喀斯特黄壤区侵蚀性降雨及产沙特征分析

侵蚀性降雨研究是坡面侵蚀计算的前提性工作,以往喀斯特黄壤区的有关研究多因数据序列较短难以得出有效结论,或更集中于微观过程的观测,不能推广到自然状况下大尺度上的研究应用。确立降雨侵蚀力指标结构及不同下垫面的侵蚀性降雨标准,并结合相关背景资料模拟流域降雨侵蚀状况,对于喀斯特黄壤区的水蚀预报具有重要价值。文章分别观测了贵州中部和西部2个小流域的耕地、草地和人工林地3种径流小区5年的降雨产沙数据。通过计算最小降雨侵蚀力偏差系数Rcv对应的雨量雨强标准,并应用错选度,剔除率和损失率3个指标进行对雨量和雨强标准进行评定,在此基础上分析该区域的侵蚀性降雨分布和不同下垫面的产沙特征,得出以下结论：1）降雨动能和最大30 min降雨强度乘积为计算降雨侵蚀力指标的最佳结构形式,降雨侵蚀力指标可以通过降雨量和最大30 min降雨强度乘积进行简易计算;2）黄壤裸地的侵蚀性降雨指标应采用最大30 min降雨强度,其值在9.6-10.2 mm＆#183;h-1之间,耕地的侵蚀性降雨指标应采用雨量标准,其值在15 mm左右,水土保持措施可明显提高侵蚀性降雨标准,较裸地和耕地分别提高55%和25%以上,复杂下垫面宜采用雨量标准,低植被覆盖下垫面宜采用最大时段雨强标准;3）贵州西部和中部侵蚀性降雨总量分别占年降雨总量的36%和38%,主要分布在5-8月,研究区年均降雨侵蚀力在1700-1800（MJ＆#183;mm＆#183;hm-2＆#183;h-1＆#183;a-1）,明显低于同纬度带的红壤和紫色土;坡面产沙量年内分布极为不均,少数的暴雨贡献了绝大部分的产沙量;4）无人为干扰的灌木草地水土保持效果最佳,顺坡耕作玉米严重加剧土壤侵蚀,减少人为扰动是治理的关键。     

华南红壤坡面产流产沙过程模拟降雨试验研究

暴雨扰动和径流冲刷是华南红壤坡地土壤侵蚀的主要动因,分析模拟降雨条件下华南红壤坡面的水流动力学特征对于揭示其内在机制以及构建物理模型具有重要的意义。通过室内35场不同雨强(30、60、90、120、180、210、270 mm.h-1)、不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)的人工模拟降雨试验,研究了华南红壤侵蚀的产流产沙过程、红壤侵蚀的水动力机制。试验结果表明:红壤坡面模拟降雨条件下,次降雨过程中,坡面产流过程同时受降雨及下垫面状况变化的共同影响作用,产流产沙均表现为波动变化过程。径流过程表现为初期0～10 min为波动增加过程,10 min以后径流量的波动逐渐趋于平稳;径流量与降雨强度间呈线性正相关关系,雨强越大侵蚀产流的径流量也越大;产沙过程表现为侵蚀发生的前期波动过程比较剧烈,随着侵蚀过程逐渐趋于稳定,侵蚀产沙量值逐渐趋于一个稳定值,总的来说大雨强下侵蚀产沙量趋于的稳定值也较大;对于不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)、30 mm.h-1的模拟降雨条件下,红壤坡面仅产生径流,而无侵蚀产沙。     

华南红壤坡面侵蚀水动力学机制试验研究

华南红壤区是我国发生潜在水土流失危害的重点区域之一,红壤坡地的水土流失现象较为严重。华南红壤地区气候温暖,雨量丰沛,降雨特点通常表现为强度大、历时长,暴雨或大暴雨事件频发,因此暴雨驱动因子影响作用更为显著,研究探讨华南红壤坡面侵蚀过程及动力特征有着重要的现实意义。通过室内35场不同雨强（30、60、90、120、180、210、270 mm·h-1）、不同坡度（5°、10°、15°、20°、25°）的人工模拟降雨试验,研究了华南红壤侵蚀的水动力学机制。主要取得以下研究结果：（1）红壤坡面侵蚀水流的流态大部分均处于＂层流—缓流区＂,除平均流速随着模拟雨强的增加而增加外,其他水动力参数（坡面侵蚀水流的阻力、曼宁糙率、径流剪切力、以及水流功）均会受到雨强和坡度改变的影响,但是不呈现特定的函数关系,规律不明显;（2）从水动力学角度解析了红壤坡面水蚀过程,得出了相对水深和曼宁糙率系数两种水动力因子共同组成的复合水动力特征参数,可作为表征不同雨强及坡度下的坡面水蚀侵蚀产沙的特征水动力参数指标。     

人工降雨下草被对黄土丘陵沟壑区坡面径流的调控及临界阈值

黄土丘陵沟壑区降雨集中且多为暴雨,暴雨所形成的坡面径流是造成黄土丘陵严重水土流失的主要原因,而草地植被对坡面径流有良好的抑制作用,草地植被能够通过改变坡面下垫面条件、土壤入渗率来阻延坡面径流的产生,因此揭示草地植被对坡面产流过程的作用及调控机理对于控制该地区的水土流失具有重大意义。该研究以黄土丘陵沟壑区典型草地坡面为研究对象,通过野外人工降雨,探究坡面降雨-产流过程对不同草被覆盖度的响应规律。结果表明,(1)坡面流达到稳定产流时间随着草地植被覆盖度的增大所需时间更长;稳定产流时间随着降雨强度的增大而减小。(2)在60 mm·h~(-1)的降雨强度时,草地植被覆盖度的阈值为75.38%;在90 mm·h~(-1)的降雨强度时,草地植被覆盖度的阈值为90.54%;而对于120 mm·h~(-1)的特大降雨强度时,草地植被覆盖对于径流的影响不显著。(3)坡面流的雷诺数和弗劳德数分别为40.07—695.22和0.33—1.56,阻力系数为1.42—43.53。降雨强度越大,草地植被覆盖度对这些参数的影响逐渐减弱。黄土丘陵的降雨特点多为暴雨,草被对坡面径流的调控作用在强暴雨下不是特别显著,应当辅以林木、灌木措施,才能更有效地控制水土流失。若是只考虑草地植被对坡面的调控作用,90%左右的草地植被覆盖度能够最大效率的应对黄土丘陵沟壑区的降雨状况。     

不同雨强及坡度下坡面流的水动力特性

土壤侵蚀是中国南方多雨区面临的一个重大环境问题,研究不同降雨条件下红壤坡面的水动力特性,对于认识红壤侵蚀过程具有重要的意义。采用室内人工模拟降雨试验,研究了不同雨强(60、90、120、180、270 mm·h-1)和不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)条件下红壤坡面的侵蚀特征,分析测定了侵蚀过程中的流速、水深及单宽流量,探讨它们随雨强及坡度的变化规律。结果表明,相同雨强下沿程流速随着坡度增大而呈增大的趋势,坡度为20°的流速大于另外3种坡度(10°、15°和25°)的流速;随着雨强的增加,坡面流平均水深不断增大。不同雨强条件下,坡度为10°的坡面径流平均水深相对较大,而在中大雨强下,当坡度为20°和25°时平均水深均处于较低水平;在同一坡度下,坡面单宽流量随着雨强增大而增大,两者呈现较好的线性关系,决定系数均大于0.91;随着坡度的增加,单宽流量在10°和20°附近分别出现先增加后减少的变化趋势,坡度对单宽流量影响存在临界坡度,其变化值在10°附近。试验结果揭示了试验槽内红壤坡面侵蚀过程中雨强、坡度与水动力特性的关系。     

喀斯特坡地不同地表微地貌产流产沙模拟研究

通过人工模拟喀斯特坡地不同地表微地貌特征和地下岩溶裂隙构造,结合野外自然降雨试验,研究不同雨型、雨强,不同地表微地貌和地下孔(裂)隙度对坡地土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)地表累积产流、产沙量均高于地下累积产流、产沙量,且地表产流量以裸地达到最大,草地、裸岩次之,地下产流则与之相反。(2)地表、地下累积产流量随着降雨量的增大整体上呈现出波动增长的趋势,地下产流量的波动要小于地表产流量的波动,地表累积产流量、产沙量总体上大于地下累积产流量、产沙量,地表、地下累积产流量、产沙量与降雨量之间出现了较为显著的正相关。(3)随着降雨强度的增大,地表、地下累积产流、产沙量出现波动增长,并在雨强为10.04 mm/h时地表、地下累积产流量达到最高峰。(4)随着孔(裂)隙度的增大,地表、地下累积产流量不断增加,地表累积产沙量先减后增,地下累积产沙量不断增加。(5)6—8月地表累积产流量和累积产沙量均为裸地>裸岩>草地,地下累积产流量草地>裸岩>裸地,地下累积产沙量草地>裸地>裸岩。     

白三叶不同部位减沙效应及其对径流水动力学参数的影响

植被是控制土壤侵蚀的关键因子,研究植被不同部位的减沙效益及机理对于水土保持、植物保护和恢复具有指导意义。以白三叶(Trifolium repens L.)和红壤为实验对象,采用人工模拟降雨的方式,在坡度15°和雨强60、120、180 mm·h~(-1)条件下,测定完整植株坡面、根系坡面和裸坡的产流产沙过程和流速,研究草本植物完整植株、冠层、根系在红壤坡面的减沙效应及其对坡面径流水动力学参数的影响。研究结果表明,盖度为85%的白三叶平均减沙效益为97.3%,根系、冠层的平均减沙效益分别为66.3%、31.0%,根系的减沙效益显著高于冠层。植被能够降低径流含沙量,尤其是降雨初期的径流含沙量。植被能够降低38.6%的坡面径流流速,其中冠层的平均减速效益为31.2%,根系的平均减速效益为7.3%,冠层的减速效益远大于根系。植被对坡面径流雷诺数影响较小,能够降低径流的弗劳德数,缓解径流流态,但坡面径流都为层流-缓流形态。植被能够显著增加坡面径流的达西-韦斯巴赫阻力系数,冠层的平均增阻效益为402.4%,根系的增阻效益为33.0%。随着雨强的增大,植被的增阻效益降低。白三叶具有良好的调控坡面侵蚀的能力,其中冠层主要通过对坡面径流的流速和阻力的影响来减少坡面侵蚀,而根系的减沙效益要大于其减速和增阻效益。植被调控坡面侵蚀的机理十分复杂,其中根系的减蚀机理需要进一步深入研究。     

红壤坡地降雨产流产沙动态过程模拟试验研究

研究以浙江省兰溪水土保持综合试验站为研究基地,通过设定特定植被覆盖度（15%）不同坡度（8°、15°、20°）的径流试验小区,小区面积为2m2,采用野外人工模拟降雨试验方法,对降雨强度（0.8～2.9mm·min-1）范围内,红壤坡地产流和产沙随雨强和坡度的变化特性进行了模拟试验。通过32场模拟降雨试验数据的分析,得出结论如下：①产沙量与雨强呈指数函数关系,产流量与雨强呈幂函数关系,径流量与产沙量的相关性大于雨强与径流、雨强与产沙;②随坡度的增大,产流时刻提前,泥沙起动和产沙突增的雨强临界减小;③随坡度增大,累积产沙量的递增速率比累积径流量的递增速率要快;④场降雨侵蚀模数与雨强的相关性随着坡度的增大而增强。     

不同耕作方式和雨强对紫色土坡耕地降雨有效性的影响

农业水资源短缺越来越受到世界各国的关注,对我国的威胁尤为严重.为了揭示紫色土地区坡耕地常用农耕措施在不同雨强条件下对雨水土壤蓄积率的影响规律,为紫色土坡耕地抗旱耕作技术创制提供理论依据,文章采用两因素、三水平、三重复随机区组试验,利用人工降雨装置和模拟径流小区,在栽培玉米(Zea mays L.)条件下,研究了不同耕作方式和雨强对紫色土坡耕地降雨有效性的影响.研究结果表明:在耕作方式相同时,雨强越大,地表径流量越大,地下径流量减少,总径流量增加,不利于土壤保蓄雨水和含水量的提高.在相同雨强条件下,平作的地表径流量最大,雨水土壤蓄积率最低.横坡垄作在中雨强条件下控制地表径流和侵蚀的效果非常明显,能够显著提高雨水土壤蓄积率,但在大雨强和小雨强条件下,提高雨水土壤蓄积率的效果减弱.横坡垄作等保护性耕作措施可以增加土壤对雨水的有效库容,提高土壤抗旱能力,是适用于该区域的抗旱耕作技术.     

天山北坡山地森林林地产流产沙特征及其影响因素分析

植被格局对森林水文过程具有显著影响,量化分析不同植被类型的产流产沙特征很有必要。为探究天山北坡山地森林产流产沙特征及其影响因素,依托天山森林生态系统定位研究站,依据植被类型、林龄、郁闭度、人工林管理方式设置坡面径流观测场14个,对产流产沙量进行了6年的观测,结果表明,(1)各样地的产流产沙量在年际间随降雨量有较大差异,降雨量与产流产沙量相关性显著,并呈多项式分布(P=0—2.952×10~(-7),r~2=0.464—0.698)。(2)裸地的径流系数和土壤侵蚀模数显著高于其他植被类型(P0.001);天然林中,径流系数和土壤侵蚀模数随着林龄的增加逐渐降低,而土壤侵蚀模数在不同林龄间无显著差异(P=0.089—0.984);郁闭度为0.2和0.4的天然中龄林的径流系数和土壤侵蚀模数显著大于郁闭度为0.6和0.8的天然中龄林(P=0.008—0.021);人工林不同管理方式间产流产沙量无显著差异(P=0.657—0.992)。(3)通过径流系数、侵蚀模数与其影响因素的冗余分析和相关性分析,平均株高、郁闭度、冠层活枝高,土壤饱和含水量、枯落物厚度与径流系数和土壤侵蚀模数呈现负相关关系(r=-0.592—-0.842)。研究结果表明在天山北坡山地森林植被覆盖会减小森林地表径流量,而乔木林具有良好的减沙效果。     

尾巨桉人工林小流域降水产流特征分析

研究尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)生长阶段(林龄3.5—5.5 a)所处小流域的降水产流特征,有助于了解桉树生长过程的生态水文效应,对修订桉树人工林经营方案中注重提高生态系统的水源涵养能力有重要参考意义。以广西南宁桉树森林生态系统定位观测研究站(南宁桉树生态站)的闭合尾巨桉林小流域为试验区,在小流域出水口建设1个测流堰,在测流堰附属房的测定池安放1个自动水位计,定位观测小流域2013年5月—2015年4月的地表径流,使用生态站的自动气象观测系统观测降水量和土壤体积含水量,建立降水、土壤含水量和径流的函数关系,分析土壤前期含水量对径流形成和持续的影响。小流域年均降水量1300 mm,以小雨为主,两个年度小雨共计191场,占降水强度等级总场数74%;降水年内分布不均,雨季集中在季夏,占全年降水量的60%以上,冬季降水最少,属于干旱季节;降水产流现象在降水集中的月份才可能出现,2013年5月—2014年4月的径流深为81 mm,径流系数6%,2014年5月—2015年4月的径流深只有9 mm,径流系数仅为0.7%;径流初始时间明显滞后于降水初始,滞后时间与前期土壤含水量密切相关;径流递增率与降水历时呈线性函数关系,径流递减率与径流消退时间呈对数函数关系;降水产流过程经历径流递增期、稳定期和递减期3个阶段。     

官厅流域农田地表径流磷流失初探

农田径流和侵蚀泥沙是磷进入官厅水库的主要非点污染源。针对该流域夏季农田暴雨径流发生的典型情景进行模拟降雨径流试验，对该流域农田地表径流泥沙和磷流失进行了初步的研究，结果表明，本降雨过程径流累积泥沙产量为30．5l～2493．34g／m^2，受雨强、坡度和作物覆盖的影响明显；径流溶解态磷(DP)中绝大部分是生物可利用性磷(DRP)，径流平均DP、DRP浓度都远大于水体允许临界值0．02mg／L，对官厅水体存在直接污染危害。径流累积全磷(TP)流失达O．0439～2．0798g/m^2；估算的流域农田径流全磷(TP)流失水平达2．67kg／(hm^2．a)以上，其颗粒态占969，0以上，可能成为官厅水库浮游生物长期丰富的潜在可利用磷源。降低农田土壤速效磷水平、减少水土侵蚀，是控制库区水华季节性发生和复原库区水体富营养化状态的关键。     

Influences of suspended particles on the runoff of pesticides from an agricultural field at Askim, SE-Norway

Field and laboratory experiments were conducted to study the loss of particles from agricultural fields, and the role of suspended particles in carrying pesticides in surface runoff and drainage water. Propiconazole, a widely used fungicide was applied to experimental fields located at Askim, SE-Norway. Samples from surface runoff and drainage water were collected and analyzed for sediment mass, pesticides, particulate and dissolved organic carbon through a whole year. The surface soil and the runoff material were characterized by its particle size distribution, organic carbon content in size fractions and its ability to bind propiconazole. The results show that (1) particle runoff mostly occurred during the rainfall event shortly after harrowing in autumn. The highest particle concentration observed in the surface runoff water was 4600 mg l(-1), and in the drainage water 1130 mg l(-1); (2) the erosion of surface soil is size selective. The runoff sediment contained finer particle/aggregates rich in organic matter compared to its original surface soil; (3) the distribution coefficient (Kd) of propiconazole was significantly higher in the runoff sediment than in the parent soil. According to our calculation, particle-bound propiconazole can represent up to 23% of the total amount of propiconazole in a water sample with a sediment concentration of 7600 mg l(-1), which will significantly influence the transport behavior of the pesticide.     

Influences of Suspended Particles on the Runoff of Pesticides from an Agricultural Field at Askim, SE-Norway

Field and laboratory experiments were conducted to study the loss of particles from agricultural fields, and the role of suspended particles in carrying pesticides in surface runoff and drainage water. Propiconazole, a widely used fungicide was applied to experimental fields located at Askim, SE-Norway. Samples from surface runoff and drainage water were collected and analyzed for sediment mass, pesticides, particulate and dissolved organic carbon through a whole year. The surface soil and the runoff material were characterized by its particle size distribution, organic carbon content in size fractions and its ability to bind propiconazole. The results show that (1) particle runoff mostly occurred during the rainfall event shortly after harrowing in autumn. The highest particle concentration observed in the surface runoff water was 4600 mg l^–1, and in the drainage water 1130 mg l^–1; (2) the erosion of surface soil is size selective. The runoff sediment contained finer particle/aggregates rich in organic matter compared to its original surface soil; (3) the distribution coefficient (K _d) of propiconazole was significantly higher in the runoff sediment than in the parent soil. According to our calculation, particle-bound propiconazole can represent up to 23% of the total amount of propiconazole in a water sample with a sediment concentration of 7600 mg l^–1, which will significantly influence the transport behavior of the pesticide.     

雨水径流对景观水体中多环芳烃污染特征的影响

以北京市长河湾流域某排污口附近景观水体为研究对象,通过对水体中PAHs的连续检测,研究了雨水径流对景观水体中PAHs污染特征的影响,以期为景观水体中PAHs的控制和管理提供科学依据.结果表明,长河湾景观水体中∑16PAHs在降雨时的浓度变化与降雨强度及降雨量有关,长河湾水体中溶解态PAHs组分以3环和4环为主,2环组分所占的比例最少.水体底部沉积物中PAHs含量明显高于岸边,沉积物中∑16PAHs含量约为229.2μg.kg-1,岸边土壤中∑16PAHs含量约为185.6μg.kg-1,低于国内外一些水域沉积物中PAHs污染浓度.     

乌江流域水沙特性变化分析

对乌江流域水沙特性变化进行分析,是解决长江上游泥沙问题、提高水资源利用率和防灾减灾的根本出发点,同时可为喀斯特地区水土流失治理和生态恢复提供理论依据.文章通过对乌江流域主要水文站鸭池河站、乌江渡站和思南站的降雨-径流-泥沙随时间的变化、降雨-径流和径流-泥沙的相关性和双累积曲线进行分析,研究结果为:降雨量、径流模数和输沙模数随时间的变化无明显趋势,历年输沙模数是鸭池河>乌江渡>思南.1980年以后由于实施了大量水土保持工程使得输沙模数大量减少.在年均径流模数相同的情况下,1971-1979年这一时期的产沙量要高于1961-1970年.从1971年开始输沙模数相对于径流而言出现趋势性增多,这主要是由人类活动造成.三个站点的双累积曲线变化趋势相似,说明人类活动对河流泥沙的影响,既取决于人类活动的方式、程度,也受制于流域环境条件.     

Runoff water management technologies for dryland agriculture on the Loess

SUMMARY

Arid and semi-arid environments undergo periodic seasonal agricultural droughts of varying extents and duration, erratic and ineffective rainfall of high intensity and short duration, with high surface runoff. High efficiency water-harvesting agriculture has been routinely used in the Loess Plateau agricultural production of China over the past 10 years. Localized habitat effect and regional water resource enrichment are the theoretical basis of high efficient water-harvesting agriculture. Features of this agricultural system are described, including: water harvesting of surface runoff from roads and collection in concrete yards on plastic sheets; water storage cellar tanks for harvesting runoff to provide life-saving/critical irrigation, with devices for water lifting and conveying such as hand pumps and pipelines; feasible methods of water use for limited supplies such as drip, hole, subsoil, and super-sheet irrigation; agronomic measures of high water use efficiency; and field micro-catchment for water harvesting and conservation to increase fallow efficiency in rainy seasons. Using the stored runoff water to irrigate the mulched winter wheat and spring corn, as well as vegetables and fruit trees, significant yield increasing and water use efficiency improvements have been achieved. Plastic mulching for increasing fallow efficiency in rainy seasons and improving yield of the next winter wheat crop have been developed and demonstrated. These techniques have provided obvious benefits in terms of soil and water conservation on slope farmland in the hill regions and remarkable effects of storing water and reducing drought in the dryland farming regions have been obtained.     

基于地统计学的降雨侵蚀力插值方法研究——以江苏省为例

利用江苏省2001-2006年260个站点的自动记录降雨资料,运用卜氏算法计算各站点多年平均降雨侵蚀力,并结合地统计学进行分析与误差对比,结果显示在二阶、球型半变异函数模型参数条件下,普通Kriging插值方法的模拟精度较高,在江苏省具有较好的适用性;基于水土保持工作中雨量站点的选址原则共选取了21个代表站,通过优选出的普通Kriging插值方法对代表站的代表性进行了验证,结果显示选址方法可行.