土壤入渗特性的空间变异性及土壤转换函数

以在杨陵一级阶地上进行的入渗试验为基础,利用多重分形和联合多重分形方法,研究分析了土壤入渗特性在多尺度上的空间变异性及与土壤物理特性的相关性,并在此基础上建立了土壤入渗特性的土壤转换函数。研究表明:土壤入渗特性具有多重分形特征,观测尺度上,稳定入渗率、前30 min累积入渗量的空间变异都主要由粗粉粒和粘粒含量的空间变异造成。在多尺度上,稳定入渗率的空间变异受土壤容重、粗粉粒和粘粒含量的空间分布影响显著,前30 min累积入渗量的空间变异受粗粉粒和粘粒含量的空间分布影响显著,与观测尺度上的影响因素相同。基于联合多重分形分析建立的稳定入渗率的土壤转换函数的计算误差较小,前30 min累积入渗量的土壤转换函数的计算误差较大。     

土壤入渗特性的空间变异规律及其变异源

以封丘地区典型的4种土地利用类型(传统耕作地、免耕地、金银花地和杨树林地)为例,系统研究了不同土地利用方式下土壤入渗特性的空间变异强度、空间变异结构及其主要变异源。结果表明,频繁的耕作会降低土壤异质性,弱化土壤特性空间变异结构,扰动较小的免耕地和金银花地的土壤入渗特性则具有相对明显的空间变异结构,扰动最小的杨树林地土壤的入渗特性具有最为明显的空间变异结构和最小的变程。容重、有机质含量和初始含水量是耕作地入渗的最主要变异源,初始含水量则是金银花地入渗的唯一显著性变异源;杨树林地入渗变异的主要变异源是有机质和初始含水量;影响免耕地入渗特性变异的变异源并不显著。在有些情况下,水温也可能成为入渗特性空间变异研究的重要干扰因素。     

基于点入渗参数计算土质渠床自由渗漏损失的方法

基于非饱和土质渠床有压单点入渗试验,对自由渗漏情况下土壤有压入渗入渗率随时间的变化过程进行了系统性的分析,建立了渠床土壤有压点入渗经验模型,研究了土壤入渗模型参数与水深之间的函数关系。基于点入渗参数与水深之间的函数关系,提出了沿断面积分计算渠道输水渗漏量的模型。该计算模型通过入渗模型参数全面反映了渠道土质、干容重、含水量和水深对渗漏量的影响。计算实例表明:与考斯加科夫公式计算结果相比较,该计算结果可更真实地反映渠道渗漏量随时间的变化过程,并具有更高的精度,证明利用点入渗参数计算渠道输水渗漏量是可行的。     

斥水性土壤水分入渗试验和模型

为研究斥水性土壤水分入渗规律,并探寻适用于斥水性土壤水分入渗的数学模型,以妫水河流域亲水性和斥水性土壤为研究对象,开展室内一维垂直土柱入渗试验;分别采用Kostiakov分段函数、Fourier级数、一阶Gaussian函数以及Gaussian分段函数对斥水性土壤入渗率进行拟合。试验结果表明:亲水性土壤入渗率随时间呈单调减小变化趋势,斥水性土壤入渗一段时间后累积入渗量会出现翘尾现象,入渗率为先增大后减小的单峰曲线。模型图形分析表明: Kostiakov分段函数入渗率在拐点处同时存在一个极大值和极小值,Fourier级数存在多个波峰,一阶Gaussian函数不能反映入渗率在拐点后大于拐点前的试验现象,因而均难以真实反映斥水性水分入渗过程。忽略水分开始快速入渗过程,Gaussian分段函数模型不仅能够反映入渗率在拐点前的单调增以及拐点后的单调减过程,同时也能够体现入渗率在拐点后大于拐点前的试验现象。     

青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析

青藏高原多年冻土区活动层土壤的入渗规律研究是高寒区土壤水循环过程研究的主要内容。以青藏高原多年冻土区高寒沼泽草甸、高寒草甸和高寒草原的活动层土壤为研究对象,裸地为参照对象,分析了不同植被类型土壤的入渗规律及其主要影响因子。结果表明：不同植被类型土壤的入渗能力排序为高寒草原>裸地>高寒草甸>高寒沼泽草甸。高寒草甸土壤中致密的根系对土壤水分的运移具有强烈的阻滞作用,降低了土壤的入渗性能,而高寒草原土壤层根系较为稀疏,对土壤入渗的阻滞作用较弱,土壤水分向深层的渗漏速率较大。通过对比4种土壤入渗模型的模拟结果,发现Horton模型更适用于描述高寒草地土壤水分的入渗过程。另外,不同入渗模型对裸地入渗过程的模拟均优于其他植被类型草地,说明植被类型及植物的生长状况影响土壤入渗过程的模拟效果。全球变暖条件下,多年冻土区土壤入渗研究将为青藏高原多年冻土区陆地水文过程模型提供参数支持,为未来水资源变化研究提供基础数据。     

同位素信息确定Philip入渗模型稳定入渗率

通过流域水循环中各要素同位素含量的测定,扩大建模信息利用量,增加确定模型参数所需信息,提高参数可识别性,可在一定程度上减少参数的不确定性.以仅有两个参数且物理意义明确的Philip入渗模型为例,利用同位素信息确定Philip入渗模型参数稳定入渗率,并通过室内降雨入渗实验来检验同位素信息确定模型参数结果.结果表明,利用同位素信息确定的Philip入渗模型稳定入渗率与实测值接近.氢氧稳定同位素的分析精度对利用同位素信息确定模型参数结果有一定影响.     

非均质土壤中二维非饱和土壤水分运动的随机分析

以一水平向具有空间变异而垂直向为均质的二维非饱和流动区域中的均匀入渗问题为例,应用Monte Carlo随机模拟方法分析了土壤水分变量的随机统计特性及其一、二阶矩的时空分布规律。在随机分析过程中,将所研究的流动区域土壤水力特性的空间变异性以随空间位置变化的标定参数δ(x)表示,并将标定参数δ(x)视为一维随机空间函数的实现,应用随机生成模型来生成参数δ(x)的随机样本。通过随机模拟分析得到:垂直方向上负压水头方差与平均负压水头近似呈一线性关系;随入渗时间的延长,不同深度处表征负压水头空间变异结构的自相关函数趋于一稳定结构。     

非饱和土壤水分函数解析与Richards方程入渗新解

从土壤微观统计学角度出发，用各向均一无结构土壤“切片”孔径级配函数构建的统计毛管束模型和土壤水分分布依赖的力学原理，论证了理查兹方程中导水率、基质势、扩散率等水分函数和入渗率随充水度，土壤基质而变的机理、规律以及两者之间的内在联系，给出了相应的计算公式和可操作的参数确定方法。把迄今水分函数研究的纯经验相关现状提高到理论分析水平，使建立理论公式成为现实。     

青藏高原风火山流域多年冻土活动层土壤水分入渗特征及变化分析

坡向和坡位是影响坡面活动层土壤水分入渗的重要因素,然而当前对多年冻土区活动层土壤冻融循环影响下不同坡向、坡位土壤水分入渗特征的研究甚少。本文设置了不同时空条件的野外试验点,更加系统地分析了青藏高原多年冻土区活动层土壤水分入渗过程的时空差异性。选取青藏高原腹地风火山流域高寒草甸坡面活动层土壤为试验地,分别在不同的坡向(阳坡、阴坡)和坡位(坡顶、坡中)设置观测点,分析活动层土壤在完全融化期(7—8月)和开始冻结期(9—10月)坡面水分的入渗特征及其时空差异性,评估不同入渗模型在研究区的适用性。结果表明,多年冻土区坡面活动层土壤水分入渗特征具有较强的时空差异性。土壤水分入渗过程可以分为入渗瞬变阶段(0～30 min)、入渗渐变阶段(30～100 min)、入渗稳定阶段(>100 min)三个阶段,入渗速率的大小整体表现为阳坡>阴坡,坡顶>坡中,完全融化期>开始冻结期,瞬变阶段>渐变阶段>稳定阶段。五种模型对入渗过程的模拟结果显示,Horton模型对青藏高原多年冻土区土壤水分入渗过程的模拟效果最佳,而通用经验模型和蒋定生公式对入渗的拟合曲线和统计参数几乎完全...     

确定Brooks-Corey土壤水力特性模型参数的垂直入渗方法

在水平入渗方法的基础上,提出了一种不需测定饱和导水率,仅利用一维垂直入渗试验即可确定Brooks-Co-rey模型参数的新方法.利用封丘县两种质地土壤的入渗资料,对所提出的方法进行了检验.结果表明,只要入渗历时足够长,基质势和重力势作用相当,垂直入渗方法确定的土壤水力参数与水平吸渗方法的预测结果相近;利用预测的参数,数...     

砂沟滴灌技术参数模型

在分析砂沟滴灌土壤入渗规律的基础上,根据水量平衡原理建立了求解砂沟滴灌技术参数(沟宽、沟高、透水边壁高度、滴头流量)的模型,并将恒定水头积水入渗试验和Philip模型用于求解模型中的土壤入渗性能。以该模型计算的技术参数为基础,通过砂沟滴灌试验验证了模型的可行性,并对影响模型精度的因素做出了分析。试验结果表明,该模型能够较精确地设计砂沟滴灌技术参数。二维恒定水头积水入渗试验中,土壤吸渗率和渗透率是灌水时间的函数,砂沟滴灌中变化的积水深度和湿周是影响模型精度的另一个因素。     

分布式降雨径流物理模型的建立和应用

根据流域降雨径流的主要过程,考虑流域气象及下垫面要素的空间异质性,建立了具有物理基础的分布式降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性分栅格单元为坡面单元和河网单元。在坡面单元上主要计算降雨、下渗、坡面流、壤中流等水文过程,而河网单元则主要计算河道汇流过程。模型利用空间权重插值方法将雨量站点的降雨量插值到各个计算单元,采用运动波方程来计算坡面流,将壤中流概化为垂向流和侧向流,分别用Green-Ampt公式和运动波方程来模拟,河道汇流也采用运动波方程。模型结构简单、参数的物理意义明确,大多数参数可利用DEM、土壤类型图、植被类型图直接获取,少数敏感参数通过率定确定。模型在浙江省甬江上游黄土岭流域和皎口流域进行了应用和检验,其结果令人满意。     

Soil water balance model for precipitation-induced shallow landslides

Precipitation infiltration is one of the most significant triggering factors for slope failure occurrence in many places around the world. Knowledge of the mechanisms leading to precipitation-induced slope failures is of great importance to the management of landslide hazard. In this study, a soil water balance model is developed to estimate soil water flux during the process of infiltration from rainfall data, with consideration of storm periods and non-storm periods. Two important assumptions in this study are given: (1) instantaneous uniform distribution of the degree of saturation and (2) a linear relationship between evapotranspiration and the related degree of saturation. For storm periods, the Brooks and Corey model estimates both the soil water retention curve and soil water parameters. The infiltration partition is employed by an infinite-series solution of Philip in conjunction with the time compression approximation. For none-storm periods, evapotranspiration can be derived for the moisture depletion of soil water. This study presents a procedure for calculating the safety factor for an unsaturated slope suffering from precipitation infiltration. The process of infiltration into a slope due to rainfall and its effect on soil slope behavior are examined using modified Mohr–Coulomb failure criterion in conjunction with a soil water balance model. The results indicate that the matric suction, which is closely related to slope stability, is affected by the degree of saturation controlled by rainfall events.     

Distribution characteristics of tritium in the soil in Beishan area of Gansu Province

Beishan region in Gansu was the preselected area for China’s high-level radioactive waste (HLW) repository. In selecting and evaluating a new dump site, the tritium study is of great significance. The Xinchang-Xiangyangshan preselected area in the Beishan area was taken as an example. This paper selects typical unit and tries to use the distribution characteristics of tritium in the soil to study the atmospheric precipitation infiltration recharge in this area. The results show: In this region, the spatial variability of the tritium content in surface soil is large; it is feasible to use bound tritium tracer method to study the theory of atmospheric precipitation infiltration recharge; the atmospheric precipitation infiltration has close relationship with the soil particle composition, salt content, mineral composition, water content and organic matter content. These results can provide important basis for developing the atmospheric precipitation infiltration recharge, groundwater numerical simulation, nuclide migration study and so on.     

Pedotransfer functions to estimate soil water content at field capacity and permanent wilting point in hot Arid Western India

Characterization of soil water retention, e.g., water content at field capacity (FC) and permanent wilting point (PWP) over a landscape plays a key role in efficient utilization of available scarce water resources in dry land agriculture; however, direct measurement thereof for multiple locations in the field is not always feasible. Therefore, pedotransfer functions (PTFs) were developed to estimate soil water retention at FC and PWP for dryland soils of India. A soil database available for Arid Western India (N=370) was used to develop PTFs. The developed PTFs were tested in two independent datasets from arid regions of India (N=36) and an arid region of USA (N=1789). While testing these PTFs using independent data from India, root mean square error (RMSE) was found to be 2.65 and 1.08 for FC and PWP, respectively, whereas for most of the tested ‘established’ PTFs, the RMSE was >3.41 and >1.15, respectively. Performance of the developed PTFs from the independent dataset from USA was comparable with estimates derived from ‘established’ PTFs. For wide applicability of the developed PTFs, a user-friendly soil moisture calculator was developed. The PTFs developed in this study may be quite useful to farmers for scheduling irrigation water as per soil type.     

沟灌土壤湿润体空间矩特征参数估算模型

为进一步增加矩分析理论在研究沟灌土壤湿润体运移特性方面的实用性,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,定量分析了土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数等因素对沟灌自由入渗条件下土壤湿润体空间矩特征参数的影响,并建立了其与主要影响因素间的函数关系式。结果表明,土壤初始含水率、入渗水深和沟底宽对垂直向土壤水分分布的质量重心影响较大;水平向湿润锋的平均离散度主要受土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数的影响,而垂直向对土壤初始含水率和入渗水深变化的敏感性较高;选取不同土壤质地对所建模型的可靠性进行了验证,结果表明所建模型估算不同入渗时刻的空间矩特征参数值与根据HYDRUS软件模拟结果所得计算值具有高度一致性,所有验证组合条件下两者相对误差绝对值均值均低于8.5%,且无显著性差异,说明所建模型估算沟灌土壤湿润体空间矩特征参数具有高度可靠性。研究结果可为沟灌灌水方案设计和管理提供理论基础和技术支撑。     

含碎石土壤水分入渗试验研究

采用一维积水垂直入渗法测定含碎石土壤的入渗过程,分析碎石含量和碎石组成对土壤水分运动影响。对试验数据采用Kostiakov入渗公式拟合,得出反映入渗速率的拟合参数比值与土石比成幂函数关系;采用简略的Philip垂直入渗方程幂级数解拟合湿润峰随时间的变化,拟合精度高,并发现拟合参数与土石比仍成幂函数关系。采用简单相关分析碎石粒径对入渗过程影响,得出粒径2~3 mm碎石与入渗过程成显著的负相关关系,而>25 mm碎石有利于入渗。研究结果可为含碎石土壤的水循环提供重要的基础。     

非饱和土壤水分运动参数空间变异性研究进展与展望

非饱和土壤水分运动参数的空间特征是科学认识大尺度土壤水分动态变化的基础和先决条件。在参考国内外大量文献的基础上,对非饱和土壤水分运动参数的研究进展从模型研究到空间尺度研究进行了分析与评述,指出机理模型研究是未来土壤水分运动参数空间变异性研究的方向,而尺度研究目前研究的精度不够;在对土壤水分运动参数的空间变异性研究各类方法分析和归纳后,指出土壤水分运动参数变异性研究的方法包括直接测定方法和间接估计方法两种,并对各种方法的优缺点及适用条件进行了总结;最后指出土壤水分运动参数空间变异性研究存在的问题主要集中在土壤水分运动参数的空间变异性结果的标准化问题和不同尺度土壤水分运动参数的相互转化等问题。