砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程

紫色土中砾石分布广泛,地表常为砾石覆盖,砾石覆盖对土壤水文过程有着重要影响。试验小区(2 m×1 m)为坡度23°的坡耕地, 试验降雨强度为(53.9±2.8)mm/h、 (90.8±6.1)mm/h和(134.3±14.9)mm/h, 砾石覆盖度为0%,11%,20%,33%和42%。通过原位人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下砾石覆盖对降雨入渗、地表产流及壤中流产流的影响。结果表明:砾石覆盖对入渗过程影响显著,稳定入渗速率及稳定入渗系数与砾石覆盖度呈正相关关系,3种降雨强度下,稳定入渗系数分别为47.70%~86.59%,30.61%~82.83%、17.76%~77.44%,42%砾石覆盖度小区的稳定入渗速率分别是裸露小区的1.95~4.94倍;地表砾石覆盖延迟地表产流、减少地表径流量,地表产流时间随着砾石覆盖度的提高呈增加趋势,地表径流速率及地表径流系数随砾石覆盖度的增加而降低,相对地表径流系数与地表砾石覆盖度呈指数负相关关系;地表砾石覆盖促进壤中流的发生、增加壤中流量,壤中流产流时间随着砾石覆盖度的增加逐渐缩短,壤中流径流速率及壤中流径流系数随地表砾石覆盖度的增加而提高,相对壤中流径流系数与地表砾石覆盖度呈指数正相关关系。     

三峡库区不同厚度紫色土坡耕地产流机制分析

土层厚度是影响坡面水文过程的决定性因素之一.通过野外模拟降雨试验(设计雨强60 mm/h),在小区尺度上研究了一个完整坡面上典型土层厚度紫色土坡耕地坡面产流机制.结果表明:对于地表径流,土层厚度为23 cm小区表现为饱和产流,而土层厚度为45 em和76 cm小区均表现为超渗产流;对于壤中流,土层厚度为76 em小区以...     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

降雨对青藏高原多年冻土区地表辐射的影响——以北麓河地区为例

青藏高原地表辐射变化影响多年冻土地表能量收支平衡、热工计算温度场边界条件以及冻土热稳定性。降雨变化是影响地表辐射的重要因素,以青藏高原北麓河地区的地表辐射资料和浅层地表水热监测数据为基础,分析了降雨对多年冻土区地表辐射特征的影响。研究表明：受降雨影响,辐射分量具有明显的日变化和年际变化特征,短波辐射被严重削弱,地面长波辐射削弱程度较低,而太阳长波辐射增强。小雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少24.6%、37.9%、4.2%,太阳长波增加了4.3%;中雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少32.2%、43.4%、1.7%,太阳长波增加了11.6%;大雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少56.3%、65.5%、4.4%,太阳长波增加了10.7%;降雨作用后地表反照率减小,且呈不对称“U”形变化,地表净辐射增加,长期时间尺度上降雨对净辐射影响不明显;降雨对辐射特征的影响程度与降雨强度呈正相关且地表辐射对降雨变化的响应有滞后效应。在暖湿化背景下,冻土热工计算中应考虑降雨对多年冻土区地表能量平衡和水热边界的影响。     

不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究

以北京昌平未来科技城试验基地的降雨强度为降雨条件，通过室内降雨试验平台，研究了4种典型不透水下垫面（沥青、砼面、SBS改性沥青和砼方砖）和4种典型透水下垫面（草坪砖A、草坪砖B、风积砂砖A和风积砂砖B）分别在8种恒定雨强条件下形成薄层产流后的糙率系数、沿程阻力系数和径流系数的变化过程。结果显示：平面尺寸、表面光滑度、材质对不透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显；而结构、材质对透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显；两类下垫面的糙率值和沿程阻力系数均随雨强增加呈现减小的变化趋势，但变化的幅度较小，之后逐渐趋于稳定；两类下垫面的径流系数在不同雨强下保持相对稳定。     

不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究

以北京昌平未来科技城试验基地的降雨强度为降雨条件，通过室内降雨试验平台，研究了4种典型不透水下垫面（沥青、砼面、SBS改性沥青和砼方砖）和4种典型透水下垫面（草坪砖A、草坪砖B、风积砂砖A和风积砂砖B）分别在8种恒定雨强条件下形成薄层产流后的糙率系数、沿程阻力系数和径流系数的变化过程。结果显示:平面尺寸、表面光滑度、材质对不透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显；而结构、材质对透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显；两类下垫面的糙率值和沿程阻力系数均随雨强增加呈现减小的变化趋势，但变化的幅度较小，之后逐渐趋于稳定；两类下垫面的径流系数在不同雨强下保持相对稳定。     

自然降雨事件下红壤坡地壤中流产流过程特征分析

为研究红壤坡地的壤中流输出特征,采用野外大型土壤入渗装置,对红壤坡面草地和裸地不同深度(30 cm和60 cm)壤中流输出开展自然降雨-产流过程的观测试验。结果表明:① 壤中流产流过程随着土层的加深,滞后时间和拖尾时间均延长,与降雨过程相适性减弱。草地壤中流产流量、峰值、产流历时均大于裸地,其差异在突发型降雨下表现更为明显;② 壤中流产流量和降雨量呈显著性正相关(R2为0.6942~0.8770),但与雨强关系不明显。突发型和峰值型降雨壤中流产流过程洪峰升涨迅速,而均匀型壤中流产流过程平缓。突发型、峰值型和均匀型降雨裸地壤中流产流量与地表径流量相比分别为13.82%、91.73%和159.04%,草地则为118.95%、312.11%和368.33%;③ 土壤前期含水量增加,壤中流产流滞后时间缩短,峰值和流量增大。     

人为弃土的堆积与侵蚀过程的初步研究

黄土高原地区人为弃土堆积的方式主要有两类,一般都会形成较陡的松散堆积泻溜坡面。在短历时、高强度暴雨条件下,人为弃土坡可发生强烈的侵蚀,侵蚀产沙量是裸露自然荒坡的10．8～12．2倍．人为倾倒弃土形成的小型土堆,侵蚀产沙量相对较少,但仍然增加了地表遭受侵蚀的面积．     

降雨入渗对土坡稳定性影响分析

在饱和-非饱和渗流理论基础上,从降雨强度、前期降雨总量、不同的土坡坡度以及是否考虑植被护坡等方面对大气降雨条件下土坡的稳定性进行了探讨.分析结果表明,在土体饱和渗透系数一定的条件下,强降雨对土坡稳定系数影响显著;土坡越陡,降雨强度大小对土坡安全性影响就俞显突出;土坡表层植物根系的存在影响非饱和区渗流场分布,可以延缓非饱和区含水量的增大,土坡稳定系数得到提高.     

长三角地区典型海绵设施水文效益试验研究

开展不同海绵设施在中国长三角气候模式下的水文效益研究, 对增强城市应对内涝能力从而提高城市对变化环境的适应性具有重要科学意义。选择国家首批海绵试点城市镇江海绵基地4种典型海绵设施作为研究案例, 采用径流系数、削减率、削峰率及洪峰流量等指标, 评估场次降雨与海绵设施出流相关性, 分析海绵设施在不同降水量级和降雨雨型下的水文性能, 以及运行时间对海绵设施水文效益的影响。结果表明: ①透水铺装类海绵设施的降雨—径流关系呈单一式; 而绿植类则表现为分段式, 即在场次降水量超过一定临界暴雨量之后关系线发生转折, 其中平均径流系数增加了8.4~38.5倍, 平均削峰率和削减率分别减少了50.4%和44.6%。②暴雨条件下不同海绵设施的产流能力和洪峰流量最大, 对径流总量消减能力及洪峰流量削减能力最弱, 且从暴雨到大雨变化规律比大雨到中雨变化规律更显著。③海绵设施的水文性能受到降雨雨型、平均降雨强度和最大单位降雨强度等因子多重复合影响。除雨水花园外, 其他海绵设施的径流系数对上述影响因子变化最为敏感, 洪峰流量次之, 削减率第3, 削峰率的敏感性显著低于前面三者。④车行透水砖运行1 a后, 其产流能力与洪峰流量分别显著增加1.7~2.1倍和1.9~2.5倍; 径流控制能力显著减弱, 其中消减能力降低了16%。     

黄河数字流域模型的建立和应用

黄河数字流域模型是“数字黄河”的重要组成部分,在数字流域模型框架下,以坡面为基本单元,建立了包括植被截留、融雪、地表蓄滞、表层土蓄滞、中层土蓄滞和深层土蓄滞共6层的产流模型.模型在垂向上考虑3层出流:地表超渗产流、表层土侧向渗流和中层土侧向渗流,既反映当前的降水过程,又体现前期降水过程和土壤前期含水量的影响,比较适合黄河流域的产流特点.在坡面产流的基础上,还给出了坡面单元侵蚀产沙公式,用于建立流域产沙数学模型.应用建立的模型,给出了3个计算实例:黄河全流域水量计算、小花区间汛期洪水模拟和多沙粗沙区产沙计算.实践表明:建立的模型基本具备了在黄河全流域进行降雨-径流模拟、侵蚀产沙计算的功能,辅以降雨预报模块则可进行洪水预报.     

山丘区变动产流层分布式水文模型

基于山坡水文试验的新认识, 提出变动产流层概念, 将壤中流的描述从单一的土壤层间拓展到土壤-风化基岩界面, 通过对壤中流形成及发展过程的精细刻画, 实现了蓄满-超渗产流及其转换机制的统一描述。基于变动产流层概念, 根据运动波模型理论, 推导了单元网格的超渗/饱和地面径流、壤中流的计算公式, 利用非线性水库计算地下径流量, 采用二维扩散波进行地表汇流、一维扩散波进行河道汇流, 建立了面向山丘区的变动产流层分布式水文模型(VRGL)。对典型湿润山丘区的屯溪流域2010—2019年共24场洪水进行模拟, 结果显示: 洪峰流量和洪量的相对误差均在±20%内, 确定性系数在0.84左右, 表明VRGL具有较高的精度, 可用于山丘区洪水预报。     

Experimental research on the influence of two cultivation practices on rainfall runoff- and （sandy and muddy） sediment-generating processes in purple soil environment

Rainfall simulations have been conducted to study the soil erosion process of purple soil in two cultivation practices---contour cultivation and downslope cultivation. Results showed that under the two cultivation practices, the surface runoff can be described by the logarithmic function formula. In the initial period of rainfall, the amount of runoff increased with the rainfall duration and 20 minutes later it became relatively constant. The changing process of soil erosion rate may be described by the logarithmic function formula. The erosion rate increased with the rainfall duration and 20 minutes later it also became constant. Under downslope cultivation condition, the soil erosion rate increased more significantly than that under contour cultivation condition in the case of gentle rainfall intensity, and there is no obvious difference in erosion rate for downslope cultivation and contour cultivation practices. However, with increasing rainfall intensity the soil erosion rate under the downslope cultivation condition could be more than 30 times that under the contour cultivation condition. But this kind of difference would be reduced to some extent in the case of heavy rain.     

四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的临界条件

探明强降雨下泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件对预防泥沙灾害及减少水土流失将起到至关重要的作用。选取典型的四川紫色土试验区鹤鸣观小流域为研究对象,采用数据分类统计对比分析方法,对试验站近10年降雨径流输沙资料进行分析,研究强降雨情况下次降雨量、降雨强度和降雨历时等对泥沙输移突增的影响,找出导致泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件。研究结果表明:四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的关键特征因子为次降雨量、降雨强度以及最大径流模数;同时各关键因子的临界值分别为降雨强度5.3 mm/h,次降雨量130 mm,以耕作方式为主的坡地最大径流模数临界值为6 000 dm3/（km2·s）,以种植林草为主的坡地最大径流模数临界值为3 000 dm3/（km2·s）。     

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

利用水化学方法识别岩溶水文系统中的径流

通过暴雨中的野外观测,确认了桂林丫吉试验场S31泉岩溶水文系统中多种径流形式：表层岩溶带管道流、回归流、坡面流和壤中流。现场测量发现不同形式径流的水化学特征(pH、电导率、Ca²⁺、HCO^-₃)存在差异,Ca²⁺的质量浓度相差最大可以达到3倍。从CaCO₃-H₂O-CO₂平衡体系来看,CO₂分压（p_CO2）对径流的水化学特征具有控制作用。在大气p_CO2影响下的岩溶水矿化度较低,而土壤空气p_CO2达到2.7%,是大气的近百倍,其影响的径流矿化度较高。鉴于大气中和土壤中p_CO2的显著差异,从水化学特征上将径流分为2类,并且认为它们构成了系统出口洪水的2个主要来源。在此基础上利用水化学方法计算出S31岩溶泉洪水时的径流构成。结果表明,在暴雨的情形,由大气p_CO2环境产生形成的岩溶水的比例占到泉水总量的70%,进一步证明了快速流在岩溶水中的重要作用。     

耦合冻土方案的大气模式对祁连山区春季土壤状况的模拟

对黑河流域上游山区水源涵养林区2003年春季土壤温度、湿度变化进行分析,运用耦合冻土参数化和没有耦合冻土参数化的大气模式MM5对该区春季过程进行了模拟,并与观测值进行对比,对模拟的产流量做了初步分析.结果显示:考虑冻土参数化方案对土壤温度模拟的改进主要体现在表层土壤,对深层土壤温度的模拟没有大的改进;考虑冻土参数化方案改进了对100 cm深度以内的土壤含水量的模拟,很大程度上缩小了模拟值与观测值之间的绝对误差.总体来讲,考虑了冻土参数化的模拟结果在一定程度上改进了模式对黑河流域上游季节冻土区土壤温、湿状况的模拟,在一定程度上逼近祁连山区的春季土壤状况.考虑冻土参数化和没有考虑冻土参数化对产流量的模拟表明,冻土参数化对产流量模拟有很大影响,冻土形成的不透水层可以产生更多的地表径流.尽管考虑冻土参数化过程对模拟结果有一定程度的改进,但模拟结果与实测结果还是有一定差距的.因此,进行寒区冻土过程模拟时,还需要进一步对土壤信息、模式物理过程,大气背景场驱动数据以及局地因素进行详细而精确的考虑,以期进一步提高模式在寒区的模拟性能,特别是为高寒山区无观测地带陆气相互作用研究提供依据.     

前期土壤含水量对红壤坡面产流产沙特性的影响

利用田间人工模拟降雨试验,研究了前期土壤含水量对两种红壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响.结果表明:前期含水量越高,两种土壤都是产流越快,达到稳定径流和入渗的时间越短.低含水量区(干态和稍干),两种土壤的径流系数和入渗率都与降雨时间呈线性关系,并在60 min内达不到稳定.高含水量区(稍湿和湿态),两种土壤的径流系数、入渗率及产沙速率与降雨时间关系都符合Boltzmann(玻耳兹曼)方程;第四纪红粘土发育的红壤稍干态和红砂岩发育的红壤干态下的产沙速率在整个降雨过程中变化不明显,并都维持在较低水平;第四纪红粘土发育的红壤干态和红砂岩发育的红壤稍干态下的产沙速率随着模拟降雨的进行而大致以线性关系增大.土壤前期含水量越高,两种土壤坡地累tk积入渗量都越小,雨水转化为土壤水分的比率亦越小.