土壤磷素地表径流提取系数研究进展

土壤磷素地表径流提取系数(phosphorus extraction coefficient,ECp)是模拟表层土壤可溶性磷随地表径流迁移,估算农业磷非点源污染负荷模型中的一个重要参数。当前ECp的相关研究存在内涵模糊,确定方法各异,变异范围和影响机制也不够清晰等问题。本文梳理了国内外相关研究中ECp的提取方法、影响因素,为提高农业磷非点源污染评估的精度提供理论依据。ECp定义为地表径流溶解态磷(dissolved phosphorus,DP)浓度与表层土壤可溶性磷含量的比率。该系数通常基于降雨试验,通过建立地表径流DP和表层土壤磷含量的线性回归方程,用回归线的斜率表示ECp,因此其概念本质主要体现在统计学意义上。ECp受降雨、土壤、植被覆盖和农田管理措施等多种因素影响,变异范围较大。ECp通常与土壤黏粒含量、吸附性、植被覆盖度等因素呈反比,而与土壤初始含水量呈正比。非石灰性土壤ECp值一般大于石灰性土壤。为简化计算,ECp在NPS污染模型中通常被设为一个定值。例如,在化学物质、径流和土壤侵蚀(chemicals,runoff,and erosion from agriculture management,CREAMS)及农业非点源(agricultural nonpoint source,AGNPS)模型中,ECp值设为7.5,而在土壤侵蚀和作物生产力评价(erosion/productivity impact calculator,EPIC)和水土评估工具(soil and water assessment tools,SWAT)模型中,ECp值则设为5.7。因此,未来研究仍需重视ECp的物理内涵,精准测算多次降雨平均和动态ECp,阐明土壤磷素地表径流提取的动力机制;加强地表径流和表层土壤中可溶性磷素含量间的非线性关系的研究,提高ECp值确定方法的适用性;深入分析不同区域ECp的变异特征和影响因素,针对施肥频繁且易发生复杂强烈水力侵蚀的坡耕地,尤其需要提出ECp的校正值;用核定后或者监测获得的ECp统计值代替现有NPS污染模型中的常数,以提高土壤磷素流失负荷模拟精度。

城市地表径流内涝关系与排洪道优化设计研究——以兰州市为例

为探究暴雨后地表径流与城市内涝关系,以兰州市为例,利用ArcGIS软件对其数字高程模型进行水文分析,获得了兰州市地表径流空间分布。根据地表径流空间分布规律,从城市全局视角分析了兰州市城市内涝问题,并对兰州市现有排洪道进行了优化。结果表明:易涝路段与径流路径具有高度相关性,地表径流流经大部分内涝路段,导致内涝发生,且径流路径的密集程度与内涝的严重程度相关,其中城关区最为严重,七里河区与西固区次之,安宁区相对轻微,符合兰州市现实情况,说明了该模型方法的正确性;内涝点集中分布在建筑用地、裸地(水泥地面等)区域,表明城市下垫面的高不透水率是造成道路积水的原因之一;优化后的排洪道使易涝区域的雨水就近排入洪道,减少了薄弱地区洪水冲入城市街道的可能性,减轻了地下排水设施的排水压力,在一定程度上能够解决城市内涝问题;将山地原始沟渠巩固、加宽、延长为新建排洪道,减少了发生山洪的风险。因该研究区域黄河穿城而过,地表径流最终通过排洪道汇入黄河,故该方法可为我国后续整个黄河流域、长江流域“一河一盘棋”的整体防洪研究提供参考。

城市地表径流胶体与溶解性有机物下渗共迁移行为

针对城市地表径流胶体与溶解性有机物(DOM)共存特性,考察下渗柱中径流胶体和DOM的出流浓度,分析进水流速、pH值、离子强度和胶体粒径变化时城市地表径流胶体与DOM的共下渗迁移行为.结果表明,径流胶体与DOM结合后,会显著促进对方向下迁移;进水流速越高,径流胶体对DOM的携带迁移越明显,两者的出流浓度越高;进水流速为10 mL·min^(-1)时,径流胶体和DOM的穿透曲线相对峰值浓度分别比5 mL·min^(-1)时提高了3.5%、8.1%;径流胶体-DOM混合溶液在pH值为6时的下渗共迁移速度最快;Na^(+)存在抑制了径流胶体与DOM的下渗共迁移;共存地表径流胶体粒径越小,DOM的下渗出流时间越早、出流峰值浓度越低.

三维地形条件下雨水入渗与地表径流耦合分析

为定量表述降雨发生后不同时刻下三维边坡土壤水分的分布和变化规律,基于有限体积法建立了雨水入渗与地表径流耦合模型.耦合模型分别采用二维不可压缩Navier-Stokes方程和三维非线性Richards方程作为地表径流和地下水渗流的控制方程,在复杂三维地形条件下具有较强的适用性.对一处实际工程的分析结果表明:在三维地形因素的控制下,降雨引发的地表径流主要汇集于总体上自高向低流动的优势径流途径,并对降雨强度的变化产生延迟响应;在地表径流作用下,地表积水深度在局部空间上呈现出地势低洼处远大于地势较高处的显著不均匀分布,并且这种不均匀性随时间不断加剧;地表积水汇集产生的高水力梯度导致低洼处的雨水入渗更为强烈且持久.研究表明,考虑三维地形因素的雨水入渗与地表径流耦合模型能够为实际工程中边坡稳定性分析提供准确合理的数据支撑.

极端降雨条件下郑州市地表径流特征分析

为分析郑州市不同极端降雨事件、不同土地利用类型及不同坡度下的地表径流量,以2020年8月7日、2021年7月20日、2022年7月22日极端降雨事件,2000~2020年土地利用类型以及相同降雨情景为基础,依据SCS-CN模型分析研究区地表径流量特征。结果表明,在三次极端降雨事件中,主城区的地表径流量均相对较大。受不透水面的影响,在主城区降雨量小于周边城区降雨量的情况下,主城区的地表径流量依然大于周边区域地表径流量。从地形坡度上讲,在三次极端降雨事件中,均以微坡(<5°)区域的平均地表径流量最大,且整体呈坡度越大平均地表径流量越小的趋势。在相同降雨条件下,2000~2020年郑州市平均地表径流量呈现逐渐增大的趋势,且主城区平均地表径流量增大趋势较明显;而随着降雨量的增加,郑州市地表径流量增加显著,且主城区地表径流量比周边城区增加更快。可见,在极端降雨条件下,郑州市主城区及微坡区域地表径流量一般相对较大,需要合理调节土地利用,增大林草覆盖比率。

基于多GPU数值框架的流域地表径流过程数值模拟

与传统概念性水文模型相比,二维水动力模型可提供更丰富的流域地表水力要素信息,但是计算耗时太长的问题限制其推广应用,提升二维水动力模型的计算效率成为当前数字孪生流域建设工作中的关键技术难题之一。采用基于Godunov格式的有限体积法离散完整二维浅水方程组建立模型,通过消息传递接口(message passing interface,MPI)与统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)相结合的技术实现了基于多图形处理器(graphics processing unit,GPU)的高性能加速计算,采用理想算例和真实流域算例验证模型具有较好的数值计算精度,其中,理想算例中洪峰的相对误差为0.011%,真实流域算例中洪峰的相对误差为2.98%。选取宝盖寺流域为研究对象,分析不同单元分辨率下模型的加速效果,结果表明:在5、2、1 m分辨率下,使用8张GPU卡计算获得的加速比分别为1.58、3.92、5.77,单元分辨率越高,即单元数越多,多GPU卡的加速效果越明显。基于多GPU的水动力模型加速潜力巨大,可为数字孪生流域建设提供有力技术支撑。

自然红壤坡地氮素在地表径流-土壤水系统迁移转化规律试验研究

目前对红壤坡地氮素流失的试验研究主要集中在人工土槽装置中监测径流和壤中流氮素,缺乏在野外自然坡情况下氮素在径流-壤中流及土壤中迁移转化过程的整体研究。为了探究天然红壤坡地氮素在地表径流-土壤水系统中的迁移转化规律,在江西水土保持生态科技园开展了3次坡地人工降雨氮素流失试验,对不同坡面及土壤初始条件下人工降雨过程中地表径流、壤中流及土壤水分状况与氮素(硝态氮和铵态氮)浓度进行了监测和分析。结果表明,初始坡面粗糙截流能力强,能减少地表径流产流量,但会导致硝态氮大量渗入土壤,造成硝态氮随土壤水的下移。自然坡地土壤中的大孔隙和土壤空间变异性是导致壤中流的主要原因,壤中流硝态氮浓度显著高于地表径流硝态氮浓度,导致壤中流硝态氮流失占比较高,第一次试验中硝态氮壤中流流失占比超过50%。相比较而言,壤中流与地表径流铵态氮浓度均较小,与铵态氮在土壤中较强的吸附能力有关。历次试验中,土壤硝态氮和铵态氮沿顺坡方向空间变异性较大,随时间变化无一致性规律,除受到坡面水力特征影响外,还受到土壤温度的影响。

基于SCS模型的登封市景观格局对地表径流的影响研究

探究登封市2003-2021年景观格局演变及其与枯、平、丰水月地表径流的关联性差异,分析景观格局指数的空间异质性,为减缓地表径流、优化景观格局提供理论支持。基于Landsat系列遥感影像,提取登封市用地类型及景观格局指数,利用SCS水文模型、Pearson相关性分析及GWR等方法研究景观格局演变对径流量的影响。结果如下:(1)登封市林地对地表径流的消减率随着雨量增加而降低,丰水月比平水月降低了33.37%;(2)登封市在不同雨量下产生的地表径流具有显著的时空差异性,其中2015-2021年快速的城市建设活动导致丰水月有26.29 km^(2)的区域出现径流深增加量超出50 mm的现象;(3)景观指数与径流量的相关性随雨量递增而逐渐显著,SPLIT、IJI和LSI在丰水月与径流的正相关系数比在平水月平均降低10.8%、12.3%和8.3%,其中林地结合度对径流的阻滞效应在平水月最强;(4)CONTAG、IJI、LSI对径流的正、负向影响力在时间和空间双重维度上存在显著差异且整体呈正向驱动,其主导驱动力随时间变化由IJI向CONTAG转变。景观格局与径流量的耦合关联性在平水月最为显著,而影响径流变化的主导驱动力在时空尺度上具有差异性,因此不同区域的防洪规划在优化整体景观格局的基础上应充分考虑优势斑块连通性对减缓径流的差异影响。

马尾松改造成香榧林对地表径流及氮磷流失的影响

掌握马尾松Pinus massoniana林转换为香榧Torreya grandis林对地表径流及氮磷流失的影响,可为人工林经营管理提供一定的基础。在浙江省东阳市林业总场设置马尾松林、香榧幼龄林和香榧中龄林3种处理径流小区,全面监测2023年地表径流量,分析径流水中不同形态氮、磷浓度,并计算养分流失量。结果表明:地表径流量大小为马尾松林(218.0 m^(3)·hm^(−2))>香榧幼龄林(206.0 m^(3)·hm^(−2))>香榧中龄林(157.0 m^(3)·hm^(−2));地表氮流失量大小为香榧幼龄林(806.56 g·hm^(−2))>香榧中龄林(582.80 g·hm^(−2))>马尾松林(159.89 g·hm^(−2)),磷流失量大小为香榧幼龄林(265.55 g·hm^(−2))>香榧中龄林(183.57 g·hm^(−2))>马尾松林(48.72 g·hm^(−2))。与马尾松林相比,香榧幼、中龄林地表径流量分别减少了5.5%和22.5%,而氮流失量增加了4.04倍和2.65倍,磷流失量增加了4.45倍和2.77倍。综上,马尾松林改造成香榧林后降低了地表径流,但增加氮、磷流失量,随着香榧林龄的增大,地表径流及氮、磷流失量随之降低。

基于SCS-CN模型地表径流时空演变格局及影响因素研究

极端降雨导致的超标雨水径流对人们的生命和财产造成严重威胁,探究超标径流的特征与其驱动效应尤为重要。文章以长沙市为案例地,运用SCS-CN模型、地理探测器等方法,模拟2000—2020年超标径流的时空分布特征,揭示径流量与土地利用的内在关联,并探究其影响因素。结果表明:2000—2020年长沙市建设用地由中心向四周扩张,地表径流也随着建设用地扩张而不断向外辐射式增大;从影响因素看,降雨量对地表径流的影响最大,解释力为0.705,GDP对其解释力最小,解释力仅为0.022;降雨与固定资产交互作用下对径流空间分布的影响最大,而坡度和GDP的交互作用的影响最小。

降雨入渗-地表径流下延安卸荷黄土边坡侵蚀演化特征

明确卸荷黄土边坡降雨侵蚀规律对地质灾害防治和流域生态治理具有重要意义。以延安卸荷黄土边坡降雨侵蚀灾害为研究背景,利用自行开发的降雨入渗-地表径流黄土边坡试验平台,研究降雨强度、降雨历时对卸荷黄土边坡入渗量、径流量、土壤流失量以及坡体含水率的影响,揭示降雨作用下卸荷黄土边坡侵蚀演化规律。研究结果表明:1)降雨初期坡面雨水以入渗为主,入渗量约为地表径流量的2~8倍;随着降雨历时增加,地表径流量呈增加趋势,雨水入渗量呈减少趋势;短历时强降雨条件下地表径流量小于入渗量,而持续强降雨条件下地表径流量大于入渗量。2)坡面侵蚀产沙量与降雨强度呈正相关关系,持续强降雨条件下的土壤流失量约为短历时强降雨的10.81倍。3)地表土体含水率随降雨次数增加呈现快速增长到缓慢增长再到平稳状态的发展过程,随降雨强度降低呈减小趋势;相同雨强下,持续强降雨下的地表土体含水率较短历时强降雨增长了9.62%;坡面中、底部浅层土体含水率增长速率高于坡面顶部。4)持续强降雨下边坡侵蚀灾变演化过程为雨水入渗→浅表层土体增湿→坡面密集溅蚀坑→地表径流→浅、细、短的侵蚀沟槽→深、宽、长的侵蚀沟槽→坡体浅层滑塌,坡面侵蚀破坏范围表现为由坡脚向坡顶逐渐后退。

人类活动及气候变化对滦河流域地表径流的影响

为了量化气候变化和人类活动对径流变化的影响,提出了一种基于Budyko-Fu模型、水文模拟和气候弹性分析相结合的方法,研究气候变化和人类活动对流域地表径流的影响。结果表明:试验期预比处理期滦河流域降水量、潜在蒸散量和径流量均减小,根据SWAT和SIMHYD模型,人类活动和气候变化对滦河流域径流下降都有重要影响,人类活动比气候变化的影响更显著。研究结果为流域水资源开发利用提供参考。

基于物联网技术的高速公路地表径流污染监测方法研究

在高速公路地表径流污染观察过程中,针对的监测要素较为单一,使得最终监测结果平均相对误差(MRE)加大。因此,针对提出高速公路地表径流污染,提出运用物联网技术的新型监测方法。依托于系统节点部署方法在目标区域合理设置多个传感器,与汇聚节点、上位机相连接组成环境监测物联网,全方面感知地表径流污染情况。计算每个网络数据源IP地址的熵值,择优采集高质量污染数据,得到高速公路地表径流污染监测值。实验结果表明:该方法污染监测结果的MRE值保持在0.1以下,可以较为真实地反映地表径流污染情况。

基于空间插值与SVM的地表径流水质多传感器融合检测

在地表径流水质检测中,不同类型传感器数据冗余,导致水质检测结果准确性受限且灵敏度较低,由此设计了基于空间插值与SVM的地表径流水质多传感器融合检测。首先,构建世界坐标系与空间变异函数,分析地表径流空间变异特征,全面获取地表径流的水体样本数据;其次,依据水质分布情况,构造出空间插值的连续数据曲面,缩短数据间隔距离,通过融合连续数据曲面,得到具有空间性、实时性和多源性的准确水质参数数据;然后,构建SVM算法寻找最优超平面,划分高灵敏性分隔水质参数数据,解析相应的水质参数并进行表征,得到地表径流水质多传感器融合检测结果。由实验结果可知,地表径流水质检测结果的综合评价值在0.5以下,检出限结果最高仅为28.6 mg/L,最低能够达到22.2 mg/L。水质检测灵敏度较高,满足了地表径流水质管理工作的现实需求。

不同土地利用方式下的地表径流磷输出及其季节性分布特征

在太湖流域利用为期3年的田间试验研究了不同土地利用方式下的土壤侵蚀和径流磷流失特征.结果表明,径流量和土壤侵蚀量都是竹园＜板栗园＜蔬菜地＜玉米-油菜轮作.旱耕地上玉米-油菜轮作和蔬菜种植条件下磷的主要流失途径为泥沙搬运,磷的年均流失量分别为2.67kg·hm-2和2.79 kg·hm-2,而竹园和板栗园则分别只有0.28 kg·hm-2和0.66 kg·hm-2.土壤侵蚀和磷流失主要发生在6～8月降雨集中分布的梅雨和台风季节.旱地上板栗园与玉米-油菜轮作2种利用方式的经济收益接近,但前者土壤侵蚀和磷流失量分别只有后者的6.7%和24.7%,在太湖地区种植板栗是值得鼓励的土地利用方式.稻田水旱(水稻-油菜)轮作条件下,磷主要随农田排水流失,降雨时间和施肥等农事活动的间隔长短在很大程度上决定了磷的年流失量,3次最大的流失事件中磷的流失量可达到全年磷流失的70%以上.稻田水旱轮作方式磷的年均流失量为0.93 kg·hm-2,分别只有旱地玉米-油菜轮作和蔬菜地的34.8%和33.3%.因此,根据不同土地利用方式下磷输出量的差异及其季节分布特征合理调整土地利用格局,并在暴雨集中期尽量减少施肥和翻耕等农事活动,可以降低农田生态系统磷的输出.

北京地区农田氮素养分随地表径流流失机理

田间模拟降雨径流试验研究了北京地区农田暴雨径流氮素流失与雨强、作物覆盖、施肥因子的关系,以及侵蚀泥沙的粒径分布特征和对氮的富集作用。结果表明:(1)降雨强度越大,地表径流模数和侵蚀模数增大,氮素流失越多;作物覆盖有效地减少地表水土和颗粒态氮流失;(2)颗粒态氮浓度占径流全氮浓度的88.9%(施尿素)和98%以上(未施氮肥),是农田径流氮损失的主要形态;(3)施用化学氮肥增大了农田径流溶解态氮浓度,化学氮肥容易通过地表径流流失;(4)侵蚀泥沙的团聚体组成和原来土壤有很大差异,粒径<0.25mm的团聚体,尤其是含氮量较高的<0.045mm团聚体的富集是侵蚀泥沙富集氮的主要原因。减少地表径流和土壤侵蚀,降低表土速效氮含量是减少农田地表径流氮养分流失的关键。

北京城市道路地表径流及相关介质中多环芳烃的源解析

将道路地表径流及降雨、路面积尘和行道树树冠穿透水作为整体系统,对其中多环芳烃（PAHs）的来源进行分析.选择北京市3种主要类型城市道路（主干路机动车道、主干路自行车道、支路）,于2006年雨季对上述4类介质进行采样分析.结果显示,5-6月各介质中PAHs的平均浓度明显高于7-8月.应用因子分析和多元回归方法解析各介质中PAHs的来源.因子分析结果表明,径流中的PAHs更多体现路面积尘的来源特征,但在自行车道和支路,雨水和树冠水的影响也分别得到体现.多元回归结果表明,路面积尘和地表径流中PAHs的来源,在支路和主干路机动车道以机动车排放源为主,在自行车道,机动车源和燃煤源的贡献相近.雨水中的PAHs以燃煤/燃油源为主,行道树树冠水中机动车源的贡献较大.

云南坡耕地红壤地表径流氮磷流失特征定位监测

选取南方典型坡耕地红壤为试验区,采用田间小区试验方法,在自然降雨条件下,于2008—2010年连续3 a对不同农业管理方式下地表径流及氮磷流失特征进行田间实地监测。结果表明,试验区域干湿季极其分明,3 a平均降雨量为838.6 mm,主要集中在5月到10月,坡耕地红壤地表径流、养分流失时间、流失量与降雨量之间具有显著的相关性,在常规施肥处理下径流量和氮磷流失量之间呈极其显著的指数相关性,相关系数分别为R=0.897 4**和R=0.529 7**。坡耕地红壤地表径流量、径流系数及氮磷流失量变化规律一致,不施肥条件下,总氮、总磷流失量最大,优化施肥、揭膜、横坡垄作及秸秆覆盖等农艺措施能降低氮、磷流失量,尤其是横坡垄作种植,相对于顺坡垄作氮、磷流失总量降低了2/3左右。不同处理之间径流中各种形态氮磷含量无显著差异,说明不同农业措施主要通过地表径流流失量而影响坡耕地地表径流氮磷流失量的多少。坡耕地红壤地表径流氮磷流失以颗粒态为主,TDN占TN比例年均为24.58%,TDP占TP的比例年均为7%,TN流失量是TP的3倍左右;优化施肥和揭膜条件下可溶性氮磷所占比例增加,横坡垄作和秸秆覆盖条件下降低。在可溶性氮素中,NO3-N、NH3-N占TN的比例年均分别为8.41%、12.65%,但是2009、2010年NH3-N均小于NO3-N。因此,关于坡耕地地表径流不同流失氮素形态的影响因素较多,目前研究结果不确定,且年际之间差异较大,尚需要进一步研究。

澳门城市小流域地表径流污染特征分析

摘要：在澳门半岛选取土地利用为公园绿地和商住混合的2个分流制城市小流域．于2005—08～2005-11借助自动采样器进行流域出口5场降雨地表径流水质水量监测。结果表明，商住混合分流制小流域TN、TP、COD多场降雨平均浓度值分别超出国家地表水环境V类标准4倍以上，公园绿地小流域TN、TP均超出V类水标准2倍多，从降雨-径流过程污染物浓度历时变化看，2个小流域TN和TP呈现一定的初始冲刷现象TSS与TN、TP的判定系数尺。都在0．95以上，地表径流中水土流失与总氮总磷输出显著相关，TSS、浊度。COD与径流量的变化过程呈明显的正相关性．TN和TP营养盐浓度变化与流量的相关性不明显，重金属受降雨过程中交通流量的影响通常呈锯齿状波动，干期长度与降雨强度对地表径流水质参数TSS、TN、COD的影响较显著。

长期施磷对黄壤旱地磷库变化及地表径流中磷浓度的影响

对贵州黄壤旱地进行采样以及盆栽试验 ,探索黄壤旱地磷库的变化及其对地表径流磷量的影响 .结果表明 ,长期施磷后黄壤旱地无机磷占全磷的比例逐渐增高 ,A1 P、Fe P和Ca P积累的顺序为Fe P >A1 P >Ca P .长期施磷后黄壤旱地的有效磷或藻类可利用的总磷也不断积累 ,高磷 (Olsen P >2 5mg·kg-1)旱地藻类可利用的总磷与A1 P、Fe P和Ca P的相关系数分别为 0 .85 9 、0 .90 3 和 0 .65 0 ,Fe P对藻类可利用磷量的影响起着最重要的作用 .在模拟雨强为 63 .2mm·h-1下 ,降雨 3 0min后 ,低磷黄壤旱地 (Olsen P为 4.62～ 15 .9mg·kg-1)径流中磷酸根磷含量仅为 2 .81～ 4.17μg·L-1,生物有效性磷含量为 0 .72 3～ 0 .876mg·L-1;高磷黄壤旱地 (Olsen P为 2 9.4～ 5 9.2mg·kg-1)径流中磷酸根磷含量达到0 .0 2 6～ 0 .714mg·L-1,生物有效性磷含量增到 0 .996～ 1.2 81mg·L-1;高磷黄壤旱地地表径流磷量能加速水体富营养化的产生 .