干旱区绿洲棉田土壤水盐运动数值模拟

本文中利用预报校正法求解土壤水分运动的ｈ型Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程。同时利用具有二阶高精度的差分法求解土壤盐分运移的对流扩散方程,此格式可避免利用一般差分格式时出现的数值弥散问题。最后,将上述数学模型对干旱区绿洲棉田,在蒸发条件下土壤水分运动和土壤盐分向上运动积累过程进行数值模拟,计算结果与测量值吻合较好。可为预报土壤盐碱化提供科学依据。     

土壤水盐运动模式研究及其在干旱区农田的应用

采用预估校正法求解土壤水分运动的h型Richards方程,此方法可以控制一定的迭代步数,但同样可达到二阶精度。同时采用具有二阶高精度的差分法求解土壤盐分运移的对流扩散方程,此格式可避免采用一般差分格式时出现的数值弥散问题。并将上述数学模式对干旱区绿洲棉田,在蒸散条件下土壤水分运动和土壤盐分向上运动积累过程进行数值模拟,模拟结果与测量值吻合较好,可为预报土壤盐碱化提供科学依据。     

基于氢氧稳定同位素的兰州市南北两山土壤蒸发时空变化及影响因素研究

基于2018年4—10月在兰州市南北两山采集的降水、河水及土壤样品,对不同水体中的氢氧稳定同位素进行测定,并应用Craig-Gordon模型分析了南北两山土壤蒸发的时空变化及其成因。结果表明：① 兰州市局地大气水线LMWL斜率相比全球大气水线GMWL较小,主要是相对湿度小,雨滴在下落过程中受到云下二次蒸发的影响。由表层0~10 cm至深层60~120 cm,土壤水δ²H和δ¹⁸O逐渐贫化,土壤水线SWL的斜率均呈现规律性增大,说明表层土壤受到的蒸发分馏最为强烈,随着土壤深度的增加,蒸发分馏逐渐减弱。② 时间变化上,局地蒸发线斜率S_LEL在4月较大,土壤蒸发较小,4—6月减小,土壤蒸发增大,6—8月趋于稳定,其中7月土壤蒸发最为强烈,自8月S_LEL增大,土壤蒸发开始减小,一直减小至10月。③ 空间变化上,北山相比南山蒸发损失量f更为强烈,主要原因是北山气温、相对湿度和土壤含水量均高于南山。④ 2018年4—10月,各采样点蒸发损失量f达到峰值和谷值的时间相比降水δ ¹⁸O均存在明显的滞后,主要原因是降水在土壤基质入渗过程中存在滞留。     

基于稳定氢氧同位素的盐水与纯水蒸发差异分析

水面蒸发是水循环的重要部分,目前大量的研究集中在淡水或低盐度咸水体蒸发,仅以淡水的蒸发特性或计算方法应用于全部水体并不准确。研究盐水蒸发与淡水蒸发的差异对蒸发过程机理研究、推动蒸发模型的创新改进至关重要。研究中使用蒸发皿对比盐水与纯水的蒸发过程,利用稳定氢氧同位素比较盐水与纯水蒸发的动力学分馏过程,结果表明：盐水蒸发量较纯水少,但仍存在蒸发日内变化规律,蒸发速率与气温变化规律同步,并在正午前后达日最大值;随着蒸发的进行,重同位素在液相富集,盐度对于H/D分馏有更显著的抑制作用;盐水与纯水的蒸发线拟合均有良好的线性关系,盐分使水体蒸发受到更强的非平衡分馏影响;热红外拍摄液面观测到蒸发过程中盐水液面温度始终高于纯水0.1~2.2℃,平均温差达1℃,这是因为盐水蒸发量较纯水小,更少的热量通过潜热释放;Craig & Gordon模型计算蒸发水汽同位素特征值,表明随着蒸发的进行,蒸发水汽组分重同位素也在不断富集,但程度不如剩余水体,检验盐水与纯水蒸发水汽氢氧同位素拟合方程却无明显差异,与前述结论相悖,说明该方程在小尺度上的应用还有待研究。     

Constitutive models and salt migration mechanisms of saline frozen soil and the-state-of-the-practice countermeasures in cold regions

A series of saline soil-related problems, including salt expansion and collapse, frost heave and thaw settlement, threaten the safety of the road traffic and the built infrastructure in cold regions. This article presents a comprehensive review of the physical and mechanical properties, salt migration mechanisms of saline soil in cold environment, and the countermeasures in practice. It is organized as follows:(1) The basic physical characteristics;(2) The strength criteria and constitutive models;(3) Water and salt migration characteristics and mechanisms; and(4) Countermeasures of frost heave and salt expansion. The review provides a holistic perspective for recent progress in the strength characteristics, mechanisms of frost heave and salt expansion, engineering countermeasures of saline soil in cold regions. Future research is proposed on issues such as the effects of salt erosion on concrete and salt corrosion of metal under the joint action of evaporation and freeze-thaw cycles.     

An aeolian transport model for flat shifting sand fields under dynamic-limiting conditions

Estimating aeolian transport rates in the field is a difficult task even though various transport equations have been proposed. In this study, we used 5 years of field data on aeolian transport from an experimental plot for aeolian research located in the southeastern Tengger Desert to develop a practical aeolian transport equation capable of estimating transport rates in flat shifting sand fields. The resulting equation relates transport to the average wind velocity during a given period through a modified power function. The transport rate increases linearly with the cube of the average wind velocity. The equation can be generalized rate to a form that contains a proportionality coefficient and a threshold average wind velocity. The proposed model has an advantage over previous models in that it is based on a much larger sample size and corrected to account for variability in wind direction, sampling efficiency, and the height of the wind measurements.     

裸地蒸发过程的数值模拟

本文以能量平衡为基础,研究了裸地蒸发过程,并提出一个用Fonran语言编写的,在IBM-PC微机上通过的裸地蒸发过程的模拟程序。这一程序能根据地表红外温度或辐射资料计算裸地蒸发量,并分析能量分配过程与土壤中的含水量、温度分布。初步的田间试验说明,计算值与实测值是比较一致的。     

不同初始盐分浓度下土壤盐结皮的形成过程及其对蒸发的影响机理

土壤盐结皮对土壤水文过程具有重要影响,初始盐分浓度（Initial salt concentration, ISC）的差异会对盐结皮的形成过程产生不同程度的影响,从而导致土壤蒸发的差异。但目前不同ISC下盐结皮形成过程对土壤蒸发的影响机理尚不明确。因此,通过试验模拟与理论分析相结合,动态监测及分析不同ISC下砂土的盐结皮形成、蒸发、土壤表面温度动态变化过程,以期阐明不同ISC下盐结皮形成过程及其对土壤蒸发的影响机理。结果表明：ISC越高,盐结皮在土壤表面出现的时间越早,覆盖率越大,且在同样光照强度和光照时间条件下土表温度增幅越小,蒸发量也越小;对数函数能较好地拟合不同ISC与累积蒸发量之间的关系（R²>0.90）;随着ISC的增加,盐结皮对土壤蒸发抑制效率从24.14%（10 g·L^-1）增大到71.99%（250 g·L^-1）。ISC会显著影响盐结皮形成的过程,并通过影响土表温度的变化进而导致土壤蒸发出现巨大差异。     

托素湖湖水蒸发过程中析盐及其pH值的变化规律研究

盐湖卤水蒸发是提取盐湖有益成分的主要途径之一,当前盐湖卤水的蒸发实验主要集中在矿化程度较高的盐湖和咸水湖中,蒸出矿物以硫酸盐和氯化物为主.为了获得湖水蒸发过程中从低矿化度到高矿化度全阶段的析盐和pH值变化规律,用托素湖微咸水在恒温室内开展28±2℃蒸发实验.托素湖为硫酸镁亚型微咸水湖(矿化度27.8 g/L),整个蒸发...     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

土壤水盐运移模型研究进展及展望

回顾了国内外土壤水盐运移模型的发展历程,根据土壤水盐运移模型构成的原理和发展趋势,将土壤水盐运移模型分为水盐平衡模型、物理模型和系统模型。借助国内外文献对已有模型的原理和应用进行了介绍,并对存在的问题进行了分析;展望了新形势下土壤水盐运移模型的未来发展趋势和研究重点,旨在为今后土壤水盐运移模型研究提供新的思路。     

荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略

水分是干旱区不同景观界面间的水分循环过程与水力联系的主体,维持着干旱区湿地生态系统的结构与功能。为量化水分来源及其对植物水分的贡献率,以河岸灌木湿地和草地盐沼湿地为研究对象,通过测定降水、径流、地下水、土壤水和植物水中δD、δ¹⁸O组成,利用多源线性混合模型分析水分来源对荒漠植物水分利用的贡献率。结果表明：（1） 黑河流域荒漠绿洲湿地年均降水量104.6 mm,约占蒸散量（604.47 mm）的17.03%,具有明显的季节性分布特征。地下水位与土壤含水量的波动取决于河流距离,离河道较近的河岸灌木湿地地下水深度及土壤含水量随季节波动较小,而离河道较远的草地盐沼湿地则变化很大。（2） 当地大气降水线δD=6.33δ¹⁸O+4.04 （R²=0.931）,斜率和截距均略小于全球大气降水线则符合黑河流域湿地整体降水少而蒸散量大的特点。黑河径流δD和δ¹⁸O均值分别为-43.80‰±12.09‰和-8.65‰±23.33‰,地下水为-50.98‰±13.18‰和-9.74‰±25.49‰,土壤水为 -42.07‰±6.89‰和-7.22‰±2.49‰,植物水为-51.84‰±14.46‰和-8.50‰±24.13‰。（3） 地表蒸发是荒漠绿洲湿地土壤氢、氧同位素富集的主要原因。地下水和河水分别是草地盐沼湿地与河岸灌木湿地的主要水分来源,贡献率分别约为61%和50%,表明湿地植物相比于干旱区脉冲式降水更依赖较为稳定的水源。（4） 植物根系深度和毛细根分布是决定荒漠绿洲湿地植物水分利用策略的重要因素。     

LASCAM水文模型在流域生态水文过程研究中的应用——模型理论基础

LASCAM水文模型是一种大尺度分布式概念水文模型,介于高精度分布式水文模型和集总式经验模型之间,是基于亚流域空间单元建立的中等精度的分布式概念模型。LASCAM模型在亚流域空间单元定义了3个概念性土壤水库,在经验方程的基础上:①建立亚流域各土壤水库与亚流域生态特征(LAI)和气候(降雨)之间函数关系;②通过对亚流域的降雨-植冠截流过程、地表产流过程、表层入渗-亚表层产流过程、亚表层入渗过程的模拟,揭示降雨在亚流域的(地表和亚表层)径流和入渗等环节的再分配过程;③基于亚流域各土壤水库的水量(水位)建立了各土壤水库之间的水通量过程方程;④建立亚流域各库的蒸散发与生态特征(LAI)之间的函数关系模拟各库的蒸散发过程。最后,通过河道径流演算法则,并依据亚流域与流域总体之间的分布式关系,将各亚流域的径流汇总到整个流域,从而将亚流域空间的水文响应扩展到流域整体空间上,实现了大尺度异质性流域的水文过程和水量平衡模拟。     

藏北高原地气之间的水分循环

利用GAME－Tibet期间所取得的高分辨率土壤温度、含水量以及降水量资料，对藏北高原地气之间的水分循环过程进行了分析。结果表明，唐古拉山以南平坦地表7－8月份地表蒸发的水汽量可达177.1mm，占同期降水量的73．2％；唐古拉山以北平坦地表7－8月份地表蒸发的水汽量可达73.3mm，占同期降水量的57．7％。地表土壤通过蒸发不但将大量的水分输送给其上的大气，而且将热量传给了其上的大气，从而抑制了土壤温度的升高。如果仅就唐古拉山南北地表蒸发而言，引起其较大差异的原因主要是降水量的不同。     

湘澧盐矿卤水50 ℃等温蒸发析盐规律研究

湘澧盐矿区位于江陵凹陷南缘,该地区卤水中溴和钾的含量都达到了工业品位。对采集的湘澧盐矿卤水样品进行了化学全分析,并对分析的结果进行了研究,查明了卤水中钾和溴等元素的富集机理;提出关于卤水综合利用的工艺路线及可行性建议。等温蒸发实验表明,整个蒸发过程中均有石盐析出,失水量达到31.23%时,芒硝开始析出;此后,石盐和芒硝共同析出。整个蒸发过程中该卤水的析盐规律为,首先析出氯化钠,再析出硫酸钠,最后析出硫酸钾。     

层状土壤中砂层层位对潜水蒸发的影响

通过室内一维土柱实验,研究了夹砂层土体构型中砂层层位对潜水蒸发的影响,分析了其影响机理,进一步讨论了砂层位置和水分蒸发的定量关系。结果表明,砂层对于水分的蒸发既有促进也有抑制作用,在地下水埋深为50cm时,5cm厚的底砂层可使水分的蒸发强度增加10％-20％；砂层距水位的距离大于5cm时,砂层可抑制水分的蒸发,且当距离增加到35cm左右,其抑制率可达70％-80％；当砂层距水位的距离继续增大时,水分的蒸发强度基本保持不变。这主要是由砂层自身的导水率变化以及砂层与同剖面中其它土质导水率的相对大小发生变化而引起。累积蒸发量与砂层层位以及蒸发历时之间定量关系的建立为预测砂层对潜水蒸发的影响以及估算特定历时蒸发损失量最小的砂层层位提供了依据。     

以中型蒸渗仪监测的库布齐沙漠人工林土壤蒸发量

人工造林对库布齐沙漠的生态有重要影响,量化沙地土壤蒸发对开展人工林建设具有重要意义.利用蒸渗仪对库布齐沙漠银肯沙林场的土壤蒸发进行测定,但受外界因素的影响,蒸渗仪观测的数据会有异常值,通过自适应窗口阈值法对观测数据进行处理.再利用气象观测系统获取相关气象数据,分析土壤蒸发与气象因子的关系.结果 表明:小时尺度上,蒸渗仪...     

溶质降解和生成对水盐运移的影响

 土壤盐渍化是土地荒漠化的主要类型之一,是干旱、半干旱地区土地退化的主要形式,水盐运移是研究土壤盐渍化的主要内容。土壤中的水盐运移是一个集物理、化学和生物反应的复杂过程,溶质降解和生成必然对水盐运移过程产生影响,但目前对此方面的研究很少。通过利用水盐运移两区模型对不同降解系数或溶质生成系数下穿透曲线的模拟分析,研究了降解和溶质生成对水盐运移的影响。结果表明,在水盐运移过程中,土壤溶液浓度会随着土壤降解系数的增加而降低,随着土壤溶质生成系数的增大而增大。     

古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征

土壤表面蒸发是降水的无效损失,其大小直接决定着降水转化为有效土壤水的效率,从而间接决定了植物可利用水分的多寡。在降水稀少的沙漠区,定量认识土壤蒸发的大小和其所占降水的比例显得尤为重要。在2004年全生长期(5~9月)应用自制的微型蒸渗仪(Micro-Lysime-ter)测定了风沙土(有结皮覆盖的丘间低地和裸露沙丘顶部)和对照的荒漠盐碱土的土壤蒸发。结果表明:在相似的气象条件下,风沙土区的丘间低地和荒漠盐碱土的日平均蒸发量分别约是裸露沙丘(风沙土区)的2倍和3倍。整个生长期裸露沙丘的累积蒸发量为18.7mm,丘间低地为38.8mm,荒漠盐碱土为52.1mm。根据整个观测期的累积蒸发量和累积降雨量计算得出的蒸发降雨比分别为:裸露沙丘0.20,丘间低地0.42,荒漠盐碱土0.62,表明裸露沙丘由降水转化为土壤水而储存的比率最高。同时,从数据分析中可以看出:在风沙土区0~5cm土层的含水量对土壤蒸发起决定作用,而盐碱土区的土壤蒸发则受到更深层次土壤水分的影响。裸露沙丘低的土壤蒸发、高的降水转化效率,为植被恢复奠定了良好的基础。因此,裸露沙丘的低蒸发量可以视为植被状况对生态水文过程的一种良性反馈。     

A STUDY ON FIELD WATER CIRCULATION PATTERN IN THE DRYLAND OF NORTHERN CHINA

Ｉ.ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｒｙｌａｎｄｃｏｖｅｒｓｌａｒｇｅａｒｅａｓｉｎｎｏｒｔｈｅｒｎＣｈｉｎａｗｉｔｈａｂｏｕｔｏｎｅｔｈｉｒｄｏｆｔｈｅｃｏｕｎｔｒｙ’ｓｔｏｔａｌｆａｒｍｌａｎｄｓ,ａｍｏｎｇｗｈｉｃｈｒａｉｎｆｅｄｆａｒｍｌａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｃｏｖｅｒｓ2.3(107ｈｍ2.ＴｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｄｒｙｆａｒｍｉｎｇａｒｅａｓｉｎｎｏｒｔｈｅｒｎＣｈｉｎａ[9],ｉ.ｅ.ｓｕｂｈｕｍｉｄａｎｄｓｌｉｇｈｔｄｒｙａｒｅａ(ａｒｉｄｉｔｙ1.31.6,ａｎｎｕａｌｐｒ…