天然降雨对红壤坡地侵蚀的影响

通过气象观测站与标准径流小区的试验观测,全面系统地分析了江西省红壤坡地的天然降雨特征。主要内容包括与土壤流失关系密切的降雨量(P)、降雨强度(I)等降雨特征参数的等级划分和时间分配规律;确定了江西红壤坡地侵蚀性降雨标准;确立了ΣE·I60 为红壤坡地降雨侵蚀力因子R的最佳计算组合,并分析了R值的季度分配、月分配特征以及雨量分配、雨强分配特征。这为探索控制江西红壤坡地水土流失的最佳时段。

基于连续观测数据的毛乌素沙地生长季土壤水分动态及其对降雨的响应

水分是制约半干旱区沙地植物生长发育和生态建设的关键非生物因子。于2008—2010年和2018—2021年生长季(4—10月)对毛乌素沙地流动、半固定和固定沙地0~100cm深土壤水分进行了连续观测,系统分析了不同固定程度沙地土壤水分动态变化规律及其对降雨的响应。结果表明:(1)受降雨季节变化的影响,流动、半固定和固定沙地不同深度土壤水分季节变化一般呈∽型或双峰型,10 cm和30 cm深土壤水分含量波动较大,60 cm和100 cm深土壤水分含量波动较小。(2)3种固定程度沙地生长季土壤水分动态差异明显,总体来看,流动沙地土壤水分状况最好,且土壤水分含量变化相对平缓,固定沙地土壤水分状况最差,且土壤水分含量变化最为剧烈,半固定沙地居于二者之间;固定沙地10~30cm深土壤水分状况好于半固定沙地和流动沙地,30~100cm深土壤水分状况则相反。(3)降雨格局是形成土壤水分时空格局的主要原因,随降雨事件降雨量增加,降雨的入渗深度逐渐增加;但是固定沙地土壤水分的深层补充需较强的降雨和较长的时间。生长季降雨事件以小降雨事件为主,表层土壤水分波动更剧烈。生长季初期降雨较少且以小降雨事件为主,10cm以下土壤水分补充困难,土壤水分状况较差。流动沙地和半固定沙地10~30cm深土壤水分状况好于30~100cm深土壤,而固定沙地土壤水分状况则相反。研究结果可为半干旱区沙化土地近自然植被恢复与固沙植被稳定性维持提供科学依据。

基于过程降雨的红层丘陵低山区滑坡灾害气象预警阈值研究

[目的]研究不同历时降雨强度与区域滑坡灾害的关系,并对滑坡灾害的气象预警阈值进行研究,为地方管理部门地质灾害预警提供科学依据。[方法]收集了2013—2021年研究区348个雨量站的逐小时降雨数据和231处近10 a已发生灾情、险情滑坡事件的时间及位置,基于平均降雨强度(I)—降雨历时(D)模型,分地貌单元,提出了不同降雨历时的临界降雨预警阈值和分级预警阈值。[结果]研究区丘陵地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为29.774,18.579,14.416,11.186,8.679和6.734 mm;低山地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为28.849,15.542,10.520,7.121,4.820和3.263 mm。[结论]在24 h前期降雨条件下,低山区对降雨的敏感性明显比丘陵区高,具体表现为低山区1,3,6,12和24 h的临界预警阈值明显比丘陵区更低,但随着降雨历时进一步延长,低山区和丘陵区域临界预警阈值趋于相近。

模拟降雨对面源污染影响的参数率定研究

降雨是面源污染扩散的主要动力,也是面源污染治理中需要考虑的重要因素之一。但天然降雨具有不确定性,为确定降雨对面源污染研究所需的试验条件,以我国南北3个典型示范区的降雨强度及其变化范围作为参数依据,利用可模拟降雨强度为15~120 mm/h的人工模拟降雨装置,研究了10种降雨强度(15、20、25、30、40、45、50、60、90和120 mm/h)和2种降雨高度(2、4 m)下的人工模拟降雨过程,分析降雨强度准确性、降雨均匀度以及雨滴直径大小和分布三方面参数。结果表明:该装置在降雨强度为15~120 mm/h时,4 m降雨高度的降雨均匀度基本能保持在80%以上,2 m能保持在60%以上,雨量分布呈现出中心大、四周小,由中心向四周发散的特点;该降雨范围内雨滴中数直径基本保持在0.85~2.28 mm,雨滴最大直径不超过3.02mm。人工模拟降雨参数与天然降雨有较高的相似性。4 m降雨高度下的降雨参数在降雨强度为15~35 mm/h时优于2 m降雨高度下的相同参数,适用于北方农作物(如玉米、葵花)种植区面源污染试验研究,而2 m高度更适用于南方水稻种植区的降雨试验研究。该研究结果为探究降雨对我国农业面源污染释放的机理提供参考。

降雨-蒸发作用下土石坝渗流场及坝坡稳定性研究

为探究降雨-蒸发作用对非饱和土坝坡渗流场与稳定性的影响,运用Geo-studio软件分析华南某水库坝坡在不同降雨类型和边界条件下的孔隙水压力和安全系数的变化规律.结果表明:相同降雨等级下,递增型降雨的孔隙水压力上升速率随降雨的持续而增大,递减型降雨减小,集中型降雨先增大后减小,稳定性安全系数的下降速率与孔隙水压力上升速率相对应;相同降雨时间下,孔隙水压力与稳定性安全系数的变化幅度从大到小为:递减型>集中型>递增型;降雨与蒸发作用条件下,递减型降雨的安全系数的下降率最大,对于坝坡稳定性为最不利影响;土地气候相互作用边界条件下各降雨类型的孔隙水压力增长速率和安全系数降低速率均要小于单位流量边界条件,但安全系数均要大于单位流量边界条件,降雨-蒸发作用下所反映的渗流场与稳定性变化更符合实际.

基于敏感性分析的最优降雨阈值选择

降雨变量的选择对于降雨阈值模型精度至关重要。以秦巴山区2001~2020年2760个降雨型滑坡和日值降雨数据为例,首先对降雨站构建泰森多边形,实现滑坡与致灾降雨相对应,共获得1053例致灾降雨和283,446例非致灾降雨,以此为基础,通过当日降雨量(R)和前期有效降雨量(EAR)构建降雨阈值模型;其次,为选择恰当的变量EAR,使用5种有效降雨量模型在不同参数k下生成201种待选的EAR,通过构建直方图获得EAR在致灾和非致灾降雨序列中的概率:P(EAR|L),P(EAR|NL),通过贝叶斯公式计算得到降雨致灾的条件概率和先验概率:P(L|EAR),P(L);之后分别使用4种降雨变量选择方法确定最优的EAR,其中:基于散度的和基于信息增益的敏感性分析(DGSA,GGSA)通过计算P(EAR|L)和P(EAR|NL)之间的散度和信息增益进行变量选择,基于条件概率的相关性分析通过计算P(L|EAR)和P(L)的曲线下面积差进行降雨变量选择,Pearson相关性分析通过计算EAR和P(L|EAR)之间的相关性系数进行降雨变量选择;为验证4种降雨变量选择方式的合理性,同时使用两种线性分类器和两种非线性分类器直接构建R-EAR型降雨阈值,以平均正确率对降雨变量选择方法进行验证。分析和统计结果表明:(1)研究区92.15%的滑坡由降雨诱发,46.59%的降雨型滑坡由暴雨直接诱发,68.95%的降雨型滑坡由暴雨直接或间接诱发,表明暴雨是降雨型滑坡的主要诱因;(2)通过DGSA和GGSA计算得到的降雨变量重要性系数与阈值模型的性能之间存在显著的线性递增关系,线性相关性在0.98以上,表明可以通过敏感性分析进行降雨变量选择,达到构建最优降雨阈值模型的目的;(3)相较于Pearson相关性分析,在降雨变量与灾害发生频率呈非线性的情况仍可以使用DGSA和GGSA进行降雨变量的选择。

城市水库溃坝耦合极端降雨前后模拟对比分析

以探究城市上游水库溃坝耦合极端降雨及仅溃坝两种工况下洪水灾害程度的变化为目标,确定郑州市二七区、中原区、金水区及惠济区为研究区域,结合芝加哥雨型公式及长历时暴雨强度公式推求设计暴雨,依托“7·20郑州特大暴雨”实测数据推求研究区域产汇流特征,建立极端降雨与洪水过程的响应关系。在此基础上,以郑州市二七区尖岗水库为研究对象,构建两种工况下二维溃坝洪水演进模型,对水情信息进行对比分析。结果表明:相比于仅溃坝,降雨耦合溃坝工况下淹没范围更大,其中增加的淹没范围内各点的最大水深、流速、洪水严重性程度均处于较低等级。在河道两侧,两种工况下各等级水深、流速及洪水严重性淹没范围大致相同;地势较低的区域降雨耦合溃坝工况下淹没水深和流速增大较多,易涝点水深增加约0.6 m,选取断面水面线升高约1 m。

降雨监测与预报技术在防洪减灾中的应用进展

洪水灾害突发性强,成灾速度快,对人民生命和财产安全造成较大的威胁。降雨作为洪水灾害致灾因子,数据的精确度对防洪减灾具有重要意义。以降雨监测与预报技术为切入点,对雨量站点观测、天气雷达降雨估计及预报、降雨数值预报、卫星遥感反演的现状进行了总结,通过分析时空降尺度方法及多源数据融合技术在降雨监测与预报中的应用,揭示了其在提升降雨数据“量”与“型”准确度方面的效果。研究表明:降雨监测与预报技术在当前取得了显著进展,但在山丘区和城市环境空间的复杂地形方面仍面临分辨率受到限制及精确性、时效性不足的问题。多源数据融合能提高降雨数据精度、时空覆盖能力和预测准确性,优化算法模型、融合“空-天-地”多源数据形成高分辨率预报是未来的研究方向。

祁连山中段夏季降雨与对流特征分析

祁连山中段夏季降雨特征研究可为地形云人工增雨提供天气背景依据支撑。基于2015—2017年地面观测资料和FY-2G卫星红外黑体亮度温度(Temperature of Black Body, TBB)逐时资料,分析祁连山中段夏季降雨与对流特征及降雨日变化与局地环流的关系。结果表明:祁连山中段海拔低于3.5 km的气象站降雨量随海拔呈线性递增变化,东部(99.2°E以东)降雨量随海拔的变化较西部剧烈。位于山谷的野牛沟和祁连站山谷风环流和降雨日变化较青海湖畔的刚察站明显,两站降雨最大值和次峰值分别在傍晚和清晨,分别对应该地区两类主要地形云(积雨云和层积云)高频时段,平均雨强分别为2.0~2.3、1.0~1.3 mm·h^(-1)。与河西走廊张掖站相比,在雨强小于1.5 mm·h^(-1)和大于等于1.5 mm·h^(-1)条件下,祁连、野牛沟和刚察站的TBB概率分布峰值从-22~-12℃转为-32~-22℃;在使用TBB<-32℃的降雨云识别阈值时,祁连山地区降雨云的覆盖率低于河西走廊地区;TBB<-22℃阈值更适宜祁连山地区弱对流降雨云的识别。研究区内深对流与浅对流的高值区分别呈现南北向、西北—东南向分布,基于TBB资料的浅对流频率日变化等可反映该地区降雨日变化的部分特征。

四川巴中红层滑坡降雨阈值克里金插值法研究

降雨阈值是目前最常用的降雨型滑坡预警判据之一,然而目前经验性降雨阈值主要是针对滑坡的区域性预警,对于该区域内随空间变化的单个滑坡的降雨阈值还缺乏探讨。基于巴中2014—2021年降雨型滑坡历史数据以及小时降雨数据,采用克里金插值法,提取2014—2020年各滑坡灾害的四类致灾短期雨量(1 h、12 h、24 h、72 h)和相应的长期雨量(滑坡发生前7 d),由此分成4类阈值模型进行分析,确定每组模型长期和短期致灾雨量阈值分布情况,并用2021年滑坡灾害数据验证所得的降雨阈值。研究结果显示4类阈值模型的预测准确率分布在40%~65%,表明4类阈值都具有较好的应用前景。同时,预测准确率随短期降雨时长增加而提高,由72 h至7 d致灾雨量数据所计算的降雨阈值预测准确率最高,为62%;而1 h至7 d模型计算的降雨阈值预测准确率最低,为46%。基于模型的最高预测准确率,研究计算得到4类模型的最佳短期与长期致灾雨量的划分比例,从而定量划分了短期降雨致灾滑坡和长期降雨致灾滑坡。研究通过对致灾雨量空间分布的计算,可提取滑坡隐患点位上的降雨阈值,实现了区域一点一阈值的目标,丰富了现有降雨阈值计算模型。

短距离无线微波链路降雨反演模型研究

利用商用微波链路进行降雨反演是一种新型的降雨监测手段,且随着通信技术的发展,高密度的商用微波链路网络可提供更高空间分辨率的降雨空间反演结果。目前,幂律模型被广泛用于研究微波衰减与雨率的关系,该模型对长度超过1 km的链路反演精度较高,但在反演短链路(长度<1 km)雨强时出现显著的降雨强度过高估计问题。针对此问题,本文基于ITU-R P.530-16建议书中长期雨衰减公式,建立了雨强反演模型。在瑞典哥德堡地区对该模型进行了验证,并对比分析了本文模型与幂律模型降雨反演结果。结果表明,相比于幂律模型,本文模型在对短链路进行雨强反演时更稳定、精确,确定性系数提升了55.3%,标准化均方根误差下降了76.2%,累计降雨量误差下降了92.4%。本文研究结果为短链路在反演降雨时出现的过高估计问题提供了一个解决思路。

城市不同下垫面降雨径流水质监测及特征研究

城市面源污染是仅次于农业面源污染的第二大非点源污染,也是影响城市水生态系统健康的重要原因。随着城市化的快速发展,下垫面改变导致城市河流洪峰增大,河流污染加剧。基于沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地四种典型城市下垫面的5场降雨径流监测试验资料,分析了不同下垫面条件下的降雨径流污染水平、径流水质变化特征和初始冲刷效应。结果表明:(1)4种下垫面的降雨径流总氮质量浓度均属于劣Ⅴ类水;四种下垫面的总磷污染程度相对较轻,沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总磷质量浓度优于Ⅳ类水的频率分别为80%、16%、88.46%和5.56%;沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总悬浮物质量浓度分布范围分别是7~798、15~569、10~871和44~378 mg/L。(2)总氮和总磷的径流污染水平排序为:砖砌路面>绿地>沥青屋面>油毡屋面;总悬浮物的径流污染水平排序为:绿地>砖砌路面>油毡屋面>沥青屋面。(3)中雨情景下各下垫面不同污染指标变化趋势差异较大,而小雨情景下受人为活动影响较大的下垫面的各污染指标浓度较高。(4)各下垫面污染物的初始冲刷强度排序均为:总悬浮物>总磷>总氮;各下垫面的初始冲刷强度排序为:沥青屋面>油毡屋面>砖砌路面>绿地。(5)沥青屋面和油毡屋面降雨径流中的总悬浮物和总磷具有较好的同源性,而砖砌路面降雨径流中的总磷与总氮和总悬浮物都具有较好的同源性。综合而言,各下垫面总氮和总悬浮物的场次降雨径流平均浓度远超于地表水Ⅴ类水质标准,会对城市水体造成污染,可根据不同下垫面的特点采取相应措施来降低污染物浓度。

基于地区线性矩法的四川省24 h极值降雨频率分析

为探究四川省24 h极值降雨在不同重现期不同频率下的时空分布特征,采用地区线性矩法划分四川省水文气象一致区,确定最优拟合线型,并验证地区线性矩法在站点稀疏地区的适用性,随后估计四川省24 h不同重现期降雨频率值,分析其时空分布特征。研究结果表明:(1)四川省可划分为40个水文气象一致区,经线型拟合优度检验,主要线型为GLO、GEV和GNO,其中川西高原地区的最优线型大多为GLO,盆地区域的最优线型大多为GEV。(2)地区线性矩法在站点相对稀疏的川西高原地区具有良好的适用性。(3)四川省内不同地区24 h极值降雨空间分布十分不均,同一重现期下不同地区降雨频率估计值的最大值可达最小值的10倍。

降雨入渗对土质边坡稳定性影响研究

本文进一步分析边坡的孔隙水压力、稳定性与降雨强度和持续降雨时间的关系。研究结果:持续降雨持续增加时,边坡孔隙水压力先增加,而后压力保持不变;降雨强度不同,且随着时间延长,边坡稳定性系数呈先小后大特点。在特定时间段加强边坡稳定监测非常重要。

滇西蒲缥河流域侵蚀性降雨及产流产沙特征研究

采用径流小区观测法获取蒲缥河流域2018—2022年的降雨及水土流失数据,利用判别聚类法对侵蚀性降雨进行分类识别。结果表明:研究区月降雨量和侵蚀性降雨量随时间的变化呈先增后减的趋势,表现为单峰型,雨季是研究区防治水土流失的关键时期,其侵蚀性降雨量占总量的86.89%;研究区侵蚀性降雨类型主要有3种,其中Ⅰ型降雨特征为高频率、中雨量、短历时、中雨强,Ⅱ型降雨特征为中频率、中雨量、中历时、小雨强,Ⅲ型降雨特征为低频率、大雨量、长历时、小雨强;Ⅰ型降雨产流产沙量远大于Ⅱ和Ⅲ型降雨,是引起蒲缥河流域坡面水土流失的主要雨型,且不同土地利用类型下,坡面产流产沙量以裸地和橘子地最为明显;研究区各降雨影响因子对不同土地利用类型径流深和产沙量的影响存在较大差异,影响程度总体表现为降雨侵蚀力最大,其次为降雨量和I30,平均降雨强度和降雨历时最小。滇西蒲缥河流域侵蚀性降雨主要发生在雨季,雨型及下垫面是影响坡面产流产沙特征的主要因素,植被的高覆盖率和实施沟垄耕作是减少研究区坡面产流产沙的有效措施。

自制移动侧喷式降雨装置降雨特性试验

通过对自制移动侧喷式降雨模拟装置降雨特性的率定试验,探讨该装置在水土保持降雨控制试验中的适用性。结果表明:1)装置降雨均匀度均超过85%;2)雨滴-色斑直径关系为D=0.3631d ^(0.7285),雨滴的直径范围为0.67~1.69 mm,雨滴中数直径随雨强的增大而减小;3)降雨动能与降雨强度呈E=0.3134I-0.1253的线性关系,可通过控制降雨强度实现与天然降雨动能相似的降雨条件;4)通过不同孔径的垫片可控制1.06~3.18 mm/min的降雨强度,满足红壤区引起水土流失的中雨至暴雨强度的模拟降雨试验研究。

基于数值试验的降雨径流过程对不透水面空间分布的响应分析

为解析降雨径流过程对不透水面空间分布的响应关系,构造了一个3 km×3 km的假想试验区域,面向试验区域构建了包含6个不透水率的36种不透水面空间分布,并建立相应的数值试验模型,模拟了重现期分别为2、5、10、20、50、100 a共6种不同重现期短历时设计降雨下的降雨径流过程,基于模拟结果对不同不透水面空间分布情景下的降雨径流过程进行了分析。结果表明:在同一不透水率下,不同不透水面空间分布的径流系数差异相对较小,不透水面空间分布对径流特征的影响主要体现在径流峰值和峰现时间上;在同一降雨条件下,不透水率变化是径流过程变化的主导因素,径流系数与不透水率呈线性相关关系,随着不透水率的增加,径流过程线逐渐由“矮胖”变得“尖瘦”。

野外模拟降雨条件下坡面降雨入渗、产流试验研究

利用野外模拟降雨试验,研究了植被类型、降雨强度、地表结皮、覆盖杂草等对荒草地和裸地降雨入渗、产流的影响。结果表明:裸地因降雨易产生地表结皮,产流时间主要取决于降雨强度,两者的关系可用幂函数描述,达显著水平;荒草地由于植被覆盖度较高,产流时间主要取决于土壤初始含水量,两者的关系可用线性公式描述,达极显著水平;与裸地相比,荒草地能延缓产流,并有效拦蓄径流;裸地形成地表结皮后,产流提前,平均入渗率降低,但坡面覆盖杂草(尤其是坡中下部覆盖杂草)能有效拦蓄径流、延缓产流、增加入渗,并促进土壤水分向深层的运移。

模拟降雨条件下坡度和降雨强度对桂南崩积体侵蚀产沙的影响

[目的]探究坡度和降雨强度对崩岗崩积体坡面侵蚀产沙特征的影响,为桂南地区崩积体水土流失预测及其防治提供科学依据。[方法]采用室内模拟降雨试验,研究不同坡度(15°,20°,25°)和降雨强度(60,90,120 mm/h)条件下崩积体坡面侵蚀产沙过程。[结果]各坡度条件下,60 mm/h降雨强度时,崩积体坡面侵蚀速率变化过程较为稳定,且侵蚀速率多低于5.0 g/(m^(2)·s),并呈现出一定的下降趋势;90~120 mm/h降雨强度下,侵蚀速率呈先波动增大后波动减小的变化趋势。降雨过程中侵蚀速率最大值随降雨强度和坡度的增大而增大,侵蚀速率最大值出现的时间集中在0~25 min内,且随坡度的增大有提前的趋势。次降雨产沙量(3.64~48.07 kg/m^(2))随降雨强度和坡度的增大而增大,与降雨强度和坡度之间的非线性回归结果(幂函数)优于线性回归结果。次降雨产沙量与坡度和降雨强度的交互项相关性最为显著,二者呈极显著线性函数关系。[结论]次降雨产沙量对降雨强度的敏感系数要高于对坡度的敏感系数,降雨强度对次降雨产沙量的影响强于坡度,崩积体侵蚀防治中建议做好坡面排水措施。

诱发台风暴雨型滑坡的降雨阈值研究——以泰顺县为例

在我国东南沿海地区,台风暴雨诱发了大量山体滑坡。建立诱发台风暴雨型滑坡的降雨阈值模型,可为该地区的滑坡预警提供参考依据。基于浙江省泰顺县2007—2022年以来发生的滑坡信息和日降雨量数据,进行了诱发滑坡的台风暴雨事件编目,初步揭示了台风暴雨型滑坡的发育规律和触发降雨特征,通过降雨强度(I)、降雨历时(D)的幂律关系构建了滑坡临界降雨阈值模型,并开展了不同台风降雨雨型的阈值模型对比。结果表明:台风暴雨型滑坡大量发生在与台风登陆方向接近的迎风坡,坡表植被多为乔木和竹林;诱发滑坡的台风降雨一般持续2~3 d,且降雨过程集中,降雨雨型以单峰型为主,总降雨量一般在200 mm以上;台风暴雨诱发滑坡的降雨阈值显著高于一般性的降雨,这种差异与台风降雨模式及大尺度气候环境有关;雨型也会显著影响降雨阈值,随着降雨峰值的后移,阈值逐渐降低,表明台风暴雨型滑坡对长时间降雨后出现的强降雨事件更加敏感。通过降雨阈值模型对9次台风降雨事件是否诱发滑坡进行了预测,预测结果与实际情况比较吻合,证明该模型及研究思路对台汛期东南沿海的滑坡监测预警有较强的参考价值。