快速城市化地区多尺度水文观测试验与暴雨洪水响应机理分析

城市下垫面改变引起水文循环过程发生变异, 导致目前已掌握的天然情况下的产汇流规律和机制难以解释城市化等新形势下的水文现象与过程, 而面临需重新再认识的挑战。本文以长三角地区为典型, 建立了不同城市化水平及空间规模的水文试验流域, 探讨了快速城市化地区暴雨洪水响应规律和机制。结果表明: ①不同量级降水事件下城镇用地土壤水响应程度(表层土壤水涨幅基本超过4%)总体高于其他土地利用类型, 城市化地区下垫面的改变通过影响土壤水动态响应模式直接影响了地表产流过程, 植被覆盖率较低的城镇用地和荒地土壤含水率呈现出陡涨陡落现象, 而植被作用下的土地利用类型则表现出缓慢上升和缓慢消退的土壤水响应过程。②流域洪峰滞时和洪峰流量整体表现为随流域面积增加而呈幂律函数关系形式的增加。③总降水量与主要洪水特征(如洪峰流量、单位面积洪峰流量和径流深)基本呈显著相关(相关系数分别达0.49、0.41和0.78以上)。城市下垫面通过改变土壤水动态响应等产汇流特征而直接影响了洪水过程, 未来长三角地区暴雨洪水在城市化和气候因素双重作用下呈现持续加剧的趋势。     

表层岩溶带土壤温度和体积含水率对夏季暴雨事件的响应

为揭示表层岩溶带土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应机制,利用HOBO土壤温度和体积含水率监测仪,连续监测2014年7-8月20 cm和70 cm土壤温度与体积含水率。结果表明:研究区域20 cm土壤温度呈日变化,这种日变化格局主要受到大气温度日变化的影响,70 cm土壤温度总体上呈上升趋势,主要受到夏季大气环流使气温升高的影响。夏季暴雨事件降低了20 cm深度的土壤温度、增加其土壤体积含水率,并且导致70 cm处土壤温度先增高后降低、土壤体积含水率升高。土壤体积含水率较低情况下,暴雨事件使得浅层较高温度土壤水快速向下移动引起升温,而后土壤体积含水率到达一定阈值后,便能够快速响应降水事件。研究表明,岩溶地区不同深度土壤温度和体积含水率受到夏季降水事件的影响存在差异。浅层土壤能够快速的响应暴雨事件,深层土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应不仅受到降水量阈值的影响,而且也受到表层土壤温度和体积含水率的制约。      

鄂西岩溶槽谷区洼地的水位响应特征及产流阈值估算

以湖北省兴山县黄粮镇刘家坝和龙湾两处岩溶洼地作为研究对象,利用其降雨、水文和土壤水等监测数据,探讨灌入式补给条件下洼地汇流的水位响应特征和产流特点,并基于降雨量和洼地内明渠流量的关系,采用数学拟合方程,估算两处洼地的降雨产流阈值,进而分析了影响产流阈值的因素。结果表明:降雨强度增大,产流阈值减小;土壤前期含水率越大,越有利于坡面产流;落水洞和岩溶泉水位与降雨有较好的同步响应关系,水位变化曲线随雨强大小分别表现出“陡升陡降”和“缓升缓降”的特点;刘家坝和龙湾洼地的产流阈值分别为7.4 mm和10.6 mm。      

吹填超软土固结特性试验分析

为探讨吹填超软土的固结特性以及含水率与加荷比对次固结系数的影响规律,利用改装后的低压固结仪和常规的高压固结仪进行了分级加载固结试验。试验结果表明,正常沉积重塑土的固结系数随着固结压力的变化整体上呈现出逐渐增加的趋势,而超软土则表现为S型,即在低应力水平作用下,超软土的固结系数呈现下凹型增长; 之后随着固结压力的增加,固结系数近线性增长,但增量比逐渐减小。与正常沉积重塑土不同,超软土的次固结系数随着固结荷载的变化存在峰值; 加荷比对超软土次固结系数影响较大,较小的荷载增量可降低次固结系数; 超软土及正常沉积重塑土的次固结系数均表现为随含水率的增加而增加。     

干密度和含水率对岩溶地区黄壤抗剪强度的影响——以重庆市南川区木渡河小流域为例

选择广泛分布于岩溶地区的黄壤,通过对室内三轴剪切试验,测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响。试验表明:(1)在相同干密度情况下,黄壤粘聚力c随着含水率的增加呈现出先增加后减小的趋势,在相同土壤含水率水平下,粘聚力c随干密度增大而增大;黄壤内摩擦角φ在各干密度条件下均随着含水率增加呈明显减小的趋势,衰减速率基本一致;同一含水率水平下,内摩擦角φ随干密度变化不明显,土壤干密度为1.6g/cm3内摩擦角相对较大。(2)含水率和干密度的交互作用对黄壤粘聚力c有显著影响,粘聚力c在1.3~1.7g/cm3范围内随着干密度的增大而增大,且每一个干密度都有一个特定含水率与之对应,在这样一个交互作用下粘聚力c达到最大。(3)含水率和干密度的交互作用对内摩擦角φ影响相对较小,同一干密度下,其φ值差异不大,随干密度的增大缓慢增大,相对而言,含水率对内摩擦角φ的影响更明显,黄壤内摩擦角φ随含水率的增大呈非线性下降。      

洮儿河上游径流时序变化特征分析

干旱、半干旱地区河流径流对全球气候变化具有更高敏感性.主要位于内蒙古东北部半干旱、半湿润地区的洮儿河是本区域为数不多的河流,分析其径流的时序变化特征对研究本区域的全球气候变化响应具有重要意义.本文主要利用洮儿河上游索伦和察尔森两个代表性站点的近40年时间序列的逐日径流量资料,分别利用Kendall秩次检验,洪水频率和洪水滞时分析方法来分析洮儿河上游河流径流变化趋势、洪水频率和洪水滞时变化特征.结果如下:在过去40年内洮儿河上游径流量经历了下降-上升-下降的变化趋势,呈现平躺的S型,即可将其划分为1957～1972年的下降段、1972～1988年的上升段和1988～1997年的下降段.而通过Kendall秩次检验发现在相应的时段内两站的径流呈现显著性变化趋势.洪水频率分析表明,40年来洮儿河洪水发生频率有增加趋势,滞时分析结果则显示流域滞时时间呈减小变化.     

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.     

新疆喀什库山河近65年水文要素变化特征探讨

结合新疆喀什库山河流域内沙曼水文站近65年实测水文要素数据,统计分析库山河水文要素的变化特征。结果表明:库山河降水呈现递增变化且具有明显的垂直分布变化特征;蒸发量总体呈现下降变化且随着地势增加而逐步减少变化;受降水变化影响径流也总体呈递增变化且年际变化较为稳定;泥沙总体变化较为平稳,其年际变化要高于径流。消融型洪水属于库山河高发洪水,洪水年际变化较小。     

赣南大余地区农田土壤As、Cd元素化学形态含量分析

通过分析赣南大余地区农田土壤As、Cd元素化学形态含量,研究土壤中As、Cd元素形态含量特征和垂向变化、全量与形态含量的相关性。研究表明,赣南大余地区农田生态系统中土壤残渣态As、离子交换态Cd含量分别为22.14mg/kg和0.437mg/kg,分别占其总量的76.88%和54.97%;异常区表层土壤As、Cd元素的活动态百分比含量分别为4.03%和70.29%,分别高出对照区1.55倍和0.61倍;受污灌或洪水漫淹的农田土壤中As、Cd元素活动态含量具有垂直分布特征,其在0~20cm的表层土壤中富集显著,而20cm之下的土层含量有不同程度的下降。随表层土壤As、Cd元素总量增加,残渣态As和离子交换态Cd的百分比含量增加,而其它形态的百分含量下降或无显著变化。     

中国东部不同特征小流域水文对比观测试验分析

为探讨中国东部地区变化环境下水循环演变机制,通过水文站网加密观测、构建不同特征试验流域等方法,揭示了不同土地利用和不同城镇化水平下水文要素分布及响应规律。结果表明:①小流域内场次极端降雨局部差异较大,主要受到微地形和风向的影响。②鄞江镇试验流域水位涨幅和单位雨量水位涨幅均高于天然画龙溪试验流域,主要受到了流域大小和城镇化率等因素的影响。③城镇用地和耕地土壤水消退过程较快,林地退水过程相对较慢;浅层10cm、20cm和40cm土壤含水率对降雨滞后响应时间分别为0~0.25h、0.25~0.75h和0.5~0.75h,而深层(60cm和80cm)土壤含水率由于受到优势流的影响,响应较为复杂,响应时间变动范围较大。④小流域地下水对降雨的响应存在滞后性,响应时间为6.5~12h。     

五道沟实验站地温对气温和降水的响应

基于五道沟水文实验站1964—2020年长系列气象和地温观测资料,采用线性趋势回归方法,开展了近57年汛期、非汛期、年三个不同时间尺度和浅层、中层、深层不同深度地温变化特征研究,并分析了地温与气温和降水变化的响应关系。结果表明：（1）近57年,年尺度,浅层及中层呈上升趋势,深层地温变化不大。汛期浅、中、深各层地温以0.12～0.17℃/10 a的速率减小;非汛期以0.07～0.29℃/10 a的速率增加。年代变化,浅层及中层地温呈先下降后上升趋势,深层地温变幅较小,呈现先上升后下降再上升。（2）年尺度及非汛期,各层地温与气温呈显著及低度正相关,与降水呈弱负相关,汛期与气温呈显著负相关,与降水呈低度相关。浅层20 cm地温与气温相关性最强,5 cm地温与降水相关性最强,地温与气温及降水的相关程度汛期均大于非汛期,同期均有浅层>中层>深层。     

含水率对红砂岩特征应力及声发射特性的影响

为了探讨含水率对红砂岩特征应力及声发射响应特征的影响,利用RMT-150C岩石力学压力试验机和PCI-II AE win型声发射系统开展了不同含水率条件下红砂岩试件单轴压缩试验。对水侵蚀作用下红砂岩的物理力学参数及特征应力演化机制进行了分析,探究在不同含水率条件下声发射(宽、窄频带)时间序列模式的演化规律,同时基于累计声发射事件数与统计力学理论构建了红砂岩的损伤演化模型。试验结果表明:(1)P波波速随着含水率增加呈现先减小后增加的变化趋势,当含水饱和度达到临界值时,P波波速会降到最低值;(2)窄频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部颗粒间的摩擦作用息息相关,而宽频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部裂纹演化存在着内在联系;(3)水对声发射事件率(宽频带)在裂纹非稳定扩展阶段影响相对较为显著,对特征应力与强度的比值影响甚微,但对各阶段应变百分比作用效果相对较为明显,随着含水率的增加,红砂岩试件的失效模式由脆性破坏逐渐向延展性破坏转变;(4)随着含水率的增加,声发射事件率(窄频带)活跃期呈现后移的变化趋势,干燥、自然与饱和状态下岩石试件声发射模式分别为主震型、前震–主震–后震型和群震型;(5)基于声发射累计事件数(宽、窄频带)与统计力学理论构建的损伤演化模型可将不同含水率条件下红砂岩试件的损伤过程分为4个阶段:初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段。     

赣南地区人工切坡降雨致灾机制现场模型试验

赣南地区滑坡等地质灾害频发,降雨和人工切坡是该地区地质灾害的最主要诱发因素,物理模型试验尤其是现场模型试验是揭示滑坡发生机制的最有效手段。以赣南地区某风化变质岩人工切坡为研究对象,自主设计降雨模拟系统,布设有4个含水率、孔压监测孔及两处位移监测点,开展现场人工模拟降雨试验。研究边坡土体含水率、孔隙水压力以及位移与降雨过程的响应关系,探索持续强降雨作用下风化变质岩边坡的入渗规律,并揭示变质岩风化土坡的变形失稳模式。结果表明:降雨后土体含水率的变化存在滞后,雨水开始入渗后含水率持续增加,含水率增大幅度随其深度增大而减小;各测孔浅层土体孔压值降雨入渗过程响应明显,表层1 m以下土体一直处于非饱和状态;监测点位移与含水率变化速率呈明显的正相关,边坡变形主要集中于含水率变化明显的边坡一侧;边坡位移与孔压值变化响应明显,边坡内部土体发生剪胀变形现象使得孔压值降低,边坡变形速率随即减小;强降雨条件下陡峭人工切坡的变形破坏过程可归纳为3阶段:陡峭坡面分散坍滑,平台形成拉裂缝,边坡大范围垮塌。     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

喀斯特裸坡土壤侵蚀模拟研究

文章通过人工模拟降雨试验,研究不同地下孔（裂）隙度、基岩裸露率和雨强对地表、地下产流、产沙的影响,其结果表明:（1）土壤侵蚀与地下孔（裂）隙度具有较高相关性,地表产流、产沙随地下孔（裂）隙度的增大而减小,而地下则相反;（2）坡面径流刚产生时,雨滴击溅和薄层水流冲刷,土壤细小颗粒堵塞其毛管空隙,渗漏率减小,而地表径流量增大,土壤团聚体被破坏、分散和迁移,降水与土壤渗漏率增大,地表径流量减小,雨滴击溅增强,如此循环,降水与土壤渗漏率呈波动性变化;总体而言,地表、地下悬移质均随降雨历时呈下降趋势,而地表推移质则相反,地表、地下产流量变幅较小,趋于平行;（3）地表产流、产沙量随基岩裸露率增大呈波动性变化,总体呈下降趋势;而地下产流、产沙量随基岩裸露率增大呈波动性变化,总体呈增大趋势;（4）在较小雨强30 mm/h时,地表只产生悬移质流失,没有产生推移质流失;地表、地下产流、产沙都是随雨强增大而增大;雨强由30 mm/h增大到150 mm/h,地表累积产流量为538.5 L,累积产沙量为2 393.81 g,地下累积产流量为207.8 L,累积产沙量为687.73 g,累积产沙量的递增速率比累积产流量的递增速率要大,地表产流、产沙的递增速率大于地下产流、产沙的递增速率;（5）各因子与土壤侵蚀间相关程度为:降雨历时>雨强>地下孔（裂）隙度>基岩裸露率。该实验有助于为喀斯特地区的水土流失研究、评价及制订石漠化治理措施提供理论依据。      

河套平原表层土壤元素含量与空间分布特征

文中分析了河套平原不同表层土壤的元素含量,并运用统计学方法探讨了河套平原表层土壤元素的组成和空间变化。结果表明:河套地区土壤Al、Fe等元素与Na、Sr化学活动性元素的特征差异较大;而重金属元素Cu、Mn、Pb、Zn等元素存在异常,变异系数较大,明显受人类活动的影响,可作为人类工业活动的指标。表层土壤元素的空间变异特征表明,Ca、Mg等稳定元素存在明显的空间相关性,反映了土壤母质对元素含量影响较大;P元素的理论模型为线性,与河套地区大面积农田使用磷肥过量有关;重金属元素为中等强度的空间相关性,表明受到工农业生产等小尺度因素的影响。河套平原地区重金属元素空间分布总体呈现北部和南部地区较高,且北高南低,东西向变化不明显的特征,这与当地的工业开矿、城市化发展以及工农业的生产等人类活动密切相关。     

典型岩溶区土壤呼吸作用的昼夜变化特征及其影响因素

为揭示桂林毛村岩溶地区夏季表层土壤呼吸作用昼夜演变规律。本次研究选用静态暗箱/气相色谱法,监测了无降水影响下毛村岩溶区域的表层土壤呼吸通量的昼夜变化规律。同时野外监测表层土壤的温度、大气温度、大气压强等环境参数,以综合分析影响土壤呼吸作用昼夜变化的关键环境因子。结果表明:受到大气温度变化的影响,研究区域土壤表层温度呈现单峰型的昼夜变化规律,表层土壤呼吸作用也存在明显的昼夜变化特征。土壤呼吸最大值出现在12:40至14:40,最小值出现在4:40-6:40。土壤呼吸作用强度和变幅均是白天大于夜间。大气温度与土壤呼吸作用呈显著正相关关系（P<0.01）,说明在土壤含水量未超过阀值时,大气温度是影响土壤呼吸作用昼夜变化的关键环境因子。本次研究明确了土壤呼吸作用在昼夜变化上的变异性,对精确估算整个生态系统的碳收支有重要意义。      

高度城镇化背景下珠三角地区极端降雨时空演变特征

为分析城镇化发展程度与极端降雨变化之间的关系,选取珠江三角洲地区22个雨量站1973—2012年的小时降雨资料,利用空间分析、线性回归、滑动平均和Mann-Kendall趋势检验等方法,分析高度城镇化背景下珠三角地区极端降雨时空分布规律和变化特性,并解析暴雨雨型变化特征。结果表明:①珠江三角洲高度城镇化地区极端降雨量上升了44.3 mm/（10 a）,呈显著增加趋势,相邻其他地区则无明显变化,高度城镇化地区的前汛期极端降雨量显著增多是造成其年极端降雨量增加的主要原因。②珠三角地区暴雨雨型以单峰型为主,其中以雨峰在前的Ⅰ型暴雨占比最高,约为33.7%,高度城镇化地区Ⅰ型暴雨发生频率明显增加,易导致暴雨内涝事件增加,需加强高度城镇化地区防洪排涝工作。     

无碴轨道路基基床动力特性的研究

以遂渝线无碴轨道路基为背景,通过室内模型试验研究,分析了在循环加载条件下路基基床的动态力学特性。试验结果表明,动应力响应在基床表层横断面方向上呈“W”形分布,混凝土基础板轨下位置响应最大,中线处和端部响应较小,但随着深度的增加,逐渐变为盆形分布特征;在基床表层范围内,动态响应最为强烈,且随深度的增加,衰减速率较快;加载频率对动应力影响较小,对动位移及加速度影响较大。另外,在遂渝线无碴轨道综合试验段现场实车试验中,分别进行了CRH2型动车组和货物列车不同运行速度下路基基床的动力学响应测试研究,验证并评价了遂渝线无碴轨道路基基床工程适应性。     

吕梁山区马兰黄土抗剪强度参数的区域变化规律及其影响因素试验研究

为探索吕梁山区原状马兰黄土抗剪强度参数区域上的变化规律，以该地区29个区县94个取样点的马兰黄土为研究对象，通过直剪试验及其影响因素试验，分析区内马兰黄土抗剪强度参数的空间变化规律，及其抗剪强度参数c、φ与天然含水率、天然干密度、增湿含水率、含盐率等影响因素的变化规律。结果表明：在水平地域上，抗剪强度参数c、φ表现为东高西低、南高北低；在垂直空间上，表现为从表层向下黏聚力逐渐增大、内摩擦角逐渐降低的趋势；吕梁山东、西两侧原状马兰黄土抗剪强度参数c、φ受天然含水率、天然干密度的影响较小，离散程度较大；在天然状态条件下，随着含水率的增加，黏聚力c与增湿含水率具有良好的负指数函数关系，内摩擦角φ与增湿含水率呈负线性关系；在同一含水率条件下，含盐率与抗剪强度参数c、φ具有正相关关系；与含盐率相比，增湿含水率对c、φ的影响作用更为显著。该研究可为该地区马兰黄土地层的工程建设及防灾减灾工作提供基础和必备条件。