基于SCS-CN模型的黄土高原丘陵区坡地微型集雨垄垄面径流量预测

为了探寻我国黄土高原丘陵区坡地垄沟集雨种植控制水土流失和增产机理,本研究利用试验期2019年坡地微型集雨垄收集的19次降雨-径流资料,率定不同坡度(0°、5°和10°)微型集雨垄SCS-CN模型的径流曲线数CN值和初损系数λ值,利用5次降雨-径流资料检验模型的有效性.结果 表明:自然降雨条件下,坡地微型集雨垄径流量随坡...     

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法

水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素。以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据。与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征。其次,利用多期MODIS数据驱动的TS/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进。通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7%和-1.5%。结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟。2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度。     

半干旱黄土高原沟垄微型集雨产流特征与马铃薯种植技术

对膜垄和土垄的降雨量和径流量进行直线回归分析,结果表明,粘土夯实集雨垄临界产流降雨量为2.83 mm,产流后的平均集水效率为24.6%,地膜覆盖集雨垄临界产流降雨量为0.23 mm,产流后的平均集水效率为91.1%。在沟垄微型集雨种植马铃薯试验中,30 cm垄宽膜垄、45 cm垄宽膜垄、60 cm垄宽膜垄、30 cm垄宽土垄、45 cm垄宽土垄和60 cm垄宽土垄(沟宽均为60 cm)的经济产量分别比传统耕作高173%、168%、119%、28%、24%和18%,水分利用效率分别比传统耕作高3.98、3.74、2.25、1.10、0.93和0.72 kg.mm-1.hm-2。膜垄种植马铃薯经济产量提高119%~173%,土垄种植马铃薯经济产量提高18%~28%。     

半干旱区垄沟集雨系统点尺度土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对半干旱区垄沟集雨系统水文和生态过程的影响机理,基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2015年日降水资料,分析不同覆盖材料(生物可降解膜、普通塑料膜和土壤结皮)和不同沟垄比(30∶60,45∶60和60∶60cm)对生长季燕麦根系层土壤水分动态的影响,研究点尺度土壤水分概率密度函数特征,并对模型涉及参数进行敏感性分析。结果表明:研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在5—10月份,占总降雨次数的66.6%;年降雨量的85.32%来源于10 mm的降雨,以暴雨为主;近16 a研究区降水量呈缓慢增长趋势。生物可降解膜垄(BMR)、普通地膜垄(CMR)和土垄(SR)临界产流降雨量分别为1.35、0.95 mm和5.31 mm,平均集水效率分别为87.892%、94.203%和27.488%;在燕麦生长季,BMR和CMR的土壤含水量显著大于SR,SR的土壤含水量显著大于传统平作,各处理土壤含水量均服从正态分布;通过Laio模型模拟得到的各处理土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、90%置信区间)及数字特征(期望、方差)与观测结果基本一致,CM指数均大于0.5,且可将集雨垄径流量作为单次降水的随机事件处理,说明该模型可应用于垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数的模拟,为半干旱区农田水分高效利用管理提供理论依据。     

半干旱区垄沟集雨系统点尺度土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对半干旱区垄沟集雨系统水文和生态过程的影响机理,基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2015年日降水资料,分析不同覆盖材料(生物可降解膜、普通塑料膜和土壤结皮)和不同沟垄比(30∶60,45∶60和60∶60cm)对生长季燕麦根系层土壤水分动态的影响,研究点尺度土壤水分概率密度函数特征,并对模型涉及参数进行敏感性分析。结果表明:研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在5—10月份,占总降雨次数的66.6%;年降雨量的85.32%来源于10 mm的降雨,以暴雨为主;近16年研究区降水量呈缓慢增长趋势。生物可降解膜垄(BMR)、普通地膜垄(CMR)和土垄(SR)临界产流降雨量分别为1.35、0.95 mm和5.31 mm,平均集水效率分别为87.892%、94.203%和27.488%;在燕麦生长季,BMR和CMR的土壤含水量显著大于SR,SR的土壤含水量显著大于传统平作,各处理土壤含水量均服从正态分布;通过Laio模型模拟得到的各处理土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、90%置信区间)及数字特征(期望、方差)与观测结果基本一致,CM指数均大于0.5,且可将集雨垄径流量作为单次降水的随机事件处理,说明该模型可应用于垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数的模拟,为半干旱区农田水分高效利用管理提供理论依据。     

模拟不同雨量下沟垄集雨种植对春玉米生产力的影响

为了探明沟垄集雨种植适宜的降雨量范围,使沟垄集雨系统更加有效,通过大田模拟降雨试验,研究了不同雨量下沟垄集雨种植对农田水温状况及春玉米个体发育、生物量积累、水分利用效率(WUE)和产量的影响.结果表明,在230～440mm雨量下,与平作处理相比,沟垄集雨种植处理后,沟内土壤10cm处温度增加了0.7～1℃,沟内120cm土壤平均储水量增加了5%～12%,玉米的出苗期提前1～2d,生育期普遍提前,株高、功能叶面积和生物量显著增加 (P＜0.05) .玉米籽粒产量及WUE在230mm雨量下分别增加了82.8%和77.4%,340mm雨量下分别增加了43.4%和43.1%,440mm雨量下分别增加了11.2%和9.5%.沟垄集雨种植春玉米适宜的雨量上限可能在全生育期降雨量440mm以下.     

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。     

半干旱地区膜垄和土垄的集雨效率和不同集雨时期土壤水分比较

于 2 0 0 2年 4月～ 8月在兰州大学干旱农业生态榆中试验站进行研究 ,在平地上形成沟垄相间的微地形 ,采用 3种沟垄比和两种下垫面材料 ,垄作为径流区 ,沟作为集水区 (沟内不种任何作物 )。采用平均产流率法分析了不同垄型集水面的集水效率 ,结果表明 ,膜垄的平均集水效率为 90 % ,土垄的平均集水效率为 16 .8% ;通过对不同垄型集水面垄中、沟边、沟中的土壤水分进行比较发现 ,对于膜垄在集雨的各个时期沟中的土壤含水量高于垄中 ,沟边的土壤含水量介于沟中和垄中土壤含水量两者之间。如 7月 14日测定 ,沟中、沟边和垄中 0～ 2 0 0 cm土层土壤平均含水量分别为 10 .39%、10 .2 4 %和 9.4 2 % ;对于土垄 ,在集雨前期和集雨中期 ,沟中和沟边的土壤含水量相差不大 ,沟中和沟边的土壤含水量均低于垄中的土壤含水量 ,表现出和膜垄完全不一样的特性 ,如 7月 14日测定 ,沟中、沟边和垄中 0～ 12 0 cm土层土壤平均含水量分别为 8.98%、8.6 8%和 10 .0 3% ,在集雨后期 ,沟边和沟中的土壤含水量大于垄中土壤含水量 ,如 8月 13日测定 ,沟中、沟边和垄中 0～ 12 0 cm土层土壤平均含水量分别为 9.76 % A、9.38% B和 7.94 % C,该试验表明土垄在集雨后期 ,在集雨和土壤水分分配方面表现出和膜垄的相似的特性     

覆膜与沟垄种植模式对旱作马铃薯产量形成及水分运移的影响

研究了覆膜及不同沟垄种植模式对黄土高原西部半干旱区旱作马铃薯产量形成和水分运移的影响.结果表明:平畦覆膜(T2)、全膜双垄沟播(T3)、全膜双垄垄播(T4)、半膜膜侧种植(T5)和半膜沟垄垄播(T6)种植方式的产量分别比传统平畦不覆膜(T1)方式高50.1%、75.9%、86.8%、69.6%和60.6%;水分利用效率(WUE)分别提高47.0%、82.7%、84.0%、75.2%和54.3%,其中,T4、T3产量和WUE增加幅度最大.与传统方式相比,各覆膜及沟垄处理普遍优化了马铃薯各产量构成性状,其中T4和T3最有利于大薯率和中薯率的提高、绿薯率和烂薯率的降低,其单株结薯数和单株薯产量也较高.因此,全膜双垄垄播和全膜双垄沟播为半干旱区马铃薯适宜的抗旱节水高产种植模式.     

气候与土地利用变化下宁夏清水河流域径流模拟

气候和土地利用变化是影响水资源变化最直接的因素。应用SWAT模型对干旱半干旱区小流域宁夏清水河流域径流进行多情景模拟预测,以历史气候要素变化趋势和CA-Markov模型分别设置未来气候和土地利用变化情景,以决定系数R2和Nash-Sutcliffe模型效率系数Ens(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)来衡量模拟值与实测值之间的拟合度,并评价模型在清水河流域的适用性。结果表明,韩府湾站在校准期和验证期的R~2分别为0.80和0.71,Ens分别为0.77和0.69,泉眼山站在校准期和验证期的R2分别为0.66和0.63,Ens分别为0.62和0.56,表明构建的SWAT模型可以用于清水河流域的径流模拟。对未来气候和土地利用变化情景下径流的模拟结果显示,径流变化主要由降水变化主导,降水减少和气温升高的综合作用对流域径流变化影响最为显著;由于耕地和建设用地的增加,未来3种土地利用情景下流域径流量将均会呈现明显增加变化。与2010年相比,到2020年,自然增长情景流域径流将增加17.04%,林地保护情景径流将增加14.44%,规划情景径流将增加13.98%;综合降水、气温和土地利用的结合变化情景显示,未来流域径流将会有不同程度的下降,规划情景和气候变化的结合情景的径流下降最为明显,而有意增大林地和加强生态保护的林地保护情景对减缓流域径流下降具有一定作用。在气候变化的大背景下,根据水资源利用管理目标,可通过调整流域管理措施,特别是土地利用变化和改善区域小气候来减缓气候变化对流域水资源的负面效果,以此来改善流域径流和生态环境状况。