红壤坡地降雨产流的数学模拟及其过程分析

本文采用一维运动波理论建立了自然降雨下红壤坡地产流模型,应用Preissmann隐式格式对模型进行了数值求解,通过实测资料进行验证,计算值与实测值的相对误差最大不超过17%,说明该模型是合理的,可以描述不同雨型下不同水土保持措施的红壤坡地产流规律。将试验实测的降雨过程输入到本文建立的模型中计算,得到不同雨型下的产流过程。通过分析表明：百喜草覆盖与敷盖措施的起始产流时间明显滞后于裸露地,而洪峰流量也明显小于裸露地,说明百喜草覆盖与敷盖措施都有明显的削峰滞后作用。     

不同下垫面红壤坡地壤中流对自然降雨的响应

壤中流是红壤坡地降雨产流的重要组成,但其发生机理与定量化一直是研究的难点。本文通过野外大型水分渗漏小区长期定位观测,研究自然降雨条件下,不同下垫面(百喜草植草覆盖、百喜草干草敷盖与地表裸露)红壤坡地壤中流产流特征及其关键影响因素。结果表明:(1)植草覆盖和干草敷盖能有效减弱红壤区降雨季节性差异对地表径流的影响,降低地表径流,促进壤中流发育;(2)植草覆盖与干草敷盖的次降雨地表径流系数是地表裸露的10.80%和12.55%,而壤中流次降雨径流系数为地表裸露的2.47倍和3.22倍;(3)下垫面条件能显著影响壤中流的输出特征,地表裸露壤中流主要发生在60 cm层,次降雨径流系数是30 cm层的1.29倍,植草覆盖和干草敷盖主要影响30 cm层,对60 cm层影响较小,且30 cm层次降雨径流系数是60 cm层的1.44倍和2.22倍;(4)春季是植草覆盖与干草敷盖30 cm层壤中流的主要输出季节,输出量占全年的34.90%和39.63%,随着土层深度增加,60 cm层壤中流季节性差异降低;(5)壤中流受降雨量和降雨历时两个因子影响显著,与降雨强度无显著关系。在红壤坡地侵蚀治理过程中,科学的坡面覆盖类型能有效调节坡面降雨-径流特征,控制降雨侵蚀,该研究有助于进一步认识红壤坡地土壤侵蚀机制及防治。     

红壤坡地覆盖与敷盖径流调控特征研究

坡面径流是造成水土流失的主导因子,控制水土流失的关键是科学调控坡面径流。通过土壤水分渗漏装置(Drainage Lysimeter),探讨红壤坡地覆盖与敷盖径流调控特征。结果显示:不同处理不仅年总径流量存在差异,而且径流分配差异更明显;百喜草敷盖处理年总径流量最大,对照次之,百喜草覆盖最小;百喜草覆盖和百喜草敷盖处理的地表径流远小于对照处理,而地下径流量却超出对照处理许多;年均地表径流与地下径流调配比值百喜草覆盖、百喜草敷盖和对照处理分别为1/51.7,1/35.5和1/1.4。     

不同水土保持措施对坡地养分的影响

对不同水土保持措施对坡地养分的影响进行了研究,结果表明:采取百喜草覆盖或敷盖措施的坡地土壤的养分均得到了提高,养分空间分布差异也明显小于裸露对照,养分空间分布规律为上坡大于中坡大于下坡,横坡方向上养分分布差异不明显,养分有明显的表聚性,速效氮的平面空间分布差异大于有机质和全氮,垂直空间上分布差异速效氮小于有机质和全氮;分析表明采取百喜草覆盖和敷盖措施可以有效提高土壤养分含量并且减小养分的空间分布差异,其中以百喜草覆盖措施效果最好。     

百喜草对红壤坡地氮磷养分流失特征影响分析

为了研究南方红壤地区的氮磷等养分的流失规律,采用裸露对照(处理Ⅰ)、百喜草敷盖(处理Ⅱ)和百喜草覆盖(处理Ⅲ)3种处理措施进行比较,分析了百喜草对红壤坡地氮磷流失特征的影响。研究结果表明,水土流失是导致氮磷养分流失的主要原因,氮磷的流失以泥沙携带为主。3个处理小区中氮磷的流失浓度基本呈现先增大后减小并最终趋于稳定的状态,氮磷流失浓度的大小受降雨量及降雨历时等影响不大,受降雨强度影响较大。处理Ⅱ小区和处理Ⅲ小区内的总氮及总磷流失量要远远低于处理Ⅰ小区,均可有效控制氮磷的流失,其中以处理Ⅲ效果更佳并且便于实施。     

红壤坡地氮溶质分层输出特征试验研究

南方红壤丘陵地区降水集中且多暴雨,土层薄,易被冲刷侵蚀,坡地农林开发中以径流为载体传输的氮素面源污染对水环境造成威胁。本文利用大型土壤渗漏装置,在施肥前、施肥后、施肥后一年3个不同时期3场自然降雨事件下,对植草覆盖、干草敷盖和裸露3种处理下红壤坡面氮素随径流垂向分层输出特征进行分析。结果表明:地表径流总氮(TN)输出量各处理排序为裸露干草敷盖植草覆盖,壤中流和地下径流总氮的输出量干草敷盖裸露植草覆盖。在暴雨条件下红壤坡面径流中总氮分层输出以地下径流为主(占55.28%~95.30%),氮素流失不仅体现在地表(占0.12%~42.16%),更多地还体现在地下的壤中流和地下径流。植生覆盖和枯落物覆盖等水土保持措施有利于可溶性无机氮的下渗。     

南方红壤丘陵区不同生态恢复措施对土壤质量的影响

对南方红壤丘陵区的荒坡地采取不同生态恢复措施后的土壤理化性质指标进行了测定,分析结果表明:前埂后沟梯壁植百喜草的梯田果园对减小土壤密度、提高土壤持水能力和改善土壤通气状况的效果最好,横坡间种农作物的坡地果园对改善土壤结构效果最好;采取不同生态恢复措施的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷含量均高于裸露地,且以前埂后沟梯壁植百喜草的梯田果园各指标含量最高。采取不同生态恢复措施的土壤碱解氮含量和速效钾含量同样以前埂后沟梯壁植百喜草的梯田果园最高。试验结果表明,采用不同措施的生态果园对土壤的生态恢复效果较好,尤以前埂后沟梯壁植百喜草梯田果园效果最好。     

雨强及坡度对黄土区草地坡面水流流速的影响

黄土区草被覆盖下的坡面水流流速特征研究对于深刻认识该区草地坡面侵蚀动力和科学决策该区水土保持与生态建设具有重要意义。采用草地小区人工模拟降雨试验方法,对黄土区草地坡面水流流速随雨强及坡度的变化特征进行研究,结果表明:(1)在5个不同雨强及5个不同坡度下,草地坡面流速随降雨历时变化均表现为产流初期流速快速增大,持续一段时间之后转为缓慢增大或保持稳定,且可用幂函数描述;(2)草地坡面次降雨产流平均流速分别随单一因子雨强、坡度的增大而增大,且皆可用对数函数描述;(3)草地坡面次降雨产流平均流速随雨强及坡度复合因子的变化可用二元对数函数描述,试验条件下坡度对草地坡面水流平均流速的影响大于雨强的影响。     

海岛山地坡面降雨入渗与地表径流观测研究

该文在不同下垫面和降雨强度等情景下,于平潭岛设置野外降雨入渗与产流试验场地,根据获得的观测数据分析研究山地坡面降雨入渗和地表径流的形成过程。结果表明:与裸地观测小区相比,植被覆盖良好的坡面能延缓产流,有效拦蓄地表径流,增加入渗量;因降雨平均强度、降雨历时等降雨因子均值化,其与坡面降雨平均入渗系数的相关性均很低,无法响应降雨过程中雨型和降雨量的瞬时变化特征。该成果可为平潭岛雨洪资源高效利用提供科学依据。     

WEPP在黄土高原坡面径流调控中的适用性研究

针对黄土高原坡面降雨径流调控优化难以采用数学模型的情况,根据杨凌岭后降雨径流调控试验站部分降雨、产流、产沙观测资料,对WEPP 2006年坡面版应用于黄土高原坡面产流、产沙模拟计算的适用性进行了研究.结果表明:WEPP可对降雨径流调控措施下的径流量和产沙量进行模拟计算,但需对模型参数进行率定,并根据实测资料进行验证;WEPP对缓坡径流量和产沙量的模拟计算优于对陡坡的模拟计算,对裸地径流量和产沙量的模拟计算优于对径流调控措施(苜蓿地)的模拟计算,对径流量的模拟计算优于对产沙量的模拟计算.     

坡面产流过程及产沙临界对立地条件的响应关系

利用人工模拟降雨试验，以黄土高原黄土丘陵沟壑区第三副区黄土为模拟对象，依据45、90mm/h和130mm/h降雨强度下共计18个试验组次观测资料，定量研究了裸地、草地和灌木地三种立地条件20°陡坡产流过程及其产沙临界的响应关系。研究表明，高强度降雨条件下，草地和灌木地的减流作用会降低；裸地径流过程具有明显的起涨阶段，而草地和灌木地的起涨阶段不明显，对洪水过程具有消波调控作用，同时草地产流量受下渗率的影响比灌木地的大；裸地下渗率比草地和灌木地的明显为小，且其过程波动性强；三种立地条件的初渗率与稳渗率之差以裸地的最大，草地的最小，而且，产流与入渗的关系对降雨的响应是非线性的；断面比能参数可表征为产沙的主导因子，裸地、草地和灌木地的临界断面比能分别为0.074、0.11cm 和0.13cm。该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理，为生态修复工程建设提供科学依据具有重要科学意义。     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

坡地自然降雨入渗产流的数值模拟

从动量定理和水量平衡原理出发，推导出自然降雨条件(即同时考虑变雨强、降雨动量和风影响下的坡地径流过程)下的坡地径流基本方程。在考虑一般问题定解条件的基础上，采用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解。利用在江西省水土保持生态科技园内的10组实测资料对模型进行了验证，其计算值与实测值的相对误差不超过±11％；说明模型的计算结果是可靠的，提出的自然降雨条件下坡地径流模型是可行的。     

植被覆盖结构对坡面产流产沙的影响及调控机制分析

利用野外模拟降雨试验,以自然修复草本植被完整覆盖、地表覆盖、高层覆盖和无覆盖有根系等4种不同垂直覆盖结构为研究对象,分析了植被不同垂直结构对坡面产流产沙的影响作用。研究表明:(1)不同垂直覆盖结构条件下的坡面产流产沙特征差异明显,以无覆盖有根系坡面作对照,完整覆盖、地表覆盖及高层覆盖结构减流率分别为91.12%、83.28%和61.55%,减沙率分别为98.71%、96.10%和64.69%,完整覆盖结构对产流产沙过程的抑制作用最强;(2)试验条件下,植被完整覆盖、地表覆盖和高层覆盖可截留降雨1.85、1.01和0.84 mm,场次降雨截留率分别为1.73%、1.09%和0.90%;(3)坡面径流特征与植被覆盖结构有关,试验条件下,与无覆盖有根系坡面相比,完整覆盖、地表覆盖、高层覆盖坡面流速分别降低66.69%、53.47%和19.21%,径流深降低66.70%、51.17%、39.38%。植被垂直结构是影响坡面产流产沙的重要因素,仅用单一的覆盖指标难以充分反映植被对水沙的调控作用。研究成果对于定量评价不同植被覆盖结构的减水减沙作用有参考价值。     

降雨特征对半透水道路径流系数的影响EI北大核心CSCD

通过单车道半透水道路物理模型试验,采用人工模拟降雨的方法,系统研究了降雨强度、降雨历时、雨峰系数和雨型对半透水道路径流系数的影响。结果表明:径流系数随着重现期的增大而增大,当重现期从0.5 a增加到20 a时,径流系数从0.093增加到0.377;径流系数随着降雨历时的增大而减小,随着雨峰系数的增大而增大;当重现期和降雨历时保持不变时,均匀雨型条件下的径流系数略大于芝加哥雨型条件下的径流系数;重现期对半透水道路径流系数的影响最大,雨峰系数和雨型对其影响较小。     

南方红壤区马尾松林下水土流失与降雨量关系研究

为了更好地研究马尾松林水土流失规律,从水土流失主要控制因子——降雨因子出发,通过对红壤侵蚀区不同林下配置模式马尾松林径流试验小区2009—2011年的产流、产沙与降雨量的关系研究。得到如下结论：①各小区的产流量和产沙量均与降雨量呈显著性相关,回归模型主要以一元二次回归最优,个别小区以幂函数和对数函数最优,其中以马尾松地表裸露小区模拟方程可决系数最大;②各雨型在同一郁闭度条件下,除去郁闭度为0％的小区外,各小区基本满足乔＋地表裸露〉乔＋百喜草〉乔＋胡枝子,伴随着降雨量的增加,各小区的径流系数总体上呈增加的趋势,尤其在暴雨和大暴雨以上的雨型更加明显;③产沙方面,各雨型条件下,除去郁闭度为O％的小区和个别郁闭度为24％的小区外,基本上满足乔＋地表裸露〉乔＋胡枝子〉乔＋百喜草。     

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R²为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。