黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。     

雨季苏打盐渍土地区土壤水-地下水转化规律研究

通过野外定位观测,分析了苏打碱土土壤水和地下水的转化规律。微地貌格局是制约水分迁移的主要因素,并由此形成了土壤水-地下水转化的特殊模式。雨季,坡地土壤(苏打碱土)的整个土层含水率变化不显著,地表径流为水分迁移的关键环节;洼地土壤(盐化草甸土)成为地表水和地下水转化的通道,大量洼地积水垂直下渗,补给地下水。运用Vensim对土壤水-地下水的转化过程进行了模拟,结果与观测数据基本一致。     

黑河流域不同生境植物水分来源及环境指示意义

选择黑河流域三种典型生境类型(绿洲、 绿洲-荒漠过渡带、 荒漠), 通过分析其不同植物木质部水分与其土壤潜在水源稳定氢(δD)和氧(δ¹⁸O)同位素组成, 研究了不同生境中植物的水分来源情况. 结果表明: 荒漠生境中植物倾向于利用深层土壤水(>160 cm); 绿洲-荒漠过渡带中沙蒿和沙拐枣主要利用20~40 cm层位的土壤水, 梭梭可能的利用层位是60~80 cm, 花棒可能利用100 cm左右的水分, 柽柳则利用120 cm以下的土壤水; 绿洲植物吸水层位多集中在0~100 cm, 其中, 假苇拂子茅可能水源是20 cm左右的土壤水, 玉米则为20~40 cm, 柽柳和杨树的吸水层位为60 cm左右, 棉花则是利用80 cm左右的水分. 稳定性同位素估测各生境植物水分来源的结果与其土壤含水量的结果一致, 同一生境中吸水层位相似的植物间存在水分来源竞争. 不同生境中植物水分来源的深浅存在递变, 从深到浅表现为荒漠>过渡带>绿洲, 不同生境同种植物也存在同样变化, 说明植物稳定氢氧同位素组成可以用来指示干旱区绿洲化、 荒漠化过程.     

黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究

通过对黑河源区降水、 黑河下游河岸林生态系统、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统土壤水和浅层地下水稳定氢氧同位素组成(δD、 δ¹⁸O)的测定, 对黑河下游典型生态系统土壤水和浅层地下水的补给源进行了研究. 同时通过对比分析河岸林生态系统胡杨和柽柳、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统红砂等优势植物根系水及其对应的土壤水及浅层地下水的δ¹⁸O, 对黑河下游典型荒漠植物水分来源进行了研究, 并对不同潜在水源对植物水分来源的贡献率进行了计算. 结果表明: 河岸林生态系统和人工梭梭林生态系统的土壤水和浅层地下水来自黑河源区的降水, 源区降水通过黑河河道输水补给河岸林进而形成土壤水和浅层地下水, 但人工梭梭林的土壤水蒸发作用强烈. 戈壁红砂生态系统由于远离黑河, 土壤水不受黑河源区中上游输水的补给. 就植物水分来源而言, 在河岸林生态系统中, 乔木胡杨主要利用40~60 cm的土壤水和地下水, 灌木柽柳主要利用40~80 cm的土壤水; 人工梭梭主要利用200 cm至饱和层土壤水和地下水; 戈壁红砂主要利用175~200 cm的土壤水. 因此, 在黑河下游极端干旱区, 土壤水和地下水是维持荒漠植物生存、 生长及发育的主要来源.     

典型岩溶槽谷区土壤水和地下水氢氧稳定同位素对隧道建设的响应

隧道建设引起地下水流场改变,对区域水分运移过程造成严重影响.以重庆市中梁山岩溶槽谷为例,于2017年4月～2019年4月收集降水、土壤水、地下水和隧道排水,利用氢氧稳定同位素分析隧道影响区和非隧道影响区的土壤水和地下水运移过程,探索隧道建设对其产生的影响.结果表明:隧道影响区土壤水δ2H和δ18O变化幅度较非隧道影响区...     

地下水浅埋区土壤水的矿化度变化规律及其影响因素浅析

土壤水的研究对农田水利、水文地质、生态与环境等都具有很重要的意义 ,本文概略介绍了在黄河三角洲地区开展包气带水分运移试验研究过程中 ,野外获取土壤水的方法及设备。在对水样分析结果进行总结的基础上 ,对试验点土壤水的矿化度变化规律及其影响因素进行了初步的分析。主要结论为 ,在地下水浅埋区 ,地下水与土壤水矿化度变化关系密切 ;蒸发作用与蒸腾作用对土壤水矿化度的影响效果是不同的 ,蒸发作用使上层土壤水的矿化度加大 ,而植被在其生长期降低土壤水的矿化度 ;地下水、植被和土壤性质是影响土壤水矿化度的重要因素     

青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究

土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

太行山区坡地水文地质特性与渗流集蓄技术研究

太行山片麻岩区的浅层地下渗流是一种普遍现象,多以壤中流和裂隙潜流的形式出现在坡地的下部或流域的出口处,对这部分水资源进行合理收集是我国北方石质山地雨水利用的重要方面。以四水(降水、地表水、土壤水、裂隙水)转化为出发点,在分析太行山片麻岩区坡地水文地质结构的基础上,提出了"岩土二元结构体"的概念,并通过坡地岩土水分与水势的测定,得出了坡地岩土不同埋深处的水分特征曲线,同时,根据岩土水分特征曲线,对坡地介质的复杂性与空间变异性从机理上给出了进一步的解释。在此基础上,提出了一种对坡地渗流进行集蓄的新技术,该技术是对传统雨水集蓄形式的发展与创新,对北方土石山地雨水利用技术的发展具有重要贡献。     

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.     

土壤水资源的特性及若干指标

在分析作物生长条件下土壤水均衡要素的基础上，探讨了土壤水资源的概念，深入分析了土壤水资源的特性（对降水的依赖性与相关性、不易保存性、不可开采性、就地利用性和可调控性）。提出了土壤水理论无效库容、土壤水最大次调节量、土壤水可利用量等指标，并初步探讨了河北王瞳试验场土壤水资源的特征。王瞳试验场土壤水理论无效库容为３５５ｎｍ，土壤水最大次调节量为３１４ｍｍ；土壤水储存量和土壤水可利用量随气象条件、灌溉以     

一维土壤水分运动模拟在土壤水分特征研究中的应用——以华北平原衡水实验站为例

受地形特征以及人类活动的影响,华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗和蒸发为主,其中,非饱和带对降水和地下水之间的转化具有重要作用。本文选择衡水作为华北平原地下水浅埋区的典型代表点,利用HYDRUS-1D建立了一维数值模型,以平水年2005年夏季作为模拟期,通过计算降水入渗量、蒸散发量、土壤水储存量的变化及地下水补给量等,揭示了该实验点的土壤水分运动特征以及土壤水在降水和地下水转化之间的作用。结果表明降水后土壤水和地下水都得到补给,土壤水储量增加,但由于强烈的蒸发和蒸腾作用(分别占降水补给量的63%和12%),水分消耗较快,因此总的入渗补给量为25%,土壤总储量增加不大;此外,土壤水和地下水联系密切,土壤深层水分在饱和和非饱和状态之间频繁转换,其间没有明确的界面分割,由此说明土壤水在"三水转化"过程中的重要性。     

邯郸地区土壤水入渗规律实验及数值模拟方法研究

在对土壤入渗理论进行总结和分析的基础上,依据邯郸市平原区的水文水情的基本特点,选定2~3处地点进行实验,完成了静态数据的收集和动态数据的观测,确定了实验区土壤质地类型、土壤容重等物理特性,结合实验测定的饱和导水率K、土壤水分特征曲线θ（ h）推算非饱和导水率K（θ）、扩散率 D（θ）等土壤水分运动参数。运用上述数据对Van Genuchten模型加以改进,并运用改进后的模型对实验中的水分变化过程进行数值模拟。结合实测成果和数值模拟成果,对邯郸市平原区已选定实验点土壤水入渗规律进行分析。     

采煤沉陷对水田土壤水系统的影响及改良对策——以重庆松藻矿区为例

采煤沉陷区土地生态复垦是当前土地整治面临的主要焦点问题之一。以重庆松藻矿区沉陷区受损水田为研究对象,通过实地考察和文献总结,分析水田土壤水系统组成特征,系统探讨了采煤沉陷前后土壤水系统的含水土壤剖面层物理特性和土壤水流入渗状态,针对这些变化提出了矿区生态恢复和土地复垦的具体对策。      

黑河下游河岸林植物水分来源初步研究

通过分析黑河下游极端干旱区荒漠河岸林植物木质部水及其不同潜在水源稳定氧同位素组成(δ18O),应用"同位素质量守恒多元"分析方法初步研究了不同潜在水源对河岸林植物的贡献.结果表明:在黑河下游荒漠河岸林生态系统,在河水转化为地下水和土壤水及水分在土壤剖面再分配的过程中均存在强烈的同位素分馏.对植物水δ18O而言,胡杨、柽柳和苦豆子的δ18O分别为-6.43‰、-6.28‰～和-6.61‰,较苦苣菜(-5.14‰)和蒲公英(-5·52‰)明显偏负.柱状频率图显示胡杨最多能利用93%的地下水,柽柳最多利用90%的地下水.而苦豆子97%水分来源于80 cm土层范围内的土壤水.除0～20 cm土层内的土壤水外,苦苣菜和蒲公英可能还有其他潜在水源.即在黑河下游天然河岸林乔木和灌木较多地利用地下水,而草本植物仍然以地表水为主.     

华北山区坡地土壤水分动态实验研究

在北京市怀柔区汤河口镇东台沟坡地径流实验小区上进行人工模拟降雨实验，探索降雨过程中体积土壤含水量和土壤水基质势的动态变化。结果表明：在降雨强度和前期土壤含水量较为稳定以及蒸发微弱等条件下，不同场次降雨过程中土壤水分动态变化时间与降雨强度之间呈现明显的幂函数关系；同一场次降雨过程中，坡地内不同部位不同土壤层次的土壤水分动态变化时间与土壤层次和土层部位相联系。降雨过程中体积土壤含水量和土壤水基质势的动态变化可划分为5个阶段。得出的坡地土壤水特征曲线表明了坡地砂质土壤在含水量较大时土壤吸力较小、含水量减小时土壤吸力迅速增大的水力特性。     

基于氢氧稳定同位素识别干旱区棉花水分利用来源

棉花是我国西北内陆干旱地区主要的农作物,研究干旱区棉花的水分利用来源对合理制定灌溉制度、实现农业节水灌溉和保证作物稳产高产具有重要意义.在新疆生产建设兵团炮台土壤改良试验站,基于水文监测和氢氧稳定同位素方法分析膜下滴灌棉田土壤水中氢氧同位素的动态变化特征,确定棉花不同生育期及灌溉后的水分利用来源,并应用多水源混合模型(IsoSource模型)定量计算了棉花对不同深度土壤水的利用率.研究结果表明:棉花在蕾期、花期、铃期和吐絮期主要的水分利用来源及利用率分别为0~30 cm(78.2%)、30~60 cm(31.9%)、60~110 cm(32%)、110~220 cm(47.3%),整个生育期内水分利用来源存在由浅变深的规律.膜下滴灌后,棉花调整其水分利用来源,显著增加了0~30 cm浅层土壤水的利用率.综合试验结果表明低额高频的灌溉制度可以提高棉花对灌溉水的利用率.      

利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线

利用Van Genuchten模型对用砂性漏斗测量中砂的吸湿过程和脱湿过程土壤水分特征曲线进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,并得出Van Genuchten模型中的残余含水量、特性参数α和n,模拟计算表明,中砂有αw=1.69αd的关系,为研究水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供土壤水分运动键参数.     

基于全耦合的地表径流与土壤水分运动数值模拟

针对降雨径流从坡面流下的过程中会发生下渗,导致土壤水非饱和带含水率增大这一动力学过程,从物理机制上对土壤水和地表水进行耦合,将二维平面地表水模型叠置在土壤水模型的顶部,对土壤水、地表水模型进行相同的空间和时间离散,在模型的计算过程中通过达西流关系对两者之间的水量交换进行计算(双层结点法耦合)或整合离散方程的整体法进行耦合。通过对两种耦合方法的比较以及与前人的实验结果对比,该模型与耦合方法能够准确地模拟和预测地表径流与土壤水分运动过程。研究结果可为分析地表水流与饱和-非饱和带水分与溶质耦合机理提供理论支持。     

非饱合土的弹塑性模型研究

从孔隙水的存在状态出发，探讨了非饱和土的有效应力原理。利用非饱和土的有效应力原理，将饱和土的弹塑性模型推广到了非饱和土中，建立了能反映非饱和土渐近性破坏、湿陷湿胀等特性的剑桥修正模型。该模型中新引入的试验参数较少，确定时只需要水分特征曲线，其它可以利用饱和土的成果，能在工程实际中采用。