模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响

通过模拟降雨实验的方法,分析研究了坡度10°和20°,降雨强度30mm/h和60mm/h条件下不同盖度黑麦草对坡面产流产沙的调控过程,并从雷诺数、弗劳德数和阻力系数三个方面对水流运动过程和黑麦草调控坡面流的水力学特性进行了剖析。研究结果表明:雷诺数随坡度增加而相对增大,随降雨强度增大有明显增大趋势。黑麦草覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数,在各降雨强度和坡度条件下,雷诺数随黑麦草盖度增加而减小,雷诺数大小一般呈现:裸坡20%40%60%80%。黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响,随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小,并且弗劳德数随盖度变化为:裸地20%40%60%80%,坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系,随坡面阻力系数的增大,坡面产沙率呈对数减小,并且阻力系数在0—1时减小速率很大,阻力系数大于1以后减小曲线较为平缓。     

小流域林草植被控制土壤侵蚀机理研究

从坡面水动力学角度研究了坡面乔木林、草本植物和林地枯落物对坡面径流流速和动能的影响机理.结果表明,坡面径流水头损失与坡面坡度、林木密度、净雨强、坡长等有关,水头损失与林木间距(b)和树木地径(D)间的关系为:E^∝(D/b)^4/3;坡面草本植物在水流作用下易弯曲,增大水流底层的阻力,减小床面的切应力;枯枝落叶使径流速度减小,从而大大降低径流挟沙能力.对甘肃省天水市桥子东沟和桥子西沟两个对比小流域的实测单次降雨、径流、泥沙资料分析可见,在相同降水条件下,已治理小流域内的径流量、产沙量、洪峰流量、最大输沙率等指标均小于未治理小流域,说明林草植被在小流域中的涵养水源、保持水土的作用明显.     

坡度和植被盖度对粉砂质河岸带坡面流侵蚀水动力特征的影响

揭示坡面水流水动力参数特征对于深入了解坡面土壤侵蚀的内在机制具有重要意义.本试验在黄河下游河岸带原生坡面上,采用野外模拟径流冲刷的方法,研究了4个坡度(5°、10°、15°、20°)和3个植被盖度(0%、15%、30%)在特定放水量(15 L·min^-1)条件下坡面薄层水流剥蚀土壤的水动力学过程,分析了径流剪应力(τ)、水流功率(ω)、径流能量(F)等水动力学参数的变化及其对坡度、植被盖度以及二者交互作用的响应差异.结果表明: 在坡度和植被盖度的影响下,τ、ω和F变化规律明显,坡度不变情况下,τ随着植被盖度的增加而增加,ω和F随着植被盖度的增加而减小;植被盖度不变情况下,τ、ω和F均随坡度的增加而增加.坡度小于10°时,坡度和植被盖度的变化对坡面土壤侵蚀的影响不明显;坡度大于10°时,相同坡度条件下植被盖度越大减蚀效果越明显,相同植被盖度下坡面侵蚀量随坡度的增大而增加.τ、ω均与土壤剥蚀率呈显著的线性关系,在土壤侵蚀发生时均存在临界剪应力和临界功率;F与土壤剥蚀率则呈现良好的对数关系.双因素方差分析表明,坡度和植被盖度对τ、ω和F的影响显著,两者的交互作用对ω影响显著,但对τ、F的影响不显著.     

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。     

非硬化土路径流侵蚀产沙动力参数分析

采用野外径流冲刷试验的方法,模拟研究非硬化路面土壤剥蚀率与各水动力学参数之间的关系,并建立各自的定量关系式.结果表明： 不同流量和坡度下,平均土壤剥蚀率可以用放水流量和坡度的幂函系数关系进行描述,并随放水流量和坡度的增大而增大,流量对土壤剥蚀率的影响大于坡度;土壤剥蚀率与水流流速呈幂函数关系;土壤剥蚀率与径流动能呈幂函数关系,径流动能对土壤剥蚀率有重要作用;土壤剥蚀率与单宽径流能耗呈线性函数关系,土壤可蚀性参数和临界单宽径流能耗的均值分别为0.120 g·m^-1·J^-1和2.875 g·m^-1·J^-1.放水流量和坡度、单宽能耗可准确地描述道路土壤侵蚀过程并对土壤侵蚀量进行测算.     

中国森林生态系统土壤呼吸温度敏感性空间变异特征及影响因素

土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)是陆地碳循环与气候系统间相互作用的关键参数。尽管已有大量关于不同类型森林Q₁₀季节和年际变化规律的研究, 但是对Q₁₀在区域尺度的空间变异特征及其影响因素仍认识不足, 已有结果缺乏一致结论。该研究通过整合已发表论文, 构建了中国森林生态系统年尺度Q₁₀数据集, 共包含399条记录、5种森林类型(落叶阔叶林(DBF)、落叶针叶林(DNF)、常绿阔叶林(EBF)、常绿针叶林(ENF)、混交林(MF))。分析了不同森林类型Q₁₀的空间变异特征及其与地理、气候和土壤因素的关系。结果显示, 1) Q₁₀介于1.09到6.24之间, 平均值(±标准误差)为2.37 (± 0.04), 且在不同森林类型之间无显著差异; 2)当考虑所有森林类型时, Q₁₀随纬度、海拔、土壤有机碳含量(SOC)和土壤全氮含量(TN)的增加而增大, 随经度、年平均气温(MAT)、平均年降水量(MAP)的增加而减小。气候(MAT、MAP)和土壤(SOC、TN)因素间存在相互作用, 共同解释了33%的Q₁₀空间变异, 其中MAT和SOC是Q₁₀空间变异的主要驱动因素; 3)不同类型森林Q₁₀对气候和土壤因素的响应存在差异。在DNF中Q₁₀随MAP的增加而减小, 而其他类型森林中Q₁₀与MAP无显著相关性; 在EBF、DBF、ENF中Q₁₀随TN的增加而增大, 但Q₁₀对TN的敏感性在EBF中最高, 在ENF中最低。这些结果表明, 尽管Q₁₀有一定的集中分布趋势, 但仍有较大范围的空间变异, 在进行碳收支估算时应注意尺度问题。Q₁₀的主要驱动因素和Q₁₀对环境因素的响应随森林类型而变化, 在气候变化情景下, 不同森林类型间Q₁₀可能发生分异。因此, 未来的碳循环-气候模型还应考虑不同类型森林碳循环关键参数对气候变化的响应差异。     

黄土高原不同植被带人工刺槐林土壤氮磷转化酶动力学参数及其温度敏感性

土壤酶是有机质降解的催化剂,其动力学特征是表征酶催化性能的重要指标,对评价土壤健康质量有重要作用。本研究选择黄土高原3种植被带下人工刺槐林土壤为对象,探讨了土壤酶动力学参数对温度变化的响应及其温度敏感性(Q₁₀)的变化特征。结果表明: 随着培养温度的升高,土壤丙氨酸转氨酶、亮氨酸氨基肽酶和碱性磷酸酶的潜在最大反应速率(V_max)和半饱和常数(K_m)均呈线性增加,且V_max呈现出森林带>森林草原带>草原带的地带性规律。V_max的温度敏感性(Q10(V_max))为1.14～1.62,K_m的温度敏感性(Q_10(Km))为1.05～1.47,且两者在森林草原带的值均低于其他植被带。在低、高温区,不同土壤酶的Q₁₀在各植被带间的变化也不尽相同。冗余分析显示,Q₁₀与环境变量尤其是土壤养分有显著的相关关系,这表明Q₁₀可能还受到除温度以外其他环境因子的影响。     

Spatial variation and controlling factors of temperature sensitivity of soil respiration in forest ecosystems across China

土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)是陆地碳循环与气候系统间相互作用的关键参数。尽管已有大量关于不同类型森林Q₁₀季节和年际变化规律的研究, 但是对Q₁₀在区域尺度的空间变异特征及其影响因素仍认识不足, 已有结果缺乏一致结论。该研究通过整合已发表论文, 构建了中国森林生态系统年尺度Q₁₀数据集, 共包含399条记录、5种森林类型(落叶阔叶林(DBF)、落叶针叶林(DNF)、常绿阔叶林(EBF)、常绿针叶林(ENF)、混交林(MF))。分析了不同森林类型Q₁₀的空间变异特征及其与地理、气候和土壤因素的关系。结果显示, 1) Q₁₀介于1.09到6.24之间, 平均值(±标准误差)为2.37 (± 0.04), 且在不同森林类型之间无显著差异; 2)当考虑所有森林类型时, Q₁₀随纬度、海拔、土壤有机碳含量(SOC)和土壤全氮含量(TN)的增加而增大, 随经度、年平均气温(MAT)、平均年降水量(MAP)的增加而减小。气候(MAT、MAP)和土壤(SOC、TN)因素间存在相互作用, 共同解释了33%的Q₁₀空间变异, 其中MAT和SOC是Q₁₀空间变异的主要驱动因素; 3)不同类型森林Q₁₀对气候和土壤因素的响应存在差异。在DNF中Q₁₀随MAP的增加而减小, 而其他类型森林中Q₁₀与MAP无显著相关性; 在EBF、DBF、ENF中Q₁₀随TN的增加而增大, 但Q₁₀对TN的敏感性在EBF中最高, 在ENF中最低。这些结果表明, 尽管Q₁₀有一定的集中分布趋势, 但仍有较大范围的空间变异, 在进行碳收支估算时应注意尺度问题。Q₁₀的主要驱动因素和Q₁₀对环境因素的响应随森林类型而变化, 在气候变化情景下, 不同森林类型间Q₁₀可能发生分异。因此, 未来的碳循环-气候模型还应考虑不同类型森林碳循环关键参数对气候变化的响应差异。     

黄土丘陵沟壑区自然恢复草被对浅沟侵蚀的影响

浅沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区的一种重要侵蚀类型.以往研究多侧重于农地浅沟,有关自然恢复草被对浅沟侵蚀影响的研究甚少.本研究采用野外原位冲刷试验,以裸地浅沟为对照,探究放水流量为5、10、15、20和25 L·min^-1条件下草地浅沟的径流产沙特征及侵蚀机理.结果表明: 与裸地相比,草地浅沟平均流速、稳定径流率、雷诺数、弗劳德数分别减小25.4%～67.3%、8.4%～26.6%、54.9%～80.5%、18.6%～65.1%,阻力系数增大0.09～7.18倍.草地浅沟最大产沙率、稳定产沙率和平均产沙率较裸地浅沟分别减小55.1%～90.9%、61.8%～95.4%和64.8%～92.4%;5～25 L·min^-1放水流量下,自然恢复草被的减沙效益可达65.9%～88.8%,且随放水流量增大,减沙效益呈减小趋势.与裸地相比,草地浅沟的平均径流功率和平均径流剪切力分别减小54.9%～80.5%和12.4%～51.1%,临界径流功率增大1.43倍,临界剪切力增大33.7%;草地和裸地浅沟平均产沙率与平均径流功率、平均径流剪切力均呈显著线性相关.自然恢复草被显著增加了浅沟抗蚀性能,降低了浅沟径流侵蚀能力.     

黄土丘陵区草本植物覆盖下生物结皮对坡面径流流速的削减作用

生物结皮是干旱半干旱地区的常见地被物,与植物共同影响坡面径流及流速。迄今鲜有研究关注植物和生物结皮共同覆盖对流速的影响,是干旱半干旱地区坡面侵蚀驱动因素研究的薄弱环节。本研究以黄土丘陵区退耕草地为对象,通过野外模拟降雨试验,研究草本植物覆盖下有无生物结皮及不同组成生物结皮(多藻少藓、多藓少藻和藓)对径流流速的影响。结果表明: 植物和植物+生物结皮覆盖显著降低了流速,植物覆盖较裸土降低70.7%,植物+生物结皮覆盖较裸土降低83.1%;植物和生物结皮共同覆盖下,植物和生物结皮对径流流速的削减效益分别为70.7%和12.4%。植物覆盖下生物结皮对流速的影响程度与其组成有关,多藻少藓结皮、多藓少藻结皮和藓结皮对流速的削减效益分别为11.5%、12.4%和19.4%。流速与藓盖度呈显著负相关,与藻盖度呈显著正相关,藓结皮盖度(x)与流速(y)的关系式为:y=-2.081x+0.03(R²=0.469)。当植物盖度一定时(40%±10%),生物结皮组成中藓盖度是影响共同覆盖坡面流速的关键因子。综上,草本植物覆盖下生物结皮有显著减缓流速的作用,且作用程度与其组成有关。表明在研究退耕草地坡面侵蚀动力机制时,生物结皮的作用应予以考虑。     

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。     

灌木斑块格局对产流及产沙过程的影响

研究景观斑块盖度和连通方式影响下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化规律,对于揭示坡面土壤侵蚀过程的水动力机制和水文连通性具有重要意义。本研究采用野外人工模拟降雨试验,分析灌木样地不同覆盖度水平(0%、20%、40%、60%、90%)和不同连通方式(竖路径、横路径、S路径、随机斑块路径)下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化。结果表明: 随灌木覆盖度增加,产流量和产沙量均呈指数递减趋势;覆盖度增加到60%以上时,灌木减水减沙能力趋于稳定。随灌木覆盖度增加,流速、径流深、雷诺数、弗劳德数、径流功率和径流剪切力显著降低,曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数显著增大;但当灌木覆盖度增加到60%以上时,水力学参数特征值变化无显著差异。4种连通方式的产流率大小依次为竖路径>S路径>横路径>随机斑块;产沙率表现为竖路径最大,S路径次之,横路径与随机斑块无显著差异。连通性差的路径(横路径、随机斑块路径)与连通性好的路径(竖路径、S路径)相比,表现出较强的水力传输阻力和较差的水力挟沙能力。研究灌木斑块不同覆盖度和不同组合方式对坡面产流产沙量和水动力参量的作用,阐明植被减水减沙的临界盖度和合理配置方式,可为黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供重要的理论依据。     

生物结皮与草本植物共生坡面的产流-入渗过程特征

干旱半干旱地区生物结皮与草本植物互生,发挥了重要的水土保持价值,但二者的耦合作用对坡面土壤产流-入渗过程与机理的影响尚不清楚。本研究利用人工模拟降雨试验,设计裸土、生物结皮、长芒草、长芒草+生物结皮4种坡面处理,研究生物结皮与草本植物的产流-入渗过程与径流水动力学特征。结果表明: 2个有生物结皮处理的坡面产流量变化平稳。4种处理的总产流量大小分别为:生物结皮>长芒草+生物结皮>裸土>长芒草,说明生物结皮具有抑制土壤水分入渗的作用,而长芒草可促进土壤水分入渗。在土壤深度为16和24 cm处,生物结皮处理的累计入渗量均小于长芒草+生物结皮处理,且差异显著,说明随着土壤深度增加,长芒草会减小生物结皮抑制水分入渗的作用。除了裸土坡面的弗劳德数(Fr)大于1以外,其余3种处理的Fr值小于1,属于缓流。生物结皮、长芒草和长芒草+生物结皮处理坡面的径流动能比裸土坡面分别减少83.3%、59.5%和88.1%。综上,水动力学参数的变化说明生物结皮调控径流的作用大于长芒草。     

Spectral feature differences between shrub and grass communities and shrub coverage retri- eval in shrub-encroached grassland in Xianghuang Banner,Nei Mongol,China

Aims Shrub-encroached grassland has become an important vegetation type in China’s arid and semi-arid region. Our study objective is to explore the spectral features of shrub and grass communities, as well as their empirical relationships with shrub coverage. The quantitative estimation of shrub cover based on medium-resolution Landsat satellite imagery provides the practical basis for long term retrieval of large areas of shrub expansion in the grassland region. Methods Linear models and Multiple Endmember Spectral Analysis Model (MESMA) based on medium resolution Landsat satellite imagery were developed to quantify the shrub coverage in a shrub-encroached grassland region in Xianghuang Banner, Nei Mongol using the spectral features and their seasonal differences between the shrub and grass communities. Important findings Compared to Leymus chinensis and Stipa krylovii dominated grass communities, Caragana microphylla community had a higher normalized difference vegetation index (NDVI), modified red edge normalized difference vegetation index (mNDVI₇₀₅), and red edge slope. The red edge position of C. microphylla community shifted to longer wavelengths. The average and the maximum shrub coverage was 13% and 25%, respectively, in the shrub-encroached grassland based on both models. The correlation coefficient of determination (R²) and root mean square error (RMSE) of the linear model was 0.31 and 0.05, respectively. We found that the linear model based on seasonal differences of shrub and grass community was more suitable for retrieving shrub coverage in the study area from medium resolution imagery than the MESMA model that is based on mid-summer images.     

Viscous energy dissipation in a model of the human bronchial tree

The viscous energy dissipation in a two generation model of the human bronchial tree is determined from inspiratory velocity and static pressure data obtained for large Reynolds numbers (10⁴ < Re < 10⁵). This dissipation is found to be an increasing function of both Re and distance downstream from the inlet of the model. The ratio of the dissipation in the model to the energy dissipation in an equivalent straight pipe system is determined. This ratio, Z^*, for the model is compared to values in the literature for lower (laminar) Re. There is more dissipation in the branched model than in a straight pipe (Z^* > 1) and turbulence keeps Z^* at roughly a fixed value for large Reynolds numbers (10⁴ < Re < 10⁵). Z^* values for curved pipes are also compared to the branching system values. It is found that the energy dissipation for the branched model behaves similarly to that in curved pipes.     

基于暴雨径流管理模型的海绵城市景观格局优化模拟

随着我国城镇化进程加快,城市不透水面积急剧增加,城市内涝问题日益严重.为此我国基于低影响开发理念提出了海绵城市概念.本研究以辽宁省沈抚新城中心城区作为研究区域,利用暴雨强度公式构建不同重现期的降雨过程,基于海绵城市理念对研究区进行景观格局优化,并运用暴雨径流管理模型模拟预规划方案和景观格局优化方案两种情景下的地表径流和雨水调控能力的差异,分析景观格局优化方案对城市地表径流和雨水调控能力的影响.结果表明: 随着降雨重现期的增大,研究区内径流总量和径流系数呈上升趋势;在相同降雨重现期下,景观格局优化方案的径流系数明显降低,径流总量的削减量逐渐增加,1年一遇、3年一遇、5年一遇和50年一遇重现期下的削减量分别为2.94、3.58、3.72、4.19 mm;相对应的削减率逐渐降低,分别为23.9%、16.4%、14.3%、9.3%;优化后的方案可满足降雨重现期p=1时设计降雨量20.8 mm、p=3时雨水管网不超载且p=50时河道不溢流的要求.     

黄土高原生物结皮对SCS-CN模型初损率的影响

水文模型是水文过程研究的有效工具,初损率(λ)是径流模型SCS-CN模型的参数,对模拟流域水文过程具有重要意义。为了确定生物结皮对λ的影响,提高该模型在黄土高原生物结皮广泛分布的退耕地的预测精度,本研究以陕西省定边县鹰窝山涧流域不同盖度的生物结皮坡面为对象,采用模拟降雨试验,分析土壤潜在最大入渗量(S)与实际入渗量(F)的关系,以及生物结皮盖度对λ的影响,并修订了λ;在此基础上,采用陕西省安塞县纸坊沟流域生物结皮径流小区的模拟降雨试验数据校验了参数修订后的模型。结果表明: 生物结皮坡面S与F的关系式为: S/F=2.5×60/T(其中T为降雨历时);模型参数λ与生物结皮盖度(C_BSC)呈极显著负相关关系,二者关系式为: λ=0.0791×e^{(-0.015×C_BSC}),R²=0.60;较λ取标准值,依生物结皮盖度修订λ后,SCS-CN模型Nash效率系数提高338.7%,合格率提升16.1%。研究结果为黄土高原生物结皮坡面λ的确定提供了科学依据,对准确评估黄土高原退耕还林(草)工程的水文效应具有重要意义。