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。     

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。     

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。     

华南湿润区坡地氮素流失规律比较试验研究

通过两个径流场的对比试验,研究了华南湿润地区针叶林坡面氮素随降雨径流的流失规律,结果表明,氮素流失量均与坡面径流量和降雨强度具有极显著的线性相关关系,在没有施肥的情况下,氮流失形态以氨氮、硝氮为主,总氮产出浓度随降雨径流的增大,逐步下降,最后趋于稳定。在施放尿素的情况下,氮素随径流的流失形态以氨氮、硝氮和溶解态的尿素为主,总氮的产出浓度呈先升高而后随降雨径流的增大逐渐减少最后趋于稳定的特性。     

城市高架桥降雨径流多环芳烃（PAHs）污染特征及其生态风险评价

以上海市高架桥降雨径流作为研究对象,分析了4场高架路面降雨径流溶解相、颗粒相16种PAHs的质量浓度和场次降雨径流平均浓度（Event Mean Concentration）。探讨了城市高架降雨径流中PAHs质量浓度特征、动态变化过程和污染状况。通过对无量纲累积径流量和无量纲累积污染物负荷曲线M（V）进行幂函数拟合,对4场降雨径流不同环数和总PAHs冲刷强度进行了定量表征。以水样中8种PAHs的监测质量浓度及其对3至40种水生生物的LC50为基础数据,采用推广风险系数法对径流水体PAHs进行了生态风险评价。结果表明：地表径流中溶解态PAHs的质量浓度为27.9~979.4 ng·L-1,主要以3环和4环组分为主;颗粒态PAHs中的质量浓度为1120.1~4892.6 ng·L-1,主要以4-6环的组分为主。径流样品中PAHs更容易吸附在颗粒物上,PAHs主要以颗粒相为主,且4-6环颗粒相PAHs所占比例更高,也显示了化石燃料不完全燃烧的特征。4场降雨径流以2013-05-26次降雨EMC值最大,PAHs污染水平最高。其中通过对BaP的EMC值计算,发现4场降雨径流中BaP的EMC值皆超过了国家的排放标准,应引起相关监测管理部门重视。4场降雨径流均表现不同程度的初始冲刷效应,雨强和径流量是影响初始冲刷的2个重要因素。初始冲刷散点拟合状况良好,定量表征发现2013-06-27次降雨初始冲刷强度最大。风险商表征说明,径流水体PAHs造成的生态风险较小,但部分单体PAH对水生生物的生态影响不容忽视。     

黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型对坡地产流、产沙的影响

于甘肃省安家沟流域选择设计15个径流小区,通过对径流小区1986-1999年的水文监测资料进行年尺度上的方差分析、多重比较和相关分析,研究不同土地利用类型对坡地产流、产沙的影响,同时分析年降雨量与坡地单位面积年产流、产沙量的相关关系.结果表明,相同坡度等级下5种土地利用类型坡地的单位面积年产流量之间及单位面积年产沙量之间都存在显著差异,大小顺序均表现为:坡耕地>人工草地>乔木林地>自然草地>灌木林地;在研究的坡度(10°～20°)范围内,同一土地利用类型、不同坡度径流小区的单位面积年产流量差异不显著,坡耕地和人工草地的单位面积年产沙量差异显著;年降雨量分别与坡地单位面积年产流量、产沙量无显著相关性.     

典型喀斯特区侵蚀性降雨特征及坡面生物措施水土流失防控效应

降雨类型和生物措施是坡面水土流失的重要影响因素。为研究喀斯特区降雨类型和不同坡面生物措施共同作用下的水土保持效益,以贵州蚂蟥田小流域水土保持监测站2014—2018年5年的径流小区实测数据为基础,分析了112场次的侵蚀性降雨特征,并以降雨量、降雨历时、平均降雨强度为指标对其进行分类。同时,分析了不同侵蚀性降雨类型下6个生物措施径流小区的产流产沙量,生物措施包括自然恢复草地、水土保持林(水保林)和经济果木林(经果林)。结果表明,侵蚀性降雨可以分为3类,通过分析降雨侵蚀力和各生物措施坡面的产流产沙能力,得出降雨的侵蚀能力表现为B雨型(中历时、大雨量、中雨强)>C雨型(短历时、小雨量、大雨强)>A雨型(长历时、中雨量、小雨强),B和C雨型的产沙量占全年总产沙量的85%以上。侵蚀性降雨集中发生在5—10月,占全年总产沙量的92.6%和总产流量的93.2%;3种生物措施的产流产沙量大小为:自然恢复草地>水保林>经果林,水保林和经果林的侵蚀产流量差异不显著(P<0.05)。对比自然恢复草地,水保林和经果林均能够减少侵蚀达50%以上。此外,其削减能力与降雨类型有关,在不同雨型下两种林地的减沙能力为:A雨型>C雨型>B雨型。研究结果可为喀斯特地区以生物措施治理坡面水土流失提供参考。     

密云县密云水库流域坡耕地养分流失特征

于2005年和2006年连续2 a对密云水库流域坡耕地进行水土流失小区试验,并完全按照当地农民习惯进行农事管理.试验结果表明:(1)降雨后坡耕地产生的地表径流量、泥沙量随坡度增大而增加,并与坡度正弦值呈一定的线性关系;(2)坡度对雨后地表径流和泥沙中养分含量影响不明显,但对泥沙养分流失量有明显影响;(3)养分流失以泥沙携带为主要途径,且通过泥沙携带途径流失的养分量占流失养分总量的比例随坡度增加而增加;(4)水库周边区域内坡耕地流失养分的主要来源为施用于坡耕地的化学肥料.(5)调整水库流域内坡耕地的种植结构、对坡耕地实施改造以截留或减少泥沙流失和控制化学肥料投入等措施对于治理流域内农业非点源污染、保护水源地水质显得尤为迫切.     

滇西北高原生态恢复过程中土壤侵蚀特征及其影响因子

滇西北高原由于地处生态脆弱的石灰岩区,水土流失严重,探讨该区生态恢复过程中土壤侵蚀的变化规律,为开展人工植被建设提供依据。以时空互代的方法,通过径流小区,对坡面的产沙产流特性及其影响因素进行研究。结果表明:天然次生林和人工混交林均有较好的调节径流和减少泥沙的作用,产沙量分别比坡耕地减少了51.46%、43.18%,产流量也相应降低了39.39%、24.24%。在最大次降雨条件下,荒草丛、坡耕地、次生林和混交林单次降雨的产沙量分别占试验期产沙总量的55.38%、55.58%、58.35%和58.05%,产流量相应占产流总量的64.72%、64.63%、73.85%和55.39%。而且,产流产沙量与土壤有机质质量分数均存在明显正相关,与乔、灌层植物多样性及均匀度指数等呈显著负相关性(P<0.05)。因此,乔灌草结合的群落结构配置模式是滇西北地区水土保持林营造的目标和方向。     

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。     

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。     

Predicting the effects of urbanization on runoff after frequent rainfall events

Urbanization dynamics are commonly subjected to powerful market forces, only partly managed by land-use plans. The density, location and pattern of urbanized areas affect rainfall-runoff relations. Consequently, it is essential to understand future impacts of urbanization on runoff and produce focused regulation. The goal was to analyze land-cover scenarios and their impact on runoff in an urbanized watershed in Israel. Present and predicted land-cover scenarios in a densely populated watershed were produced. The runoff response to rainfall was then simulated using a hydrological model. The impact of implementing afforestation and quarrying national outline plans was considered. By the year 2050, 50% of the watershed will be urbanized with a linear increase in runoff response. Afforestation and quarrying plans show little effect on runoff, although quarries may decrease runoff through percolation. As urbanization is expected to continue spreading in adjacent watersheds, statutory measures should be applied to mitigating runoff.     

Effects of alfalfa coverage on runoff, erosion and hydraulic characteristics of overland flow on loess slope plots

An evaluation of the interactions between vegetation, overland and soil erosion can provide valuable insight for the conservation of soil and water. An experiment was conducted to study water infiltration, runoff generation process, rate of sediment erosion, and hydrodynamic characteristics of overland flow from a sloping hillside with different draw-off discharges from alfalfa and control plots with 20° slope. The effect of alfalfa on runoff and sediment transport reduction was quantitatively analyzed. Alfalfa was discussed for its ability to reduce the overland flow scouring force or change the runoff movement. Compared to the bare-soil plots, alfalfa plots generated a 1.77 times increase in infiltration rate. Furthermore, the down-slope water infiltration rate for the bare soil plots was higher than in the up-slope, while the opposite was found in the alfalfa plots. In addition, alfalfa had a significant effect on runoff and sediment yield. In comparison to the control, the runoff coefficient and sediment transportation rate decreased by 28.3% and 78.4% in the grass slope, respectively. The runoff generated from the alfalfa and bare-soil plots had similar trends with an initial increase and subsequent leveling to a steady-state rate. The transport of sediment reduced with time as a consequence of the depletion of loose surface materials. The maximum sediment concentration was recorded within the first few minutes of each event. The alfalfa plots had subcritical flow while the bare-soil plots had supercritical flow, which indicate that the capability of the alfalfa slope for resisting soil erosion and sediment movement was greater than for bare soil plots. Moreover, the flow resistance coefficient and roughness coefficient for the alfalfa plots were both higher than for the bare-soil plots, which indicate that overland flow in alfalfa plots had retarded and was blocked, and the flow energy along the runoff path had gradually dissipated. Finally, the ability to erode and transport sediment had decreased.     

黄土小流域水沙输移过程对土地利用/覆被变化的响应

以甘肃定西安家沟小流域为典型研究区,基于TM、ALOS遥感影像解译和地面长期水文数据,深入分析了1997至2010年间流域土地利用变化特征及其产流产沙效应。结果显示,（1）14年间,流域林灌草面积分别增加160.23%、176.33%和80.75%;坡耕地、居民地、裸地和梯田面积分别减少25.57%、0.16%、48.45%和21.52%。以2005年为时间节点,发现前期灌草增加较多、裸地减少明显,后期则是乔木增加比例和坡耕地减少比例更为显著,彰显出不同历史阶段植被恢复的策略变化。（2）流域出口多年平均径流量和输沙量分别由前期的18 249 m3和6 383 kg锐减至后期的2 292 m3和2 267 kg,流域土地利用/覆被有效增加是其主要驱动。（3）春冬季节,由于降雨稀少、径流泥沙的本底值很低,前后两个阶段的水沙输移量差异较小,土地利用/覆被变化的影响相对尚不显著。但在夏秋季节,随着降雨事件增多,土地利用/覆被变化减水减沙的效应趋于显性化。     

A model of rainfall redistribution in terraced sandy grassland landscapes

A simple model of rainfall redistribution within a terraced sandy grassland landscape has been developed. The model assumes that rainfall redistribution is driven by rainfall impulses and is controlled by characteristic field capacity of soils. When the rainfall intensity is large enough to render soil water content greater than its characteristic field capacity, the excessive soil water can drain very quickly by means of large amounts of non-capillary pores of sandy soils or by means of surface runoff. Exponential distribution of rainfall impulses was assumed and tested with measured daily rainfall at two meteorological stations in the sandy grassland area of north China. The model was solved to give the equivalent rainfall at each terrace in the landscape.     

鼎湖山针阔叶混交林生态系统水文过程研究

以鼎湖山针阔叶混交林（以下简称混交林）生态系统为研究对象，探讨了不同降水特征下森林生态系统水文过程，主要研究结果如下：（1）不同的降雨特征决定了不同的降雨过程和穿透雨过程，混交林生态系统穿透雨累积增加曲线与降水量的累积增加曲线变化是同步的；（2）2002年7月27日-28日特大暴雨最大降水量、最大穿透雨量分别为122．8nn和104．9mm,且穿透雨最大值出现的时间滞后于降水强度最大值出现的时间1h；（3）8月18日-20日特大暴雨，穿透雨量累积增加曲线与大气降水的累积增加曲线非常相似，且穿透雨最大值出现的时间略滞后与大气降水最大值出现的时间；（4）中雨时降水累积量达到最大值（59．6mm）与穿透雨累积量达到最大值（43．6mm）的时间一致；（5）树干流和地表径流量与大气降水量的累积变化曲线并不是完全同步的，在一定的降水量范围内，树干流量和地表径流量随着大气降水量的增加而增加；（6）无论是特大暴雨还是中雨发生时，即使在特大暴雨影响下，树干流（2．3～16．4mm）和地表径流（1．6～8．8mm）量都很小，系统具有很强的保水保墒能力；（7）混交林穿透雨强度变化过程基本取决于大气降水强度变化，树干流强度和地表径流强度数值很小且变化过程不明显。     

Analysis of rainfall runoff characteristics from a subtropical urban lawn catchment in South-east China

Characteristics of rainfall runoff from a 3.26 hm² urban catchment with predominant land-use as lawn in Xiamen City, South-east China were investigated and analyzed. Water quality and quantity measurements of rainfall runoff were conducted for ten rainfall events over the period March, 2008 to April, 2009. The results indicated that chemical oxygen demand (COD) and total phosphorus (TP) were the major pollutants with event mean concentrations of 56.09 and 0.44 mg·L^?1. From hydrograph and pollutograph analysis of two typical rainfall events, it was clear that the peak rainfall preceded the peak flowrate by about 15?C20 min. Meanwhile, concentrations of major pollutants showed multiple peaks and these peaks usually preceded peak flowrate. There were no distinctive first-flush effects except for the rainfall events with the longest rainfall duration and largest runoff volume, which was verified by the fact that the first 30% runoff volume (FF30) carried 39.36% of the total suspended solids (TSS) load, 35.17% of the COD load, 28.13% of the TP load and 39.03% of the nitrate nitrogen load. Multivariate regression analysis further demonstrated that the total runoff volume had a positive correlation with the FF30 of TSS and COD.