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。     

降雨作用下坡面侵蚀的水动力机理

降雨作用下的坡面侵蚀不仅导致严重的水土流失,同时也可能诱发严重的重力地质灾害如滑坡、泥石流等.研究其发生发展的机理以及内部理论规律对减灾防灾具有至关重要的作用.文章以水动力学公式为基础,从坡面颗粒侵蚀的水分环境角度入手,分析了浸泡状态下松散颗粒和固定颗粒的侵蚀机理,揭示降雨作用下坡面水流与坡面颗粒间的相互作用关系,并给出各类型侵蚀发生所对应的临界降雨强度.最后,通过实例计算验证了理论的合理性.     

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。     

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。     

黄土高原吕二沟流域不同植被下的坡面径流特征

为研究不同植被下的坡面径流及其组分特征,选择黄土高原丘陵沟壑区第三副区典型小流域不同植被为研究对象,采用野外定位观测与室内试验相结合的方法,分析坡面上不同植被下的径流特征,以期为该区域的森林植被恢复与经营提供理论依据和技术支撑。结果表明:不同的林分由于其植被情况、土壤状况、根系等其他条件的不同,其对地表径流、壤中流等径流组分的影响有所差异,在相同的降雨条件下,4个不同植被类型的径流小区其产流量表现为灌木混交刺槐油松,地表径流量也表现出相同的规律,表现为灌木刺槐油松混交,而壤中流量则不同于上述两者,表现为混交油松灌木刺槐。刺槐和灌木径流小区的坡面径流主要形式为地表径流,分别占总径流的95.61%和91.62%;混交径流小区的坡面径流主要形式为壤中流,占总径流的90.86%;而油松径流小区的坡面径流各组分所占比例较平均,地表径流和壤中流所占比例分别为61.99%和38.01%。降水是径流产流的最主要的来源,尤其是对于季节性降水明显的黄土高原地区,降雨量达到一定的阈值才会产生径流过程;降雨强度对地表径流和壤中流的影响有所差异;前期土壤含水量是影响坡面产流的一个非常重要的因素。     

近60年汉江流域侵蚀性降雨的时空变化特征

汉江流域是水土流失与洪涝灾害严重的地区。侵蚀性降雨是剧烈土壤水蚀的原动力,是洪涝灾害的直接致灾因子,因此对汉江流域侵蚀性降雨特征的研究具有重要的实践意义。利用汉江流域及其附近地区47个站点逐日降雨观测资料,采用常规统计学方法计算研究区逐年年降雨量、侵蚀性降雨量以及暴雨量平均值,进而得到降雨特征值逐年距平百分率及变异系数(Cv),分析了这3个将于特征值之间的相互关系,揭示了汉江流域降雨的时间变化特征。借助于地理信息系统技术,将汉江流域逐年降雨特征值在ARCGIS里采用Kriging方法进行空间插值,得到年均降雨特征值的空间分布,分析了研究区3个降雨特征值的空间分布特征。研究结果表明:1951-2012年汉江流域多年平均降雨量为886 mm,日降雨量≥12 mm的侵蚀性降雨量为614.1 mm,日降雨量≥50 mm的暴雨量为167.6 mm。研究期间内,3个降雨指标均在波动中下降,但下降趋势不显著,没有表现出显著的干湿趋势;年侵蚀性降雨量和年降雨量变化具有显著的一致性,但侵蚀性降雨的变化幅度大于降雨量的变化幅度;年暴雨量的变化特征与年降雨量的变化特征亦相似,但年暴雨量的波动幅度较年侵蚀性降雨量、年降雨量更大。1951-2012年汉江流域年均降雨量、侵蚀性降雨量及年暴雨量在空间上均从东南向西北递减,降雨的异常程度很高。研究结果可增进对汉江流域降雨变化规律的认识,为汉江上游植被生态恢复及中下游的防洪减灾提供参考意见。     

白盆珠水库库区坡面径流侵蚀规律初步研究

在对白盆珠水库库区开展水土流失实地调查的基础上,选择库区典型的侵蚀地貌类型与植被类型进行降雨-径流-产沙规律的初步研究.通过6个径流小区试验对比,分析了在不同植被条件下产流、产沙的差异,结果表明缺乏地表草本植被的纯飞播造林的水土保持效益十分有限;库区降雨径流产沙是白盆珠水库淤积的重要来源.     

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。     

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。     

不同草篱种植模式对土壤侵蚀的控制效应

选取我国南方红壤丘陵区5种等高草篱种植模式,结合径流小区法和稀土元素示踪技术,开展不同草篱控制坡地水土流失、减少地表径流的效应研究,分析等高草篱对坡面侵蚀空间分布的影响.结果发现,径流小区土壤流失量显著受降雨量影响,不同草篱种植模式下,各径流小区的平均土壤流失量和地表径流量较对照组(裸坡)均显著降低(P＜0.05),其中麦冬双行草篱处理平均土壤流失量和地表径流量最小,分别为4 047 g和1 554 L,对照组(裸坡)最大,分别为19 793 g和2 403 L;麦冬双行草篱在控制坡面土壤流失和径流方面效果最佳;通过平均土壤流失量和平均径流量的二次线性拟合模型发现,随着地表径流量的变化,不同处理下土壤流失量的边际值存在差异;坡面中、下部是侵蚀泥沙的主要溯源地,产生了接近总流失量85%的泥沙;草篱改变了降雨过程中坡面内部土壤因沉积作用导致的再分布,但对整个坡面土壤侵蚀的空间分布规律无明显影响.     

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。     

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...     

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.