黄土丘陵沟壑区黄土坡面侵蚀过程及其影响因素

降雨强度、坡长、坡度是影响坡面产流产沙的重要因素。为定量分析降雨强度、坡长、坡度对黄土丘陵沟壑区安塞黄土坡面侵蚀过程的影响,本研究基于室内人工模拟降雨试验,分析2个坡长(5、10 m)、3个坡度(5°、10°、15°)、2个降雨强度(60、90 mm·h^-1)下安塞黄土坡面产流产沙规律。结果表明: 初始产流时间随坡长增加呈减小趋势,但总体变化不大;初始产流时间随降雨强度增加而减小,与60 mm·h^-1相比,90 mm·h^-1下缩短5.7～18 min;10°坡度上的径流起始时间最快。随降雨历时延长,产流率先快速增加,最终逐渐稳定在某一产流率值上下波动;产沙率在产流初期短时间内突然升高,达到最大值后减小,再逐渐达到稳定。产流率和产沙率随坡长和降雨强度的增加而增加,但随坡度变化规律不明显。随着降雨强度、坡长和坡度的增加,总产沙量相应增加。在降雨强度90 mm·h^-1时,坡长和坡度分别为10 m和15°的坡面产生了细沟,导致总侵蚀量最大(11885.66 g)。降雨强度为60 mm·h^-1时,随着坡长增加单位面积侵蚀量减小,在5～10 m坡段存在临界侵蚀坡长。坡长、坡度和降雨强度对坡面径流过程均有促进作用,降雨强度、坡长和两者之间交互作用对产流率和总侵蚀量的贡献率较大,其中,对产流率贡献最大的影响因素是降雨强度,贡献率为49.8%;坡长对总侵蚀的贡献率最大,为37.8%。     

马占相思人工林和果园地表径流规律的对比研究

基于连续 5年的观测 ,对比研究了马占相思人工林和果园两种地表类型上地表径流的各自特点 ;讨论了季节性地表径流的差异与系统水分结构问题 ;探讨了根据实际资料求取发生地表产流的降雨量临界值的方法 ,此方法以综合考虑未发生产流的最大降雨量和已发生产流的最小降雨量为基础 ;并得到了如下的一些结果 :1)本区域不同强度的大气降水频度分布比较均匀 ,但降水量主要由少数几场特大降水带来 ,并且降水量的季节分配极不平均 ,湿季 (4～ 9月 )降水量占全年的 85 .5 %。 2 )地表径流的季节差异更大 ,果园在湿季的地表径流量占全年的93.8% ,马占相思林占 95 .1% ,作者认为在降水量存在较大干湿季差别的地区 ,对于越难于发生地表径流的下垫面 ,这个值会越高。3)马占相思地表径流系数在逐年减小 ,果园的变化较大。4)一次性降雨量对地表径流量的影响在这两种地表类型上都很明显 (r>0 .85 ) ;一次性降雨强度对地表径流的影响只有在中等降雨量 (6～ 16 mm)下才表现明显 (r>0 .87) ,对于较小和较大降水量 ,径流量与降雨强度关系都不大 ;径流系数受一次性降雨强度的影响很明显 (林地 r>0 .92 ,果园 r>0 .77)。 5 )马占相思和果园一次性“最大可能”地表径流产流的雨量临界值 ,分别为5 .1m m和 2 .8mm。     

基于组合绿色生态措施的北方城市雨雪径流削减模拟

以北方城市雨雪径流削减控制为研究目标,通过构建SWMM雨雪径流模型对北方城市夏季降雨径流量和春季融雪径流量进行模拟.同时根据研究区气候特点和实际情况制定了符合研究区低影响开发(LID)绿色生态措施方案,通过加入简单式绿化屋顶、雨雪收集双用装置和下凹式绿地3种控制措施,模拟了组合绿色生态措施对研究区夏季降雨和春季融雪径流的削减以及对排水管网压力的缓解效果.结果表明:2016年5月24日、6月10日和7月18日3场实测降雨模拟的最大径流量分别为2.7、6.2和7.4 m^3·s^-1,1、2、5、10年4种不同重现期降雨条件下的峰值流量分别为2.39、3.91、6.24和7.85 m^3·s^-1;在融雪期,峰值流量出现在3月初.LID措施在雨季对削减峰值流量、延迟峰值时间和缓解排水压力具有很好的控制效果,削减率最高可达70%左右,而且通过加入雪收集装置,对春季融雪径流也有一定的控制效果.     

基于模拟降雨试验的喀斯特坡耕地土壤侵蚀特征

探索喀斯特坡耕地土壤侵蚀过程及机理对该区水土流失及石漠化治理具有重要的现实和指导意义.本文采用人工模拟降雨的试验方法,探索喀斯特坡耕地土壤侵蚀过程及特征.结果表明: 降雨强度较小时(30、50 mm·h^-1),水土流失以地下孔(裂)隙流失为主,当降雨强度较大时(80 mm·h^-1),土壤侵蚀以地表流失为主;地表径流模数和输沙率均随坡度的增加而增大,随孔(裂)隙度的增加而减小.地下径流模数在0.37～0.52 L·m^-2·min^-1,地下输沙率在0.81～1.93 g·min^-1,二者均随坡度的增加而减小,随降雨强度的增加呈先增大后减小的变化趋势.     

模拟降雨条件下含砾石红壤工程堆积体产流产沙过程

生产建设项目开发过程中形成的工程堆积体具有特殊的结构和复杂的物质组成,坡面侵蚀特征明显有别于一般农地.采用室内人工模拟降雨试验方法,研究降雨强度对红壤区不同砾石含量(0%、10%、20%、30%)工程堆积体产流产沙过程的影响.结果表明: 坡面产流开始时间随降雨强度和砾石含量的增大而减小,减幅分别为48.5%～77.9%和4.2%～34.2%,且与降雨强度呈显著的幂函数关系.坡面径流流速和径流率均随产流历时呈先上升随后趋于稳定的变化趋势,降雨强度是其主要影响因素,砾石含量对其影响不显著.砾石对径流量的影响存在一个10%左右的阈值,1.0 mm·min^-1雨强、10%砾石含量时坡面产流量最小;雨强＞1.0 mm·min^-1时,10%砾石含量坡面产流量最大.随雨强增大径流量增加10%～60%.坡面含沙量在产流前6 min急剧下降后趋于稳定,随砾石含量增大,降雨强度对含沙量的影响减小.雨强＞1.0 mm·min^-1时,砾石具有显著的减沙效应,产沙量与降雨强度和砾石含量呈显著的线性函数关系.     

亚热带常绿阔叶林的水文生态特征

对日本冲绳岛亚热带天然次生常绿阔叶林的水文生态特性进行了为期3年的定位观测.结果表明,观测期间年平均降雨量高达3325mm,台风降雨(包括直接和间接影响)占年降雨量的42.3%;穿透雨量和树干流量分别为年降雨量的53.9%和30.9%,较高的树干流量可能与高风速、强度降雨以及优势树种的树冠构造紧密相关.林冠截留损失占年降雨量的15.2%,低于世界范围内其它多数常绿阔叶林(15%～30%).年平均地表径流和壤中流量分别是1092mm和613mm,分别占年降雨量的32.8%和18.4%;较高的径流量可能是由不良的土壤物理性质引起的.试验林土壤尤其是下层土壤非毛管孔隙度低(8%～12%)、粘粒含量极高(51.9%～60.5%),水分渗透缓慢(12ml·min^-1).0～70 cm土层的有效蓄水量和最大蓄水量分别为85 mm和324mm,林地凋落物层的最大持水量为2.8 mm,接近或低于中国亚热带和热带山地雨林.     

喀斯特坡面生物结皮发育特征及其对土壤水分入渗的影响

作为地表植被恢复的先锋种群和景观的重要组成部分,生物土壤结皮(BSCs)对地表过程具有重要影响。为探明喀斯特地区BSCs发育特征及其对土壤水分入渗的影响,本研究选取喀斯特代表性坡面开展了BSCs实地调查和人工模拟降雨试验,探究了BSCs覆盖土壤的水分入渗过程,试验设计了5个BSCs盖度水平(0、28%、40%、70%、97%)和2个雨强(42和132 mm·h^-1)。结果表明: 在不同土地利用条件下,BSCs发育水平存在显著差异,但在同一土地利用条件下,BSCs发育水平沿坡面的空间变化规律不明显。与裸地相比,地表发育BSCs可使地表粗糙度增大,显著延长初始产流时间,促进土壤水分入渗。在小雨(42 mm·h^-1)和强降雨(132 mm·h^-1)下,BSCs覆盖小区初渗速率分别为裸地小区的1.7～1.9和1.2～1.9倍,平均入渗速率分别为裸地小区的2.5～3.0和1.4～3.3倍。在试验雨强下,BSCs盖度与初始产流时间均呈显著正相关,BSCs促进水分入渗的临界盖度为65%～70%,在强降雨条件下,BSCs对地表径流的阻滞作用有所削弱。Horton模型对喀斯特坡面BSCs覆盖下土壤水分入渗过程模拟结果最优,其次为Kostiakov模型和Philip模型。综上,喀斯特坡面BSCs发育的空间变异程度高,对水分入渗过程影响显著。     

半干旱地区半流动沙丘水分深层渗漏量及其对降雨格局的响应

降雨是荒漠化地区土壤水分的主要补给源,对土壤水分的变化有着深远影响,在沙区深层土壤水分补给中具有重要作用。本研究基于参数优化后的Hydrus-1D模型,分析了半干旱的科尔沁沙地半流动沙丘200 cm深层渗漏量的动态变化过程及其对降雨格局的响应关系。结果表明: 2016—2019年4—10月,半流动沙丘的年均渗漏补给量为254.31 mm,占同期降雨量的61.8%。深层渗漏主要发生在6—8月,该期渗漏量占比72.8%;渗漏速率变化在0.03～2.70 mm·h^-1,最大渗漏速率发生在降雨量大、频次高的降雨事件下。降雨入渗补给深层土壤水受到降雨量、降雨强度、降雨历时及前期土壤水分含量的影响,历时长、雨强小的降雨事件更有利于水分深层渗漏,渗漏量与降雨量呈显著正相关关系(R²=0.85),16～18 mm降雨量是产生土体200 cm深度渗漏的阈值。高频次降雨事件通常在17～38 h后达到渗漏速率峰值,整个渗漏过程长达164 h以上。深层渗漏量的准确估算对荒漠化地区水资源评价和生态建设具有理论和现实意义。     

城市区域绿色屋顶普及对水量水质的影响

绿色屋顶是城市降雨径流管理的主要措施之一,为了解绿色屋顶普及对城市流域降雨径流量和径流水质的影响,本文以重庆大学虎溪流域为研究载体,评估了绿色屋顶规模化应用与流域降雨产流和径流水质的响应关系.结果表明： 在城市流域进行屋面绿化有助于消减降雨径流以及产污负荷,且屋顶绿化规模和空间分布情景影响降雨径流水质.在屋顶占城市区域总面积的比例为25%、降雨持续时间15 min、降雨强度14.8 mm·h^-1的条件下,当区域内屋顶全部绿化时,峰值降雨径流降低5.3%,降雨径流总量降低31%;总悬浮物（TSS）、总磷（TP）、总氮（TN）的污染负荷分别降低40.0%、31.6%、29.8%,峰值浓度分别降低21.0%、16.0%、-12.2%,平均浓度分别降低13.1%、0.9%、-1.7%;随屋顶绿化率的增加,TSS、TP浓度消减率有所提高,而TN浓度消减率则呈降低趋势,靠近流域总出水口进行屋面绿化,更有利于径流水质的改善.     

黄土高原丘陵沟壑区柠条和沙棘灌丛的降雨截留特征

2011年5-10月,以黄土高原人工造林的主要灌木树种柠条和沙棘为对象,研究了降雨量及降雨强度对其截留量、穿透雨量和树干茎流量的影响.研究期间共观测到降雨47次,以小降雨事件为主,年降雨总量为208.9 mm,平均降雨强度为2.82 mm·h-1,其中降雨量为2～10 mm,降雨强度为0.1～2 mm·h-1的降雨事件出现次数最多.柠条和沙棘的截留量、穿透雨量、树干茎流量分别为58.5 mm、124.7 mm、25.7 mm和38.2 mm、153.1 mm、17.6 mm,分别占降雨量的28％、59.7％、12.3％和18.3％、73.3％、8.4％.柠条和沙棘的截留量、穿透雨量和树干茎流量与降雨量均呈显著正相关,并且两种灌木的截留率、穿透雨率和树干茎流率与降雨量、最大10 min雨强之间均呈指数相关或幂函数相关.     

风水交错侵蚀条件下侵蚀泥沙颗粒变化特征

风蚀和水蚀是黄土高原风蚀水蚀交错区土壤侵蚀的主要方式,研究风水交错侵蚀对土壤颗粒的影响对于准确评价该区土壤质量及环境影响有重要意义.本文采用风洞与模拟降雨试验相结合的方法,分析了风水交错侵蚀条件下侵蚀泥沙颗粒变化特征.结果表明： 在11、14 m·s^-1风速的风蚀下,坡面表层(0～1 cm)土壤颗粒粗化.其中,细颗粒(<0.01 mm)减小9.8%～10.8%,粗颗粒(>0.05 mm)增加16.8%～20.8%.风蚀改变了坡面物理性状,进而影响了降雨侵蚀泥沙颗粒变化.相对于未风蚀,风蚀处理的侵蚀泥沙细颗粒增加2.7%～189%,粗颗粒降低3.7%～9.3%.风蚀处理后,在不同雨强、不同降雨历时下,侵蚀泥沙颗粒变化趋势不同.雨强60、80、100 mm·h^-1时,侵蚀泥沙颗粒变化较大,而雨强150 mm·h^-1、产流>15 min时,变化趋势减缓.
     

降雨条件下两种土壤类型工程堆积体坡面水沙关系与侵蚀动力特征

随着生产建设活动的日益频繁,其产生的工程堆积体逐渐成为人为水土流失的主要来源。本研究选取风沙土和红土堆积体,通过室内模拟降雨试验,研究了不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)和砾石含量(0、10%、20%、30%)条件下,两种土质工程堆积体坡面侵蚀过程中水沙关系和侵蚀水动力特征的变化。结果表明: 风沙土堆积体产沙率随时间呈波动式增大趋势;红土堆积体在1.0 mm·min^-1雨强时先增大后逐渐稳定,其他雨强则迅速下降后呈波动变化的趋势,且雨强越大、砾石含量越小,波动越剧烈。风沙土堆积体在0和10%砾石含量时存在坡面细沟侵蚀,细沟侵蚀阶段的产沙率是片蚀阶段的6.74～57.40倍;红土堆积体坡面侵蚀过程可划分为松散颗粒侵蚀阶段和土石侵蚀阶段,松散颗粒侵蚀阶段产沙率是土石侵蚀阶段的1.05～3.49倍。两类堆积体产沙率均随雨强增大而增大,1.0和1.5 mm·min^-1雨强时产沙率随砾石含量增大而波动变化,雨强＞1.5 mm·min^-1时则随砾石含量增大而减小,相同条件下,风沙土堆积体产沙率是红土的1.45～4.14倍。风沙土堆积体侵蚀过程中水沙关系由水大沙少向水大沙多转变,而红土堆积体则呈相反变化: 水大沙多时期,风沙土堆积体产沙增速是红土堆积体的1.94～37.60倍;水大沙少时期,红土堆积体产沙减速是风沙土的1.40～21.30倍。总体上,径流功率在描述两类堆积体侵蚀动力过程方面优于径流剪切力,临界径流功率均随砾石含量增大而增大,其中,风沙土堆积体在细沟侵蚀阶段的临界径流功率(0.02～0.04 W·m^-2)是片蚀阶段的2倍,且两阶段临界径流功率均低于红土堆积体。本研究结果可为工程堆积体侵蚀预测模型的建立提供科学参考。     

西南喀斯特白云岩坡地土壤-表层岩溶带结构及水文特征

表层岩溶带是喀斯特关键带的核心区域,具有重要的水文调蓄功能,但岩溶发育程度对表层岩溶带水文特征的影响还不明晰。本研究采用地球物理勘探和水文地质钻探技术,结合水分和水位动态监测,量化坡地岩溶发育和水文特征,解析土壤-表层岩溶带对降雨的响应规律。结果表明: 地球物理勘探可以较好地运用到岩溶区关键带结构的探测,坡地土壤和表层岩溶带厚度平均值分别小于0.63和2.60 m。岩溶化程度强的坡地视电阻率较高,节理裂隙发育且渗透性强(0.73 m·d^-1);表层岩溶带对降雨的调节能力更强,表现为土壤水分变化具有较大的降雨阈值(＞20.50 mm·d^-1)和由降雨量主导的水位变化过程。岩溶发育程度弱的坡地视电阻率低且渗透性弱(0.07 m·d^-1);水分和水位变化对降雨的响应迅速,同时,局部(240～300 cm深度)发育岩溶管道,渗透系数达432 m·d^-1,在极端降雨事件(暴雨/大暴雨)过程中观察到明显的优先流特征,相邻洼地遭受洪涝的风险更大。该结果有助于进一步深化西南喀斯特地区水资源调控、管理及生态水文研究。     

模拟降雨条件下砾石含量对塿土工程堆积体坡面产流产沙的影响

为探究砾石含量对塿土堆积体坡面产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验,以土质坡面为对照,研究5种砾石含量(10%、20%、30%、40%、50%)堆积体坡面在不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)下的产流产沙特征。结果表明:不同试验条件下的平均径流率在2.18～13.07 L·min^-1,不同雨强条件下平均径流率均在砾石含量10%(或20%)和50%时分别达到最大值与最小值;平均流速在0.06～0.22 m·s^-1,流速变化复杂,砾石含量越小,流速变幅越大,变异系数也越大,砾石含量10%时平均流速最大。砾石的存在可有效抑制产沙,最大减沙效益可达84.2%,雨强相较于砾石含量对平均产沙率的影响更大。偏相关分析表明,平均径流率、流速、产沙率均与砾石含量呈极显著负相关;平均产沙率与平均径流率、平均流速以及二者交互项均呈极显著线性函数关系,其中,与平均径流率的相关性最强。本研究可为塿土区工程堆积体水土流失治理和侵蚀模型的建立提供参考。     

干热河谷区不同坡位土壤水分对降雨的响应特征

研究干热河谷地区土壤水分在降雨过程中的短时动态变化,有助于揭示该地区的土壤水文功能。本研究选取贵州花江干热河谷作为研究区,运用原位监测法,获取不同坡位的高频土壤水分监测数据,分析土壤水分对降雨的短时动态响应特征。结果表明: 在整个监测期间,无论是坡上还是坡中,研究区各层土壤水分均为中等变异水平(15.2%≤变异系数CV≤29.7%),坡上土壤水分的波动幅度(CV=21.1%)大于坡中(CV=19.1%),0～5 cm土层(CV=26.2%)大于20～40 cm土层(CV=16.5%)。与坡中相比,坡上土壤水分对降雨的响应速度更快,降雨对土壤水分的补给量大、补给速率快;坡上的土壤水分补给速率与消退速率之差(2.3%·h^-1)大于坡中(1.8%·h^-1)。随土层深度增加,下层土壤水分对降雨的响应早于或同步于上层,降雨对土壤水分的补给量减少、补给速率减慢,土壤水分的消退速率也减慢。与坡中相比,坡上土壤水分入渗能力更强,保水能力更优。干热河谷的微观环境和小气候影响土壤水分对降雨的响应特征,而岩-土界面优先流的快速补给则会加快下层土壤水分对降雨的响应速度,使得该地区的坡面更容易形成混合产流机制。