腾发覆盖技术控制垃圾填埋场渗沥液污染试验研究

腾发覆盖系统利用覆盖层土壤储存降雨,并利用土壤蒸发和植物蒸腾作用增大覆盖层水分耗散,达到控制渗沥液产生的目的。文章进行了6组不同腾发覆盖组合条件下的渗沥液控制效果试验。结果表明:植物在调节和控制覆盖层水分动态中起重要作用,植物覆盖率的增加和土壤水分消减程度表现出明显的关系,植物生长情况下的土壤水分耗散速度是无植物覆盖情况下的1.5倍;植物生长和无植物生长情况下60cm覆盖层厚度实际水库容积分别为97.2mm和62.8mm;无植物生长情况下深层渗沥量达到降雨量的27%,而植物覆盖情况下渗沥液量仅为降雨量的3.5%～7.2%。     

垃圾填埋腾发覆盖系统渗沥控制试验和数值模拟

垃圾填埋场腾发覆盖系统(ET Landfill Cover)是由单一土层和植被构成的简易、低成本、无需管理的生态渗沥控制系统,该系统利用覆盖土层储蓄降水、依靠植物的蒸腾和土壤蒸发消耗土壤水,从而实现渗沥污染控制.通过在武汉大学灌溉排水与水环境综合试验场开展裸土覆盖和5组腾发覆盖的渗沥控制对比试验,并对这6个试验处理进行水量平衡分析,结果发现其中60 cm厚度壤土层和灌木构成的腾发覆盖系统渗沥控制效果比较好,但是试验过程也发现60 cm厚度土层储水能力不足以完全阻止雨量充沛季节形成渗沥液,在旱季也不能向灌木提供充足水分,而是需要灌溉来维持灌木正常生长.因此采用Hydrus 2D软件对不同土层厚度腾发覆盖系统的渗沥控制效果进行数值模拟,结果表明,在武汉地区采用120～140 cm厚度壤土层和灌木构成的腾发覆盖系统是确保渗沥控制效果的经济合理方案.     

腾发覆盖系统的改进及其水文评估

腾发覆盖系统作为屏障型覆盖系统的替代形式自2003年以来在许多垃圾填埋场整治工程中得到应用,它是一种经济、实用的生态型覆盖系统,但因其壤土层持水力和草本植被蒸腾力的限制,腾发覆盖只适用于干旱和半干旱地区.为了提高渗沥控制效果,对腾发覆盖的结构体系进行了改进:①在单一壤土层底部设置黏土衬垫以提高持水力;②采用草本-灌木混合植被取代单纯的草本植被以提高蒸腾力.采用HELP软件对屏障型覆盖系统、腾发覆盖系统和本研究提出的改进型腾发覆盖系统进行水文评估,结果表明改进型腾发覆盖系统的渗沥控制性能明显优于前二者.     

垃圾填埋场生态覆盖系统研究

为了探索生态覆盖系统的合理设计,利用非压实覆盖土层储蓄降水、依靠植物的蒸腾和土壤蒸发消耗土壤水从而控制渗沥污染,在武汉大学灌溉排水与水环境综合试验场开展了不同组合覆盖形式的渗沥控制试验,并对生态覆盖系统进行非饱和水运动数值模拟和水量平衡分析,结果表明,适合于生态覆盖的土壤类型为壤土和粘壤土,覆盖土层填筑密度宜在1.1-...     

雨水资源、土壤水资源与土壤水分植被承载力

在我国北方少雨地区开展雨水资源、土壤水资源与土壤水分植被承载力研究对于防治林草地土壤旱化和林草植被经营具有重要意义。2002年4月以来,在上黄生态实验站对多年生人工林林外和林内降水、地表径流、植物生长和土壤水分动态进行了定位观测,结果表明:次降雨林冠层截留量为0.2～6.47mm,为降水量的3.1%～53.3%,截留总量占降水量的16.9%;地表径流量为0.24～1.5mm,是降雨量的1.6%～6.8%;柠条林地土壤剖面水分垂直变化可分为活跃层、次活跃层和相对稳定层;年内土壤水分胁迫时,植物通过改变叶的颜色,降低自身的含水率、落叶或产生大量落叶来适应干旱的土壤水环境,但不会死亡。土壤水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷,是指在较长时期内,当根层土壤水分消耗量等于或小于降雨补给量时,所能维持特定植物群落健康生长的最大密度。     

煤矸石山覆盖种植对植物根系的影响

通过对阳泉矿务局9＃煤矸山种植的植物根系调查,其植物根系主要分布于覆盖层中,薄层覆盖与裸露矸石上种植的植物根系生长较深。矸石风化物中的含水量随深度增加而增多,采取“薄层覆盖复垦”有利于植物生长。     

平原井灌区土壤水库调蓄能力分析

20世纪80年代以来,由于干旱少雨,北方井灌地区农田地下水位普遍下降,由此使得农田土壤的蓄水能力发生变化。论文根据北京市水利科学研究所在北京市东南郊水资源试验区取得的试验资料,以0～3m土层作为土壤水库的界定深度,分析其对降雨的调蓄能力;经计算,1991～1995年间,春末夏初雨季前,土壤水库的有效调节能力,多年平均值为137.4mm(0～2m)和188.8mm(0～3m)。分析表明,0～3m层土壤有很好的蓄雨调节能力,雨季平均有近85%的降水量滞蓄在3m土层内,其余蒸腾、蒸发散失或补给地下水。研究认为,在田间采取一定的拦蓄水措施,即使遇到10年一遇24小时p=200mm这样的大暴雨,是可以做到农田地表不产流或少产流,从而最大限度地拦蓄汛期降水,增加土壤水资源量的。     

半干旱黄土丘陵区土壤结皮的地表水文效应

黄土高原广泛分布的土壤结皮对地表水文过程有重要影响.以定西黄土丘陵区安家沟小流域内的土壤结皮为研究对象,基于野外采样和水文模拟实验等技术,探讨不同土壤结皮类型对地表水文过程的影响.结果表明:①与裸地相比,有结皮覆盖的地表土壤容重较小,土壤持水能力显著增强,其增加幅度为裸地的1.4～1.9倍;②土壤结皮可有效拦截降雨,以苔藓结皮的拦截能力最强,其次为混生结皮和地衣结皮,无结皮覆盖的裸地抵御降雨冲击的能力最差;③模拟实验显示,土壤结皮能在一定程度上增加水分入渗速率及总入渗量.有结皮覆盖的平均地表入渗速率是裸地的近2倍,而其累计入渗总量也远远高于裸地.     

西安地区人工林土壤干层与水分恢复研究

为查明西安地区土壤干层和丰水年之后的土壤水分的恢复,利用烘干法研究了人工林地土壤含水量。结果表明,西安地区丰水年极端降水前杨树林,法国梧桐林、中国梧桐林和苹果林地大约1.5～4m深度范围内土壤含水量分别为9.3%、9.0%、9.7%和9.1%,普遍存在土壤干层,干层厚度约2.5m。丰水年之后土壤水分得到了很好的恢复,干层全部消失。经过1a左右的入渗,水分恢复深度可达6m左右。根据丰水年之后土壤含水量的不断消耗确定,西安地区丰水年之后一般经过3～4a左右的时间,人工林地的干层将会再次出现。发育弱的土壤干层并未影响到人工林的正常生长,表明在西安或与西安类似降雨量的黄土高原其他发展人工乔木林是可行的。     

微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响

为探究不同丰度（土壤干重的0.5%、1%、2%）和不同类型（PP、PVC、PE）微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响,采用室内土柱模拟的方法,阐明了不同丰度及不同类型微塑料对土壤水分累积入渗时间、土壤含水率、湿润锋和蒸发特性等的影响,其中A1,A2,A3、Q1,Q2,Q3和Z1,Z2,Z3分别代表PE、PVC和PP在0.5%、1%和2%丰度下的实验编号.结果表明,不同类型和不同丰度下的微塑料对土壤水分入渗和蒸发存在显著差异,同类型条件下随着微塑料丰度增大,累积入渗时间显著增加,而类型不同丰度相同微塑料赋存条件下,PP实验组累积入渗时间>PVC实验组累积入渗时间>PE实验组累积入渗时间>空白实验组累积入渗时间;赋存微塑料条件下土壤含水率最大值基本呈现于土层深度10~25 cm处,空白组CK出现在20~25 cm处;相同入渗时间内土壤湿润锋运移距离和湿润锋运移速率随微塑料丰度增加而减小,当入渗时间为60 min时,A1、A2、A3,Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3湿润锋运移距离较CK分别减少4.38%、8.76%、10.58%,7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%,其中PP微塑料的影响最为显著;微塑料赋存对土壤水分蒸发产生抑制作用,同类型微塑料下土壤的累积蒸发量随丰度的增加而减小,在蒸发27 h时,添加2%丰度下PP、PVC和PE微塑料的实验土柱累积蒸发量比CK分别减小22.9%、19.4%和13.3%,Rose蒸发模型更能较真实地反映微塑料赋存情况下土壤累积蒸发量随时间的变化情况.研究可为微塑料赋存条件下土壤水分运移的变化研究提供理论基础.     

森林植被变化对水文过程和径流的影响效应

森林植被变化对水分分配和河川径流具有调节作用。对我国森林植被变化水文效应文献的综合分析表明：森林砍伐或火灾引起森林覆盖度下降会导致林冠截留率、凋落物对降水截留能力和蓄水能力、土壤的渗透和蓄水能力降低。不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大，但比较一致的结论是：除长江中上游外，森林砍伐会降低植被层的蒸发散，增加河川径流；反之，会减少河川径流量。森林火灾会导致林木蒸发散减少，河川径流增加。     

地被物对土壤水分动态和水量平衡的影响研究

通过土壤水分渗漏装置试验研究了百喜草( Paspalum notatum) 及其枯落物在红壤坡地对土 壤水分动态和水量平衡的影响。结果表明, 百喜草覆盖(A) 、百喜草敷盖(B) 、裸露对照(C) 的地表径 流系数分别为1.35%、2.78%和32.74%, C 的地表径流量分别是A、B 的24.25 倍和11.78 倍。A、B、C 的月均土壤含水量变化规律显示, 地被物对土壤含水量的影响随季节的不同而不同, 不同地被物可 以增加或减少土壤水分。年均土壤含水量排列顺序是: B( 27.09%) >A( 26.46%) >C( 26.27%) 。不同处 理水量平衡各分量有较大差异。在2002 年降雨量1 808.5mm 的情况下, A、B、C 的年总径流深分别 为1 245.24、1 453.81 和1 383.23mm, 蒸散量分别为562.74、347.91 和413.82mm, 土壤蓄水年变化 量分别为0.52、6.78 和11.45mm。     

不同土地利用/覆盖情景下东北沟流域植被生态需水量及其对产流影响

针对京津水源区上游生态环境建设需水与向下游多输水的矛盾现实,基于气象、土壤、土地利用/覆盖(1990年和2009年)数据,应用Penman-Monteith公式估算潜在蒸散量,再用土壤和植被信息对其进行修正,计算了水源区东北沟流域1990年、2009年及其他5种不同土地利用/覆盖情景下的最小生态需水量和适宜生态需水量。结果表明:2005-2009年4-10月潜在蒸散量是715.04 mm;2009年流域植被适宜生态需水量是399.42 mm,最小生态需水量是339.68 mm,比1990年的适宜和最小量分别多122.5 mm、144.5 mm;平水年的降雨均可满足各种情景生态需水要求,其中需水量较大的是情景Ⅲ(草地转化为林地),其适宜需水量达784.69×10⁴ m³,情景Ⅱ(林地转化为草地)的需水量最小,适宜需水量是687.27×10⁴ m³,该情景较适合向下游输水为目的的生态建设,但该情景实施的前提是建立下游向上游的生态补偿机制。     

皇甫川丘陵沟壑区小流域生态用水实验研究

一个强烈水土流失小流域(准格尔五分地沟),经过20多年水土保持植被建设,乔灌草人工植被镶嵌分布,覆盖率达80%,在有效遏制水土流失的同时,也消耗相当量的水资源---生态用水。2002年生长季节,采用实验研究方法,测定了该小流域各不同类型植被蒸散量、各不同类型土壤贮水量及降水量等,计算出该小流域四大类型植被生态用水(按大小顺序):①农田为5321.3m³/hm²;②乔木林为4654.8m³/hm²;③灌木林为4047.8m³/hm²;④草原为3244.3m³/hm²。估算出全小流域生态用水量:①各类植被生态用水量约150×10⁴m³;②水库湿地生态用水量约26×10⁴m³;③居民点生态用水量约4000m³。三项合计,即五分地沟小流域总生态用水量约176×10⁴m³。值得重视的问题是:该小流域植被生态用水量和总生态用水量均超出同期降水量(130×10⁴m³)达20×10⁴～40×10⁴m³。这意味着土壤贮水量耗减20～30mm。因此,在生态环境建设中,构建适宜的植被模式,调控生态用水量,将对维持生态系统稳定及其环境改善起重要作用。     

基于SEBAL模型的赤峰市植被修复下林草蒸散耗水特征

水是制约干旱半干旱地区实现可持续发展的关键因素,维持降水与蒸散发的平衡是开展植被修复工程时需要着重考量的因素.利用陆面地表平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land,SEBAL）模型反演了2000年、2008年、2016年赤峰市全域及森林与草地生态系统的实际蒸散发,通过参考蒸散比不变法与日气象数据将反演结果扩展至日尺度,累加得到月际与生长季尺度的实际蒸散发;结合降水变化,分析植被修复工程开展后赤峰市实际蒸散发的时空变化特征与水分盈亏状况.结果表明:①2000年、2008年、2016年赤峰市生长季的实际蒸散量分别为440.86、452.76、474.34 mm,呈增加趋势,蒸散发高值区（>400 mm）由北向南扩增.②2016年生长季森林分布区的耗水量比2000年增加了27.69×108 t,水分亏缺量增加了8.03×108 t,表明过度造林会使森林生态系统遭受严重的干旱胁迫.③一个生长季内,草地生态系统蒸散量的增幅远低于森林生态系统,1 m2草地生态系统的耗水量比森林生态系统少0.18 t.研究显示,在降水量低于300 mm的区域,草地生态系统面临较轻的干旱,且部分区域可以实现水分平衡.为了维持区域水资源存量,建议赤峰市在今后的植被修复工作中,对于降水量低于300 mm的区域以草本修复为主.      

西藏地区春青稞耗水特征及适宜灌溉制度探讨

以中科院拉萨高原生态试验站为依托,通过开展春青稞生长与土壤水分定位观测实验,利用SHAW模型实现对春青稞农田蒸散发与土壤水深层渗漏与补给过程模拟,分析了春青稞的耗水特征,并对其适宜的灌溉制度进行了初步探讨:①春青稞生长期间,耗水450 mm左右,其中,分蘖—拔节、拔节—抽穗、抽穗—蜡熟这3个阶段是春青稞的耗水旺期,耗水量占整个生长期的72%。把握住该时期的水分供应,对提高作物产量十分重要。②在春青稞的需水关键期降水量仅能满足作物需水的58%,必须补充人工灌溉;但现行的灌溉制度由于灌溉量较大,不仅加大土壤蒸发,更造成较大的深层渗漏。③在播种—出苗、拔节—抽穗期分别灌溉50 mm,抽穗—蜡熟期灌溉60 mm,共减少灌溉用水125 mm后,深层渗漏减少了81%(131 mm);深层土壤水向上补给量增加了55%(44 mm)。节水灌溉不仅减少了土壤蒸发与深层渗漏也促使深层土壤水向上补给根系层,应该大力推广这一灌溉制度。     

固沙植被黄柳、小叶锦鸡儿蒸腾耗水尺度提升研究

论文以科尔沁沙地主要固沙植被黄柳、小叶锦鸡儿为研究对象,基于生长季典型枝条茎流的逐日动态观测数据,以黄柳茎干截面积和小叶锦鸡儿叶面积实测数据为扩展纯量,实现了由枝条茎流向灌丛群落蒸腾耗水的尺度提升。结果表明：生长季黄柳和小叶锦鸡儿群落的蒸腾耗水量分别为287.26 mm和197.23 mm,黄柳的耐旱性相对较低。采用FAO Penman-Monteith公式计算出同时期两种植被群落的蒸散量分别为328.70 mm和233.15 mm。日蒸腾耗水量与日蒸散量变化趋势基本一致,两种植被的决定系数分别为0.717 3和0.678 7。论文所建立的尺度提升方法在荒漠化灌木植被蒸腾耗水估算方面行之有效,可为科学选育和管理固沙植被、确定合理造林密度等提供参考依据。     

半干旱区湿地地下水埋深对芦苇SPAC系统水分运移耗散的影响

准确把握土壤-植被-大气系统（简称"SPAC"）中水分的运输和耗散规律是区域水资源可持续管理的重要前提。以白洋淀湿地为研究区,结合现场实测和模型模拟方法,探讨台田地下水埋深变化对芦苇SPAC系统中的水分运移耗散影响。结果表明:1）随着地下水埋深的增加,芦苇蒸散发（ET_a）开始下降,ET_a下降的地下水埋深阈值在100 cm左右;随着地下水埋深的降低,生长季0~120 cm土壤剖面由水分亏损转为盈余,亏盈转换的地下水埋深阈值在60 cm左右,并且亏损量与地下水埋深呈正相关。2）相同的地下水埋深变化对不同月的土壤水分储量、蒸散发的影响程度均存在差异,其中6月影响程度最高。在对白洋淀进行生态补水时,应避免在汛期前的春季进行大量的生态补水,可以优先考虑在生长末期的秋冬季来进行生态补水。3）综合考虑植被生长需求和生态节水,白洋淀芦苇最优的地下水埋深区间在110~150 cm,此时生长季内芦苇蒸散发具有10%~20%的节水潜力。