基于径流路径的分布式面源污染模型研发与应用进展

精准刻画地表径流的路径及其所携带的面源污染物随径流的输移过程是准确估算面源污染入水体量、污染关键源区辨识和高效防控的关键,在我国以小农户种植为主、景观特征复杂的地理条件下尤为重要。鉴于目前常用的面源污染模型大都起源于国外,往往对径流路径的空间差异性及污染物陆面输移过程进行概化,介绍了一个基于径流路径的分布式面源污染模型(STEM-NPS)及其研发与应用进展。阐述了该模型的研发背景、模型原理和结构,说明了STEM-NPS模型对地表径流汇流及其所携带的污染物输移过程的精细化表达方法;介绍了该模型在不同地理环境及尺度的应用进展,展示了其在地块尺度的面源污染关键源区辨识,关键过程和关键影响因素解析及面源污染监管决策支持等方面的功能;探讨了STEM-NPS模型与其他常用模型的异同,并结合生态学研究和面源污染精准防控的需求,提出模型的应用前景及进一步发展的方向。     

高度城市化地区屋顶绿化径流调控效益评价——以厦门岛为例

屋顶绿化的降雨径流调控效益对城市水安全与可持续发展具有重要作用,尤其是在土地资源紧缺与环境问题突出的高度城市化地区,然而目前针对城市尺度进行屋顶绿化降雨径流调控效益的研究较少。以厦门岛142 km~2的典型高度城市化地区为研究对象,采用ArcGIS与SCS-CN水文模型,研究了四种屋顶绿化实施场景在四种不同重现期(2、5、10、20年)降雨事件下各汇水区屋顶绿化的降雨径流调控效益,并依其空间分异特征制定差异化生态建设策略。结果显示,(1)平均地表径流减少率随城市屋顶绿化量的增加从0.91%增加至4.51%,随降雨强度的增加从2.86%下降到2.01%。屋顶绿化对南部城市核心区中山路商圈汇水区的地表径流削减作用最为显著,在2年重现期降雨事件和100%屋顶绿化实施场景下地表径流减少了8.84%。(2)厦门岛易积水区域主要分布在高崎机场、西北部港口、筼筜湖、五缘湾和环岛路;在四种屋顶绿化实施场景下,平均积水深度降低1.68、4.68、6.45、14.43 cm,平均积水面积减少6.11、16.89、23.29、52.06 hm~2,而随着降雨强度的增加,积水面积减少率幅度降低,屋顶绿化对中低...     

黄土区土质道路浮土侵蚀过程

基于野外原位调查采样、室内人工模拟降雨试验研究道路浮土侵蚀规律.结果表明:浮土产流起始时间和路面侵蚀起始时间随雨强和坡度增大呈递减趋势.路面侵蚀起始时间随浮土厚度增大滞后2～5 min.浮土厚度≤0.5 cm时径流率在产流后2 min趋于稳定,平均径流率随雨强增大而递增,随坡度增大而递减;浮土厚度≥1.0 cm时,径流率在产流后3 min趋于相对稳定,平均径流率随雨强增大呈线性递增,随坡度增大而先递增后递减.侵蚀临界点随坡度和雨强增大呈递减趋势.浮土厚度≤0.5 cm时,侵蚀速率随雨强增大而递增幅度达24.5％～434.4％,坡度8°和16°可达2°和4°的2.4倍;浮土厚度≥1.0 cm时,侵蚀速率在产流开始后9min左右趋于相对稳定,且随雨强和坡度增大而递增,随坡度增大侵蚀形式发生由“片蚀-细沟侵蚀-溯源侵蚀”的转变.浮土厚度≥1.0 cm时,平均10 min次降雨侵蚀量可达浮土厚度≤0.5cm的1.3倍,而单独浮土侵蚀时段侵蚀量前者是后者的2.7倍.浮土厚度≤0.5 cm时,侵蚀量与雨强的相关性显著,产流量与坡度的相关性显著;浮土厚度≥1.0 cm时,10 min次降雨产流、产沙与雨强呈显著相关.随浮土厚度增大,浮土侵蚀量在组合侵蚀中所占比例增大,而薄层时主要以道路侵蚀占主导.     

喀斯特流域径流对植被和气候变化的多尺度响应

植被覆盖和气候变化对径流的影响可能具有尺度依赖性,而在生态环境脆弱和地质结构复杂的西南喀斯特区开展研究较少。为此,以喀斯特地貌广泛发育的西江流域为研究区,选取郁江、红水河、浔江和梧州4个流域,利用Mann-Kendall趋势检验对4个流域年径流深、NDVI、降水量、潜在蒸散发和气温(1982—2015)的变化趋势进行了分析,运用多元经验模态分解(MEMD)量化了流域径流深与植被和气候因子在不同尺度上的相关性,并预测了年径流深,旨在研究喀斯特流域径流对植被和气候变化的多尺度响应。结果表明,径流深仅有红水河流域呈显著下降趋势(P0.05)。其中郁江流域径流深主要表征尺度为3年和5年,红水河流域径流深主要表征尺度为10年和22年,浔江和梧州流域径流深主要表征尺度为3年和22年。径流深与植被和气候因子的关系具有尺度依赖性,在不同尺度下,4个流域径流深与降水量和潜在蒸散发始终呈显著相关性(P0.05),而径流深与NDVI和气温的多尺度关系在某些表征尺度上并不显著。利用MEMD法对径流深的预测效果(R~2=0.81—0.86)要优于基于原始数据的多元逐步回归方法(R~2=0.69—0.78)。本研究可以为合理利用喀斯特流域水资源,促进流域社会经济可持续发展和生态环境保护提供科学依据。     

露天矿排土场平台-边坡系统侵蚀形态及径流产沙特征

露天矿排土场平台径流汇集量大且急促,常导致边坡发生强烈沟蚀。排土场平台-边坡系统集中来水条件下的侵蚀过程研究仍十分薄弱。本研究以平台-边坡系统为对象,采用野外放水冲刷试验方法,研究不同放水流量(48、60、72、84 L·min^-1)下系统径流、产沙及侵蚀形态演变规律。结果表明: 48 L·min^-1流量时,平台-边坡系统以细沟侵蚀为主,60～84 L·min^-1流量下系统发育形成切沟。平台、边坡流速随放水历时呈突变-波动-稳定变化趋势,平台流速小于边坡径流流速,减幅为8.3%～67.1%,边坡流速为边坡上/下部最大,较中部增加18.5%～44.6%。平台和边坡产沙率随放水历时呈现突变-波动-稳定3个阶段,边坡产沙率高达平台的17.4倍;平台上细沟侵蚀产沙量占比高达86.6%～95.1%,60～84 L·min^-1流量下边坡切沟侵蚀产沙量占比高达69.2%～86.6%。平台侵蚀沟宽深比大于边坡,边坡宽深比为边坡上部最小,边坡中/下部最大,是边坡上部的1.36～1.93倍,侵蚀沟沿平台至坡脚总体上呈“宽浅-窄深-宽浅”式发展;48 L·min^-1流量下侵蚀主要集中在平台与边坡中部,侵蚀体积占比分别为29.9%、26.8%;60～84 L·min^-1流量时,侵蚀集中在边坡上部,占总侵蚀体积的36.1%～44.7%。结果可为陕北露天矿排土场平台-边坡系统沟蚀防治及侵蚀产沙模型的建立和修正提供参考。     

不同降雨条件下坡长对喀斯特坡面土壤侵蚀的影响

基于2012—2014年对贵州省石桥小流域布设的5个坡长(5、10、15、20、25 m)径流小区的59次侵蚀性降雨条件下的产流产沙数据,分析不同降雨条件下喀斯特裸坡产流产沙与坡长的关系。结果表明: 研究区坡面产流量随坡长的增加总体呈先减少后增加再减少的趋势,产沙量随坡长的增加先上升后下降。研究区59次侵蚀性降雨按降雨量、降雨历时和平均雨强可分为3种雨型,分别为A雨型(短历时、大雨强、小雨量)、B雨型(中历时、小雨强、中雨量)、C雨型(长历时、中雨强、大雨量)。不同雨型下坡面产流产沙量与坡长的关系存在一定差异,A和B雨型下存在20 m左右的临界产沙坡长,C雨型下产沙量随坡长的增加逐渐加大。不同雨型下,坡长与产流产沙量均存在较好的三次函数关系。不同坡长间产流产沙量的变幅不同,除15~20 m坡长外,C雨型产流产沙量变幅相对较大,尤其产沙量的变幅显著高于其他雨型。不同雨型的坡面产流总量依次为A雨型＞B雨型＞C雨型;B雨型坡面产沙量最小,20 m坡长处A雨型产沙量最大,其他坡长处C雨型产沙量最大。A雨型(研究区常见雨型)下降雨复合因子较降雨单因子与产流产沙量的相关性更好,降雨量(P)、降雨历时与最大30 min雨强的乘积(TI₃₀)、降雨历时与平均雨强的乘积(TI)、降雨量与降雨历时的乘积(PT)与产流产沙呈极显著相关,其中,P和TI与产流量的相关性最强,二者与产流量在不同坡长间的关系可用线性方程和S型曲线表示,各坡长产沙量与其对应的降雨因子均存在较好的3次函数关系。     

生物结皮分布格局对坡面流水动力特征的影响

生物结皮的分布格局是影响坡面产流产沙的因素之一,但其格局对侵蚀动力的影响机理尚不明确,妨碍了进一步解析生物结皮影响坡面产流产沙的机制。本研究通过室内模拟降雨试验,采用景观生态学方法,对带状、棋盘和随机3种分布格局下生物结皮坡面景观指数和水力学参数的变化规律与裸土坡面进行对比研究。结果表明: 生物结皮显著影响坡面侵蚀动力,其分布格局是影响坡面侵蚀动力的因素之一。与裸土相比,生物结皮显著降低了坡面流速(54.6%)和弗劳德数(67.0%),显著增加了径流深(86.2%)和阻力系数(10.68倍),但对雷诺数和径流功率的影响较小;除径流深外,3种格局的生物结皮坡面的各水力学参数均存在显著差异,其中,随机格局对坡面侵蚀动力的影响最大。基于因子分析和聚类分析,筛选出斑块占景观面积比例、斑块密度、景观形状指数、斑块连结度和分离度5个指标作为描述生物结皮斑块分布特征的指标。其中,生物结皮斑块间的斑块连结度和分离度是影响坡面侵蚀动力的主要格局因子。随着生物结皮斑块间斑块连结度减小、分离度增大,坡面流速增加,阻力减小,坡面侵蚀加剧。     

泾河流域上游土石山区和黄土区森林覆盖率变化的水文影响模拟

泾河流域上游是黄土高原的重要水源地和退耕还林工程区,在较大空间尺度上定量评价区内森林覆盖增加的水文影响对科学指导林业生态环境建设、保障区域水安全和可持续发展均有重要意义。为了在尽量排除地形、土壤、气候等作用的基础上定量评价森林的影响,将泾河上游划分为土石山区和黄土区,分别制定了多种森林恢复情景,利用分布式流域生态水文模型(SWIM)模拟评价了森林覆盖率及其空间分布变化对流域年蒸散量、年产流量、年地下水补给量、年土壤深层渗漏量及日径流洪峰的影响。土石山区模拟结果表明,增加森林覆盖将增加流域蒸散和减少流域产流,如现有森林覆盖(占全流域面积比例为13.8%)情景与现有森林变为草地(占全流域面积比例为0)情景相比时,流域年蒸散量从445.4 mm变为427.7 mm(减少了17.4 mm和4%);年产流量从42.4 mm变为53.5 mm(增加了11.1 mm和26.3%),年地下水补给量从61.6 mm变为76.9 mm(增加了15.3 mm和24.8%),年深层渗漏量从72.9 mm变为88.3 mm(增加了17.7 mm和24.3%);平均森林覆盖率每增加10%,导致流域年蒸散量增加12.8 mm,年产流量减少8.0 mm,年地下水补给量减少11.1 mm。在比较干旱和土层深厚的黄土区,增加森林覆盖将同样增大流域蒸散和减少流域产流,但变化幅度明显小于降水相对丰富和土层浅薄的土石山区,平均森林面积增加10%导致流域年蒸散量增加9.0 mm,年产流量减少4.5 mm,年地下水补给量减少8.8 mm;此外,在较缓坡面造林的水文影响大于较陡坡面造林。从森林水文影响的年内变化来看时,森林覆盖率升高的水文影响在土石山区和黄土区也有差别,如土石山区5—7月份的蒸散显著增加,5—10月份的深层渗漏均有减少;而黄土区是蒸散量在5—10月均有增加,深层渗漏在7—10月份显著减少。另外,土石山区森林覆盖率增加对日径流峰值的影响不显著,而黄土区则能明显削弱,这可能主要是因土石山区的高石砾含量土壤的渗透性能明显高于黄土区的黄土,而黄土区的森林能够明显改善土壤入渗性能和减少地面径流形成。     

华北落叶松人工林蒸散及产流对叶面积指数变化的响应

定量评价林地蒸散和产流等水文过程对冠层叶面积指数(LAI)的响应,对于深入认识森林植被的生态水文过程及其发生机制,实现半干旱区林水综合管理和区域可持续发展是非常必要的。应用集总式生态水文模型BROOK90,模拟分析了不同降水年型(丰水年、平水年、枯水年)下,位于半干旱区的宁夏六盘山叠叠沟小流域内华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林的水文过程对冠层LAI变化的响应关系。结果发现:林分总蒸散量、冠层截留量、蒸腾量与LAI都呈显著的正相关关系(R~20.99,P0.01),而土壤蒸发量、产流量则与LAI均呈显著的负相关关系(R~20.99,P0.01);在不同的降水年型下,各水文过程变量与LAI的关系都可以很好地用指数函数来表达,且都存在着一个LAI阈值。当LAI低于阈值时,各水文过程变量随LAI的变化幅度较大;但高于阈值时,各变量的变化十分缓慢并趋于稳定。在不同降水年型下,各变量LAI阈值之间存在着一定的差异。一般地,丰水年各变量的LAI阈值要大于枯水年,尤其是冠层截留和土壤蒸发。在丰水年,各水文过程变量随LAI增加而变化的速率要比在平水年、枯水年更快,说明在水分充足年份中各变量的波动更多取决于LAI变化,而在水分亏缺的年份中则可能更多地受到水分条件的限制。模拟结果表明,通过减少冠层LAI(如间伐)导致的林分的降低蒸散耗水和增加产流的作用是有限的,这是由于林分蒸散降低的幅度要比LAI降低的幅度小。例如,在平水年,当LAI从4.2变为2.0(减少幅度52.4%)时,林分年蒸散仅从357.2 mm减少至333.9 mm(减少幅度6.5%)。     

暴雨和缓冲带特征对城市滨水缓冲带雨洪消减与水质净化效果的影响机制

通过设置多组实验,模拟不同暴雨径流及缓冲带条件,对城市滨水缓冲带在不同暴雨雨型、历时、重现期、缓冲带坡度、植被覆盖度、初期冲刷等条件下的径流削减和水质净化作用进行研究。得出在不同实验条件下,滨水缓冲带的雨量动态径流系数结果在0.29—0.55之间。分析实验结果发现缓冲带对峰型靠前、历时较短、重现期短的暴雨径流削减效果更好,同时更平缓与植被覆盖度更高的缓冲带对径流的削减效果更佳。模拟实验显示,径流中不同污染物去除率范围分别为:SS为66.41%—90.29%、TN为44.48%—64.90%、NH_3-N为32.72%—63.68%、TP为89.83%—95.04%、COD为34.32%—66.23%。缓冲带的径流水质净化效果在应对不同暴雨雨型时未显示明显规律,而缓冲带对中高浓度径流污染物削减率更高能够应对较强的初期冲刷效应。同时更平缓与植被覆盖度更高缓冲带,即表流流速更缓慢时,显示出更好的径流净化效果。