以地处里下河水网地区的盐城市水稻灌区作为研究对象,于2012-2013年对9个县区不同规模的样点灌区进行了灌溉水利用系数的试验观测,利用分形理论研究了河网灌区的分形特征,运用盒维数法计算了盐城市河网灌区和不同尺度灌区的盒维数,其盒维数介于1.703~1.996之间,并随着面积尺度的增加而增大。基于灌溉水利用系数与灌区面积、盒维数的相关性,建立了河网灌区灌溉水利用系数尺度转换模型,并通过验证,表明该尺度转换模型能够较好地预测河网灌区灌溉水利用系数,同时也能够很好地实现灌溉水利用系数的尺度转换,为分析河网灌区灌溉水利用系数及其尺度效应提供了新途径。     

灌溉水质对土壤饱和导水率和入渗特性的影响

为研究淡水与微咸水降水头入渗的差异,采用矿化度为1.0 g/L的微咸水与去离子淡水,对滨海围垦区粉砂土与南京黄棕壤土进行了一维降水头积水入渗试验。试验结果表明,采用微咸水入渗可以增大2种土壤的入渗能力,且对黄棕壤土的影响更为明显。利用Philip入渗模型对试验数据进行拟合,结果表明,模型可以较为精确地描述2种土壤的微咸水降水头入渗过程,且模型对黄棕壤土入渗过程的拟合精度更高。土壤水分与盐分再分布过程中,在粉砂土上层,微咸水灌溉对盐分的淋洗效果与淡水灌溉相近,但在土壤深层微咸水灌溉使土壤的积盐量显著高于淡水。采用淡水灌溉的黄棕壤土,土壤表层脱盐、深层积盐;采用微咸水灌溉的土柱剖面均明显积盐,且因表层土壤孔隙结构被破坏,持水能力增强,使表层土壤与深层土壤均积累了较高含量盐分。     

利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率

探讨利用圆盘入渗仪测定不同利用类型土壤吸渗率的适用性,该文选用盘径分别为10和20 cm的圆盘入渗仪对3种利用土壤(菜地、草地和茶园)在0、-3、-6、-9 cm 4个压力水头下的吸渗过程进行测定。研究以Vandervaere法为参考方法,对Philip法、Haverkamp三维吸渗法、Haverkamp三维吸渗改进法的适用性进行比较分析。结果表明:吸渗率的不同计算公式所适应的吸渗过程时间尺度不同,且Haverkamp三维吸渗法所得吸渗率值与参考方法最接近。盘径对吸渗率测定差异的影响不显著。除0 cm压力水头外,不同利用类型土壤吸渗率差异显著,且不同压力水头下测得3种土壤吸渗率大小排序不同。当压力水头为-9和-6 cm时,菜地吸渗率(0.0104和0.0119 cm/s0.5)显著高于茶园(0.0017和0.0025 cm/s0.5)(P0.05);当压力水头为-3 cm时,茶园吸渗率(0.0370 cm/s0.5)显著高于菜地和草地(0.0147和0.0132 cm/s0.5)(P0.05)。该研究可为南方丘陵区土壤水力参数的测定提供理论依据。     

添加生物质炭对壤土热性质影响机理研究

生物质炭添加对一系列土壤理化性质具有显著影响,然而其对土壤热性质的影响机理仍不明确。本研究结合田间定位试验和室内控制实验揭示了生物质炭添加对壤质土热性质的影响机理。两年田间区组试验中小麦秸秆生物质炭施用量设0 t hm~(-2)、25 t hm~(-2)和50 t hm~(-2)三个水平。使用热脉冲法分别在室内控制土壤含水量和田间自然条件下测定土壤热容量、导热率和热扩散系数。同时测定了不同生物质炭处理下土壤容重、土壤水分特征曲线、孔隙分布以及作物生长季表层土壤含水量。结果表明,生物质炭添加会对土壤热性质产生显著影响,其主要途径为(1)通过降低土壤容重,增加土壤大孔隙,从而显著降低土壤导热率,对土壤热容量和热扩散系数也有降低效应,但受土壤含水量水平影响;(2)通过改变土壤水力学特性,增加土壤含水量,从而提高土壤热容量、导热率和热扩散系数。田间状态下,生物质炭影响土壤热性质的两个途径同时存在而作用相反,综合效应表现为生物质炭添加小区的土壤体积热容量有增加趋势,且与生物质炭施用量有关;生物质炭添加会显著降低土壤导热率和热扩散系数。     

海涂围垦区排灌工程边坡土壤侵蚀过程的水动力学特征

利用人工模拟降雨试验研究降雨强度和坡度两因子对海涂围垦区排灌工程边坡侵蚀产沙过程及其对径流水动力学参数的响应关系。结果表明,边坡输沙率随降雨历时增加呈S形曲线增长。随雨强和坡度增大,坡面细沟发育迅速,侵蚀量急剧增加,但在坡度25°附近存在一个侵蚀的临界坡度。高雨强和陡坡下,坡面平均流速显著增大,侵蚀输沙率与平均流速之间呈显著线性正相关关系。试验坡面径流雷诺数较小,变化于8.5~42.6之间,水流剪切力为分散边坡土颗粒的主要作用力;坡面输沙率和平均雷诺数之间呈抛物线正相关关系,且在雷诺数较小时坡面输沙率随雷诺数的增长较缓慢,随水流雷诺数的增大,水流紊乱程度越强,坡面产沙能力越强。坡面径流所受阻力系数均随雨强和坡度增大线性降低,输沙率与Manning糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数均呈线性负相关关系。     

宁夏引黄灌区种植业面源污染流失量模拟

为揭示灌区种植业氮磷流失规律与空间分布格局,基于水量平衡与土壤物理化学吸附理论,构建了宁夏引黄灌区种植业面源污染流失量轻简化模型,模拟了灌区玉米、小麦和水稻氮磷流失的时间特征与空间格局。模拟结果表明：灌区主要作物退水氮磷流失量的时间变异大,玉米春灌流失量、小麦春灌头水流失量和水稻分蘖期流失量是各自灌水周期氮磷流失量的最高值;灌区农田总氮（TN）流失量（以N计）为887.51 t,玉米、小麦和水稻分别贡献了25%、8%和67%,平均氮流失系数为1.99%;灌区农田总磷（TP）流失量为48.05 t,玉米、小麦和水稻分别贡献了19%、18%和63%,平均磷流失系数为0.15%;种植业氮磷流失量最大的区县为平罗县,氮磷流失系数最大的区县为兴庆区,永宁县中部以及河东地区东部是氮磷流失的热点区域。该模型反映了农田管理、降水和土壤条件等过程对退水量和退水中氮磷浓度的影响,模型参数少、物理机制明确,可用于宁夏引黄灌区种植业面源污染流失量模拟。     

基于可见光影像分析的黄土高原小流域植被指数研究

小流域植被状况的快速、高精度和低成本监测是评价退耕还林还草与生态环境建设功效的基础工作。为丰富植被指数多样性,本文旨在提出一种适宜黄土高原小流域植被状况监测的可见光植被指数。基于无人机遥感技术获取小流域可见光影像,论文构建了简化可见光植被指数(Simplified visible light vegetation index,SVVI),结合样本统计法确定阈值,以支持向量机(Support vector machine,SVM)的监督分类结果对比了8种常用可见光植被指数提取效果,并以黄土高原2个典型流域为例,以混淆矩阵检验指数精度及其适用性。结果表明：1)SVVI能有效抑制非植被地物信息,在提取地物种类丰富且植被覆盖度相对较低的区域时,SVVI提取精度高达96%。2)在地物相对单一且植被覆盖度较高的验证区,SVVI提取精度依然在90%以上,表明SVVI有较好的适用性。相比较于监督分类结果,基于SVVI进行植被覆盖度计算可以有效保留植被信息,实现黄土高原小流域植被状况高精度监测。     

生物质炭改良盐渍土CT孔隙图像的多重分形与相对熵特征

定量化分析土壤结构对于了解土壤的物理、化学和生物过程有至关重要的作用。结合尺度分析理论和图像处理技术可从微观角度阐明土壤结构演变过程,解决生物质炭添加对土壤结构影响的争议问题。本研究以江苏滨海盐渍土为研究对象,设置0%、2%、5% （占0~20 cm表层土壤质量比）3个生物质炭添加水平改良盐渍土。每年在水稻收割后,采用塑料环刀取表层（0~20 cm）原状土,进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙结构,采用不同的理论方法（多重分形分析和相对熵分析）分析生物质炭改良土壤CT孔隙的复杂尺度行为。结果表明,多重分形分析适合于灰度图像,而相对熵分析适合于二值图像。所有处理的孔隙复杂度逐年增加,生物质炭添加能够加快土壤孔隙结构的发育,孔隙复杂度增加速率更快。在不同生物质炭处理中,2%生物质炭处理的孔隙结构复杂程度最高（?α=0.061,Range?E=0.436）,土壤的孔隙结构改善效果最好。高生物质炭的添加量（5%生物质炭处理）减少孔隙结构的复杂度（?α=0.045,Range?E=0.531）,降低生物质炭的改良效果。本研究从孔隙微观角度为生物质炭改良孔隙结构提供理论依据。