沟灌三角形长喉道田间量水槽水力特性试验及数值模拟

针对目前北方灌区田间沟灌缺乏有效量水设施的现状,提出了一种针对田间小流量情况的新型量水设备—便携式三角形长喉道量水槽,为进一步研究其水力特性,在沟灌简易长喉道量水槽原型试验的基础上,采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对该量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,对水流流态、水深、傅汝德数、纵向时均流速、紊动强度进行了分析。结果表明:试验水深值与模拟值的最大相对误差小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高;通过临界流理论推导与回归分析得到沟灌简易长喉道量水槽测流公式,其计算结果与实际流量的最大相对误差为4.34%;量水槽收缩段及喉道段纵向时均流速沿程不断增大,流速最大值的位置存在于水面以下,越靠近收缩段、喉道段出口,最大纵向流速位置越低,断面流速分布越不均匀;紊动强度总体呈现沿程增加的趋势,各断面的紊动强度最大值相对位置在0.13到0.30倍水深之间,沿程逐渐上升。     

喀斯特槽谷区的顺/逆层坡面对水动力学参数的影响

喀斯特槽谷区不仅存在地上/地下双层空间结构,还存在典型顺/逆层坡两种特殊的地质构造,因此研究喀斯特槽谷区两翼坡面水流移动规律具有重要意义。根据野外调查结果,在喀斯特槽谷区临界坡度25°条件下进行人工模拟降雨试验,采用顺/逆层坡岩层倾角(30°、60°和90°)和3种雨强(30、60和90 mm·h~(-1))作为变量因子,并以裸坡作为对照因子,研究喀斯特槽谷区顺/逆层坡面水动力参数特征。结果表明:喀斯特槽谷区顺/逆层坡主要以薄层浅流为主,顺层坡的岩层倾角越大则坡面流速越小,逆层坡则以岩层倾角60°为临界点,裸坡的流速均大于顺/逆层坡。对于喀斯特槽谷区顺层坡而言,其雷诺数Re和佛汝德数Fr均大于逆层坡而小于裸坡,阻力系数f均小于逆层坡而大于裸坡。雷诺数Re和阻力系数f两个参数呈显著的幂函数正相关关系。地表累积径流量分配比例大小排序为裸坡顺层坡逆层坡,地下累积径流量分配比例为逆层坡裸坡顺层坡。本研究可为喀斯特槽谷区顺/逆层坡的坡面的土壤侵蚀预报模型提供科学依据。     

土地利用对水体营养物影响的研究进展

日益严重的水质污染威胁到人类健康与生存,水体富营养化是其中一大治理难题。流域土地利用深刻影响水体中的营养物,定量刻画两者关系,可有效指导土地利用优化以改善水体质量。在国内外研究的基础上,本文梳理了样地实验、统计分析、经验模型和机理模型等4类研究土地利用和水体营养物关系的方法,并分析了不同方法应用的优缺点。以往研究多侧重土地利用数量结构,对强度和空间分布的量化及其与水体营养物关系的模型构建等研究尚显不足,多从单一或部分信息进行松散研究,导致不同研究中土地利用对水体营养物的解释能力差异显著。本文着重综述土地利用类型、强度差异和空间分布等3个方面对水体营养物影响的研究进展,并阐述关于两者定量关系尺度效应的争议和不确定性。目前主要存在问题包括现有研究土地利用和水体营养物的关系手段不足、土地利用多组分信息和水体营养物关系规律不清和尺度效应不确定性等3方面。因此,本文以水体污染物的产生、迁移、转化等的生态水文过程为线索,提出土地利用多信息空间综合表达和量化研究框架作为核心突破口。应用该框架,未来围绕融合过程机理与经验统计的模型开发、富营养化过程关联的土地利用多信息综合量化和多尺度结构的构建等3个方面开展研究,旨在为丰富土地利用对水体营养物影响研究提供一定的参考价值。     

三种护坡植物根-土复合体抗剪强度比较

以紫穗槐、胡枝子及狗牙根根系及其与土壤构成的根-土复合体为研究对象,通过对根-土复合体的室内直剪试验,比较分析了不同物种根系和不同含根量对根-土复合体的抗剪强度的影响。结果表明,根系的存在提高了土体的抗剪强度,根-土复合体的抗剪强度随着含根量的增加而增大,但当含根量达到一定值时根-土复合体的强度增加并不明显,即存在最佳含根量范围;与无根扰动土相比,根-土复合体内摩擦角无显著变化,但显著提高了黏聚力,其中紫穗槐、胡枝子、狗牙根黏聚力平均增幅分别为47.5%,39.2%和38.9%;紫穗槐、胡枝子和狗牙根根-土复合体对土壤的抗剪强度影响不同。在水土流失区种植乔灌木物种能有效增加坡体稳定性,降低土壤侵蚀。     

基于meta分析的放牧压力对内蒙古高原草地生态系统的影响

放牧是最主要的草地利用模式,直接或间接地影响草地物质循环和能量流动,放牧强度对草地的健康状况和演替方向起决定作用。本文基于40篇内蒙古草原放牧相关文献数据,通过meta分析探讨温带草原对放牧强度的响应特征。结果表明,与未放牧草地相比,轻度放牧草地对群落植物地上、地下生物量和土壤全氮和全磷含量无显著影响,而土壤有机碳、微生物生物量碳、细菌和真菌数量分别显著上升3.60%、7.80%、11.40%和10.83%（P<0.05）;中度放牧下群落植物地下生物量和土壤微生物数量无显著变化,而地上生物量和土壤有机碳、全氮、全磷和微生物生物量氮含量分别显著降低21.62%、4.44%、2.15%、8.35%和6.76%（P<0.05）;重度放牧下群落植物地上和地下生物量,土壤有机碳、全氮、全磷、微生物生物量碳含量,细菌和放线菌数量分别显著下降39.72%、16.30%、7.62%、6.46%、8.03%、8.76%、12.92%和18.27%（P<0.05）。以上结果表明轻度放牧有利于土壤肥力和草地生产力的保持和提升,而当放牧干扰超出一定的限度时,草地各项功能均显著下降而发生退化。本研究可为内蒙古温带草原的合理利用和适应性管理提供理论基础。     

FACE环境下不同秸秆与氮肥管理对稻田土壤硝化和反硝化菌的影响

利用位于江都市小记镇的中国稻-麦轮作FACE平台,采用最大可能(MPN)法,在2004年水稻生长季研究了不同施肥情况(施常规N量UN和低N量LN)、不同秸秆还田情况(秸秆全还田HR和秸秆不还田NR)下,土壤中硝化和反硝化细菌数量在FACE条件下随时间的变化。结果表明,FACE条件下,土壤硝化菌数普遍在抽穗期或乳熟期达到最大值,而对照土壤的硝化菌数普遍到成熟期才达到最大值,并且显著高于FACE处理的相应值(P<0.05)。在HR条件下,LN和UN小区FACE处理的土壤硝化细菌数量较对照减少6%~10%。FACE条件LN小区的反硝化菌数在成熟期达到最大值,而对照处理则在乳熟期达到最大值,并显著高于FACE处理(P<0.05);而UN小区的反硝化菌数二者均在抽穗期达到最大值。在LN小区HR和NR情况下,FACE处理土壤反硝化细菌数量分别低于对照处理的相应值8%和13%。在HR情况下,土壤反硝化潜势FACE处理显著低于对照。在LN和UN小区,FACE处理土壤的反硝化作用潜势分别是对照的83.7%和95.4%。     

模拟降雨条件下污染土壤中重金属元素径流迁移特征

探明污染土壤中重金属元素随地表径流迁移特征,对于防控重金属污染物的迁移扩散具有重要意义。通过室内模拟降雨试验,研究不同降雨强度下(55,100,120mm/h)污染土壤中Cd、Pb和Cr随地表径流迁移的特征。结果表明:径流中3种重金属元素总量在产流的前20min内逐渐降低,随后趋于稳定;产流初期(产流10min内)颗粒态重金属占径流重金属总量的比例均在80%以上;随产流时间延长,颗粒态Cd和Cr对径流重金属的贡献率快速降低,其颗粒态/溶解态的比值范围分别为47.0～0.4和12.9～0.4,而Pb则主要以颗粒态的形式存在,溶解态Pb对其随径流迁移的贡献率可忽略不计;随降雨强度增大,径流中总Cd和Pb含量显著降低,而径流中总Cr含量以及溶解态重金属含量无明显变化规律。     

Hu Xin, Hong Baoning, Du Qiang, et al. Influence of water contents on shear strength of coal-bearing soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 38(8): 2291－2294. (in Chinese with English abstract)[30]

土的抗剪强度是工程设计中重要的依据指标,同时也是土壤精准耕作,大型农业器具设计的一个基本参数。紫色水稻土长期处于淹水状态,为研究其抗剪强度的水敏感性特征,该文以重庆市合川区钱塘镇大柱村国土整治项目区内紫色水稻土为试样,采用调控含水率变化,通过三轴不固结不排水试验研究其抗剪强度的水敏感性特征,并为实际工程中处理紫色水稻土提出建议。结果表明：1）同一围压下,紫色水稻土的最大主应力差随着含水率的增加而减小;相同含水率下,随着围压的升高最大主应力差增加,但这种增加趋势随土壤含水率的增加而减小。2）当含水率处于界限含水率附近时,抗剪强度随含水率的增减变化较为缓慢;含水率大于某一值后紫色水稻土抗剪强度随含水率增加而减小。3）紫色水稻土的粘聚力随含水率的变化具有明显的峰值,呈先增大后减小的趋势。4）紫色水稻土内摩擦角与含水率之间具有明显的线性负相关性。该研究可为地区农业基础工程的设计到施工,以及工后更好地控制路基路堑的稳定性等提供参考。     

拖拉机安全驾驶室强度非线性有限元分析

为了避免由于拖拉机翻车事故引起的人员伤亡,提高拖拉机工作时的安全性,设计安全可靠的大中马力拖拉机驾驶室,并且使之能通过OECD标准,以某型号拖拉机驾驶室为研究对象,建立了该安全驾驶室的精确三维模型,并采用非线性有限元方法,按照OECD标准规定的要求,对模型进行了加载分析。驾驶室被简化成梁和板单元,采用弹簧单元模拟驾驶室与机身前支架之间的橡胶减震垫。计算结果表明：拖拉机驾驶室在按照试验要求模拟加载完成后,驾驶室变形吸收能量达到OECD标准规定的要求时,驾驶室部分粱和底板的应力已经达到屈服应力,进入了塑性变形,但变形后的驾驶室没有侵入安全容身区。后推、后压、侧推、前压和前推试验中驾驶室的最大变形分别为111、4、168、19和 47 mm,变形最大发生在力的作用位置处。该方法为设计能通过OECD标准试验的拖拉机安全驾驶室提供了一定的参考依据。     

不同植被类型根系提高浅层滑坡土体抗剪强度的试验研究

通过对裸地、扭黄茅草地、车桑子灌木林地和桉树林地四种不同植被类型、不同深度土壤在天然含水量情况下的直剪试验，研究了植被类型对非饱和土抗剪强度的影响。结果表明，植被具有提高非饱和土抗剪强度的作用，黏聚力增加较大，内摩擦角增加相对较小；土层越深，土壤抗剪强度提高的程度越小。