红壤坡地降雨产流的数学模拟及其过程分析

基于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数值求解,并通过实测资料对模型进行验证,结果表明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。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流作用。     

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。     

不同植被根系对河堤岸坡加固效果

为分析不同植被根系对土体抗剪强度参数的影响及对河堤岸坡加固效果的影响,本文对含香根草、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿根系土体和裸地进行直接剪切试验,并基于FLAC3D建立河堤岸坡模型,研究了不同植被加固条件下岸坡安全系数。结果表明:4种植被均能显著增强土体抗剪强度,且香根草增强效果最明显,狗牙根增强效果最弱;植被根系对河堤岸坡加固效果明显,不同类型植被根系加固河堤安全系数为香根草百喜草紫花苜蓿狗牙根裸地。     

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。     

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。     

不同次降雨条件对黄土区主要地类水沙动态过程的影响及其机理研究

通过野外人工模拟降雨试验，对不同次降雨条件下黄土丘陵区主要地类坡面水沙过程进行对比研究，分析降雨因素与产流产沙过程的关系，并对林草植被的水土保持机理做了有益探讨。结果表明，降雨因素是影响径流和产沙的主要动力因素之一，在不同降雨条件下，各地类小区产流产沙过程线均表现出较为强烈的波动趋势，产沙过程较产流过程波动更为剧烈，在植被覆度较低的黄土丘陵区，降雨强度是产流产沙的主控因子。不同地类的产流量和产沙量的变化，随着降雨强度的增强而增加，随着植物被覆度的增加，由于林草植被措施具有蓄水固土作用，减沙效益显著，降雨的影响相对降低。因此将陡坡耕地退耕还林还草是解决水土流失、恢复黄土高原良性生态环境的必由之路。     

黄麻土工布对土壤抗侵蚀性能的影响

 黄麻土工布可灵活地覆盖并附着于土壤表面，有效地减小雨滴溅蚀，拦截坡面水流，控制土粒移动。试验结果表明：在1次降雨量为20－38mm时，覆盖黄麻土工布可减少5.09L/m2的径流量，在1次降雨量10～38mm，盖布可减少84.9%～98.40%的产沙量。人工降雨条件下，盖布可推迟产流时间3-6min，不同处理的累积径流量、产沙量与时间均呈显著的线性相关，盖布与光板地的曲线斜率相差很大，光板地小区的累积产沙量与时间的曲线斜率为盖布小区的412.79倍。同时，覆盖黄麻土工布还可提高土壤中小于0.002mm的颗粒比例，增加土壤团聚度，并有提高土壤抗剪强度的趋势。     

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。     

不同措施下土壤侵蚀特征值及其影响因子典型相关分析

根据东北沟小流域观测裸地、等高耕种、水平阶等3种措施径流小区的径流量和泥沙量资料,研究不同措施下径流泥沙与降雨等因素的相互关系,采用典型相关分析法分析不同措施下影响土壤侵蚀的主要因子。结果表明,在裸地和等高耕作措施下,径流深在土壤侵蚀特征因子中起主要作用,而在水平阶措施下,土壤流失模数在土壤侵蚀特征因子中起主要作用。不同措施下土壤侵蚀影响因子不同,在裸地和水平阶措施下,可以通过降雨量、雨强和雨前土壤含水量等土壤侵蚀影响因子来预测径流深和土壤流失模数,而在等高耕作措施下,用降雨量、雨强、降雨侵蚀力等土壤侵蚀影响因子预测土壤侵蚀特征因子更为准确。     

模拟降雨下枯落物调控坡面产流产沙过程及特征研究

本研究采用模拟降雨实验的方法,研究了30、60和90 mm/h降雨强度下,5种枯落物覆盖坡面径流的水动力学特征,以期揭示枯落物覆盖条件对坡面产流产沙过程及其径流水动力学特征影响。研究结果表明:坡面平均产流率和产沙率随降雨强度增大而增大,随枯落物生物量增加而减小,并且与降雨强度和枯落物生物量之间均为指数函数关系;坡面流量-历时曲线稳定流量值主要受降雨强度的影响;产沙率-历时曲线稳定产沙率受降雨强度和枯落物生物量等多种因素的影响;枯落物覆盖对坡面径流水动力学特性有显著影响,相比于裸坡覆盖有50、100、150、200 g/m~2枯落物坡面径流平均流速相比裸坡减少率分别在17.7%、26.8%、37.9%、53.7%;雷诺数减少率分别在11.2%、18.7%、26.3%、33.4%左右;弗劳德数减少率在21.3%、30.3%、42.9%、61.2%左右,Darcy-Weisbach阻力系数增大了0.5~5.6倍;产沙率与Darcy-Weisbach阻力系数呈对数关系,与剪切力和径流功率呈线性关系,枯落物能显著增大径流临界剪切力和功率;产沙率(Dr)和各水动力学因子间有良好的相关关系,相关程度顺序为:RewVPFrft。