壤中流模型研究的现状及存在问题

对国内外壤中流模型与模拟进行了较为系统的介绍，并针对这些模型提出了一种壤中流模型分类的方法，即根据模型所依据的主要原理将壤中流模型分为三大类：１）Ｒｉｃｈａｒｄｓ模型；２）动力波模型；３）贮水泄流模型．Ｒｉｃｈａｒｄｓ模型又可分为一维Ｒｉｃｈａｒｄｓ模型、二维Ｒｉｃｈａｒｄｓ模型和三维Ｒｉｃｈａｒｄｓ模型；贮水泄流模型又可分为动力贮水泄流模型和Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ贮水泄流模型．同时，将这３类模型进行对比，指出了它们各自优点和不足．

紫色土坡地壤中流特征

壤中流是紫色土坡地径流的重要组成部分。通过野外人工模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下紫色土坡地壤中流特征和地表状况变化对壤中流的影响,结果表明:①未扰动荒坡地壤中流径流系数是裸露坡耕地的3～15倍,平均流量是坡耕地的7～33倍,荒坡地和坡耕地壤中流特征差异在大雨强条件下表现更为明显;②坡耕地壤中流径流系数随降雨强度的增加而显著减少,但荒坡地壤中流受雨强的影响不明显;③荒坡地壤中流随地表状况变化而改变,植被覆盖的减少和降雨对疏松地表的压实导致壤中流明显减少。

森林流域坡地壤中流模型与模拟研究

本文以水量平衡原理、动力学假设以及饱和导水率与有效孔隙度的对数递减模型为基础，提出了一个形式简单的森林流域坡地壤中流模型（以下称为改进模型）。并以二道白河森林流域内阔叶红松林土壤为背景制作模拟坡面，在模拟坡面上用两场不同强度的降雨对该模型进行了验证；同时，本文也分别用Ｓｌｏａｎ所提出的贮水泄流模型（以下称Ｓｌｏａｎ模型）与Ｒｏｂｉｎｓｏｎ所修改后的贮水泄流模型（以下称Ｒｏｂｉｎｓｏｎ模型）对这两场降雨进行了预测，并将这３个模型预测的结果与实测结果进行了比较。结果表明，改进模型精度比其它两个模型高。

不同起始条件下坡面薄层紫色土水分和壤中流响应

通过原位人工模拟降雨试验,运用数理统计方法对描述土壤水分过程和壤中流过程的参数进行了分析,定量研究了降雨强度和表土结皮程度(用0～5mm表土容重表征)对薄层紫色土坡面土壤水分和壤中流的影响。结果表明:(1)土壤水分湿润峰平均运移速率在0.28～1.63mm/s之间,优先流特征明显;(2)降雨强度和表土结皮程度是影响土壤水分过程和壤中流过程的主要因素,降雨强度增加有利于优先流的发生和发展,而表土结皮的形成是阻碍优先流发生和发展的主要原因。

巢湖典型低山丘陵区不同土地利用类型壤中流养分流失特征

以巢湖典型低丘山区坡地的6种主要土地利用类型(弃耕地、尾矿裸地、灌木林地、荒草地、马尾松林地和人工恢复林地)为研究对象,通过定位观测与收集坡面壤中流,探讨该地区壤中流养分流失动态变化特征。结果表明,巢湖低丘山区典型土地利用类型壤中流发生概率为灌木林地和荒草地较高,尾矿裸地最低(仅在0～20 cm土层产生);表层壤中流氮含量为尾矿裸地最高,人工恢复林地最低,壤中流磷含量为弃耕地最高,尾矿裸地最低;壤中流氮素流失以溶解态NO3--N为主,并随雨季的到来而呈下降趋势,随土层加深呈先下降后升高趋势;磷主要以有机溶解态形式流失,随土层加深而呈下降趋势。相关分析表明,地表总盖度、地表植被均匀度、土壤养分含量与壤中流氮、磷含量间存在显著相关性,而降雨特征(降雨量、降雨强度)与壤中流氮、磷含量间相关性不显著。由于人为开采严重,在分析该地区壤中流氮素含量时,应注意干湿沉降的影响。

紫色土坡面壤中流形成与坡面侵蚀产沙关系试验研究

采用人工模拟降雨法,在长5.0 m、宽1.5 m、6个不同坡度(10°,15°,20°,25°,30°,35°)的径流小区上,通过3个不同降雨强度(1.0,1.5,1.8 mm/min),对紫色土坡面产流形式及侵蚀产沙关系进行了模拟试验研究。结果表明:紫色土坡面总径流主要由地表径流和壤中流两种形式组成,地表径流和壤中流在总降雨量中的比例随雨强和坡度的不同而发生变化,在相同坡度情况下,壤中流占总降雨量的比例随雨强的减小而增大,在雨强相似的条件下,壤中流占总降雨量的比例随坡度的增大而增大。普遍存在的壤中流在土壤侵蚀尤其是重力侵蚀中起到了相当重要的促发作用,甚至由壤中流促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式,这与以往研究表明的长江流域坡面侵蚀以面蚀为主的结论有所不同。

模拟降雨条件下农田地表径流与壤中流氮素流失比较

选择太湖流域平原河网地区为试验地点,采用3次重复人工暴雨试验方法,研究暴雨径流过程中地表径流与壤中流氮素流失特征。结果表明:地表径流与壤中流氮素流失特征具有较大差异,地表径流水相TN平均浓度为12.41 mg/L,壤中流水相TN平均浓度低于地表径流约50.65%。地表径流氮素流失以PN为主,DN和PN的流失量比为1∶2.65,壤中流氮素流失以DN为主,DN和PN流失量比为2∶1。整个暴雨径流过程中氮素流失以地表径流为主,占总流失量的81.66%,壤中流氮素流失量相对较少,仅占氮素总流失量的18.34%。地表径流与壤中流氮素流失量比较分析结果证实,土壤的水分下渗滤过机制对氮素具有较强的削减作用,对PN的削减作用尤为明显,可达70%以上。在流域产汇流过程中,充分发挥洼地和高透水地段对地表径流的蓄渗功能,对面源营养盐污染控制具有重要的作用。

江西红壤缓坡地壤中流影响因素分析

针对地表植被覆盖、死地被物敷盖、裸地3种类型的坡面,采用径流小区试验方法,研究江西红壤表层(距地表30 cm)、底层(距地表60 cm)壤中流及地下径流(距地表105 cm)特征,运用数理统计方法分析壤中流流量、流速、历时与降雨、径流因子的相关关系。结果表明:1.与裸地相比,百喜草覆盖、死地被物敷盖显著增加壤中流量,2种措施都延长壤中流历时;2.壤中流量与雨量、雨强、降雨历时、初渗雨量呈正相关关系,覆盖、敷盖小区壤中流量受雨量影响较大,而裸地小区壤中流量受雨强影响较大;3.表层壤中流历时与降雨因子有较好相关性,而底层壤中流历时与降雨因子相关性很差;降雨历时对壤中流历时影响最大,降雨量影响最小;4.壤中流流速与因子的关系受措施及土层深影响,在植被覆盖、死地被物敷盖小区表层与雨量相关性最好,在裸地表层与雨强相关性最好。在各小区底层流速均与降雨历时相关性最好;5.裸地地表径流量与壤中流量相关关系不显著,在采取2种措施后,地表径流量与壤中流量呈线性正相关关系。随地表径流量的增大,覆盖措施壤中流量增大幅度大于敷盖措施。

烤烟坡耕地壤中流氮、磷浓度的动态特征

选取我国西南部抚仙湖流域典型小流域——尖山河流域为试验区,以流域主要土地利用类型——烤烟坡耕地土壤为研究对象,在天然降雨条件下,原位监测了作物整个生长期,坡耕地土壤不同坡位壤中流（0～2 m）中磷、氮的浓度垂直分布特征及其时间动态变化规律。结果表明,不同坡位各层壤中流总氮（TN）和总磷（TP）浓度变化趋势基本一致,但不同坡位壤中流中TP浓度随深度的变化呈波动递减规律,随深度的增加变异系数变小。坡位对0~50 cm的壤中流氮、磷浓度影响最大,坡下部明显大于坡中部。翻耕导致各层壤中流氮、磷浓度差异显著增大。各层氮、磷浓度与降雨量呈负相关。在2 m深处TN和TP浓度的平均值分别为6.371mg.L-1和0.024 mg.L-1,超出相邻水体（抚仙湖）中氮、磷浓度的控制要求。这一结果表明,尖山河流域土壤表层中的氮、磷含量较高,丰富的降雨-壤中流过程极易推动土壤氮、磷传输。因此,除了地表径流传输控制外,如何有效抑制壤中流中的氮、磷迁移对该区域水环境污染的治理十分关键。

红壤丘陵区坡地降雨壤中流产流过程试验研究

在红壤丘陵区，对自然降雨条件下坡地（上层0～40cm，下层40～110cm）降雨壤中流产流过程进行了研究，结果表明：不同土地利用方式下，油茶林壤中流产流量大于同层恢复区；壤中流峰值流量恢复区大于同层油茶林；油茶林壤中流产流过程较恢复区开始早、结束晚。随着土层加深，滞后时间延长。同一土地利用方式下，产流量、峰值流量、滞后和拖尾均为上层小于下层。壤中流对降雨及地表径流的响应均为上层快于下层。不同的降雨类型，壤中流产流机理不同。峰值型降雨壤中流产流过程滞后时间较小，壤中流产流类型多为驱赶流。

青海湖流域高寒草甸壤中流水分来源研究

通过对青海湖流域高寒草甸壤中流水分来源进行研究,以期揭示青海湖流域高寒草甸系统壤中流的产流机制。收集了大气降水、土壤水和壤中流中δ^(18)O和δD及实测降水数据,对比分析了大气降水、土壤水和壤中流的氢氧同位素特征,并使用了二源线性混合模型对壤中流进行了产流来源计算。结果表明:青海湖高寒草甸分布区大气降水线(LMWL)的斜率和截距均高于全球大气降水线(GMWL),降水较多的月份δ^(18)O、d-excess值较低;壤中流的水分来源与地形及其土壤深度密切相关,具体表现为:(1)壤中流在坡下土壤上层(0—40cm)和下层(40—80cm)产流氢氧同位素值相对聚集,并具有较明显的蒸发富集特征,表明该部分壤中流多源于降雨前储存于土壤中的水分,雨前土壤水对于壤中流在坡下土壤上层(0—40cm)和下层(40—80cm)产流的平均贡献率为85.88%和83.48%;(2)坡中壤中流水分来源因土壤深度而异,雨前土壤水对壤中流在坡中土壤下层(40—80cm)产流的平均贡献率为57.59%,表明大气降水和雨前土壤水贡献相当;壤中流在坡中土壤上层(0—40cm)产流与当地大气降水的季节变动基本一致,雨前土壤水对该层壤中流产流的平均贡献率为39.90%,表明其主要受到大气降水的驱动,与坡中金露梅灌丛根系和土壤孔隙分布有关。同时,随着雨前含水量、降水量和降水特征的不同,雨前土壤水和大气降水对于壤中流的贡献特征也会发生变化。

江西红壤缓坡地壤中流特征研究

以地表植被覆盖、死地被物敷盖、裸地三种类型的坡面为研究对象，采用径流小区试验方法，研究江西红壤表层（距地表30cm）、底层（距地表60cm）壤中流及地下径流（距地表105cm）特征，结果表明：1．壤中流量占降雨量0．92％-3．23％；2．基流占总径流量的50％以上，地表植被覆盖良好或死地被物厚度较大时，基流占总径流量的90％以上，壤中流量排序为覆盖〉敷盖〉裸地；3．地表植被覆盖、死地被物敷盖小区壤中流量分别是裸地壤中流量的2．45倍和3．52倍，两种措施都延长径流历时，减小洪峰流量；4．覆盖小区底层壤中流量小于表层壤中流量，而其他两个小区底层壤中流量大于表层壤中流量；5．壤中流季节分布以春夏较大，冬秋较小，但敷盖地块表层、裸地底层例外。

辽宁浑河流域不同土地类型地表径流和壤中流氮、磷流失特征

采用人工模拟降雨的试验方法,研究了辽宁浑河流域主要土地利用类型的土壤在地表径流和壤中流中所产生的氮、磷流失特征。结果表明,(1)地表径流和壤中流氮、磷流失特征差异显著,地表径流氮、磷输出浓度均表现为降雨初期较高而后逐渐趋于稳定的特征;壤中流氮、磷输出浓度在整个径流过程中保持相对稳定。(2)在整个降雨径流过程中,耕地与草地氮、磷流失均以地表径流为主,随壤中流流失的氮、磷占输出量的比例较小。(3)耕地与草地中地表径流和壤中流氮、磷流失差异表明,土壤的水分下渗滤减机制对氮、磷流失具有很大的削减作用,草地中对总磷的削减作用尤为显著,可达90%以上。

汉江水源区自然降雨过程下坡地壤中流对硝态氮流失的影响

壤中流是土石山区降雨径流的重要组成部分,也是养分流失的重要途径。通过对陕西省石泉县后沟小流域2011年汛期3场自然降雨过程条件下玉米和辣椒径流小区壤中流过程对硝态氮(NO3--N)迁移流失影响研究,结果表明,在3场典型自然降雨过程中,2个径流小区内产生的壤中流量占总径流量的比例均大于74.3%;而且大雨强短历时降雨过程下壤中流的流量较小,小雨强长历时的降雨过程容易形成壤中流流量较大;作物的前期和中后期生长阶段的壤中流占总径流量比例是作物收获和土地空置阶段壤中流比例的1.14～1.35倍。在3场自然降雨过程中,由壤中流携带的硝态氮流失量占径流小区硝态氮流失量的87.81%～98.99%,表明壤中流是坡耕地NO3--N的流失的最重要载体。因此,加强壤中流管理对于汉江水源区坡耕地面源污染控制管理和南水北调中线工程引水水质安全有重要的参考意义。

紫色土水分和壤中流对降雨强度的响应

为研究降雨强度对紫色土坡耕地不同深度土壤水分含量和壤中流的影响,初步揭示紫色土水分和壤中流之间的相互耦合关系,通过原位人工模拟降雨试验,在60,90,120 mm/h 3种降雨强度条件下,采用Minitrase TDR可埋式探头对紫色土坡耕地土壤剖面浅层(0—20cm)、中层(20—40cm)、深层(40—60cm)的土壤水分含量进行了实时连续测定,并在降雨过程中分层收集测量壤中流,开展了降雨—产流过程的观测试验。结果表明:(1)当雨强较小时,浅层土壤含水率变化曲线呈现上升期和稳定期,随着雨强和深度的增加则呈上升期、稳定期或始终处于稳定期;(2)随深度和降雨强度的增加,土壤含水率稳定时间增加,含水率变化越小,响应越不明显;(3)在不同降雨强度条件下,各土层均有壤中流产生,低雨强条件下壤中流都是单峰产流过程,中雨强和高雨强下为双峰产流过程;(4)壤中流产流时间随雨强增大而显著减小,随深度增加而显著增加;(5)降雨强度与土壤水分含量和壤中流参数三者间相互有显著相关性。

雨滴打击与壤中流交互作用对横坡垄作坡面侵蚀过程的影响

横坡垄作是被广泛采用的保护性耕作措施之一。垄沟低洼处的积水可诱发壤中流,并可造成雨滴打击对土壤颗粒分离/搬运的增强与减弱作用并存。因此,横坡垄作坡面雨滴打击与壤中流交互作用对土壤侵蚀过程的影响有别于传统坡面。基于人工模拟降雨试验,对有/无雨滴打击作用(RI,WRI)自由入渗(FD)和壤中流(SP)2种试验处理下的产流、产沙过程进行了探究。结果表明:(1)径流量表现为SP+WRI>SP+RI>FD+RI>FD+WRI。雨滴打击作用和壤中流对径流的贡献分别为-47.09%~54.37%和41.96%~85.62%。(2)侵蚀量表现为SP+RI>SP+WRI>FD+RI>FD+WRI。雨滴打击作用和壤中流对侵蚀量的贡献分别为12.92%~94.94%和25.83%~97.28%。(3)自由入渗试验处理下,雨滴打击作用对产流过程影响不明显;土壤饱和后,雨滴打击作用和壤中流的存在均使产流、产沙过程波动幅度更大。(4)有/无雨滴打击作用,自由入渗试验处理下的侵蚀量与产流率符合幂函数关系,而壤中流试验处理下二者符合指数关系。研究结果有助于加深对横坡垄作坡面土壤侵蚀过程的认识,为横坡垄作坡面水土流失综合治理提供理论支撑。

紫色土地区壤中流磷流失特征及其环境效应

在紫色土分布地区,由地表径流和土壤侵蚀引起的磷素流失一直以来备受关注,随着土壤磷素的不断累积,磷素随壤中流流失的风险也在不断增大。采用人工降雨的方法,对紫色土坡耕地壤中流的形成及其对磷流失的影响进行了研究。结果表明:紫色土坡耕地壤中流活跃,大孔隙流是壤中流的主要组成部分,且土质越松散,壤中流越大。土壤剖面较强的固磷能力及大流量的壤中流造成壤中流中溶解态活性磷流失浓度低于0.03mg/L。而活跃的壤中流对土壤剖面存在侵蚀作用,使得非活性磷成为壤中流中磷输出的主要形态,其流失负荷占总磷的80%以上。同时壤中流的存在使土壤剖面磷素发生再分布。对于砂壤土而言,壤中流可以将表层磷素传输到土壤剖面底层,增大土壤底层磷饱和度,这将进一步增加壤中流磷流失的可能。对于砂质粘土,壤中流的传输能力有限,对土壤剖面磷素分布的影响较小。

紫色土区坡耕地壤中流磷素流失特征研究

采用人工模拟降雨装置,通过野外径流小区试验,研究紫色土坡耕地玉米生长季磷素流失特征。结果表明:(1)壤中流磷素流失以可溶性磷素流失为主,横坡垄作壤中流磷素流失最多,远远高于其它2种措施。壤中流TP和DTP平均浓度大小依次为:横坡垄作>顺坡垄作>平作。横坡垄作壤中流TP总量最大是平作和顺坡垄作的3.2倍和3.1倍,其壤中流DTP磷素流失总量也最严重,是平作的3.5倍,顺坡垄作的2.9倍。(2)不同坡度之间壤中流浓度在玉米生育期的苗期和抽雄期呈现出较大差别,坡度越大,地表径流带走的磷素越多,壤中流总磷越小。(3)坡耕地上合理的耕作措施对磷素流失的调控具有一定作用,但有别于其它类型坡耕地,横坡垄作并不是一种综合效益很好的耕作方式,相比而言平作控制水土流失及磷素流失效果更好。

犁底层及作物根系影响下壤中流形成机理研究

为了研究犁底层及作物根系影响下壤中流的形成机理,以我国东北黑土区大豆坡耕地为研究对象,试验设计测定有、无犁底层及大豆根系条件下土壤物理特性、土壤水分湿润峰迁移和鼓粒期大豆根系形态。结果表明,研究区降雨强度小于16.8 mm/h时,犁底层以上土壤含水量超过49.8 mm产生壤中流;降雨强度大于16.8 mm/h时,假定在犁底层位置处土壤含水量超过田间持水量,湿润峰到达犁底层处且含水量等于田间持水量时土壤水分剖面形状相同,产生壤中流。基于以上假定构建壤中流产流时刻模拟模型,利用模型对裸土及大豆根系影响下壤中流产流时间进行模拟,相对误差为6.6%和0.4%,说明该模型适用于犁底层及大豆根系影响下壤中流产流时间的预测,同时也说明以上假定的合理性。

自然降雨事件下红壤坡地壤中流产流过程特征分析

为研究红壤坡地的壤中流输出特征,采用野外大型土壤入渗装置,对红壤坡面草地和裸地不同深度（30 cm和60 cm）壤中流输出开展自然降雨-产流过程的观测试验。结果表明：1壤中流产流过程随着土层的加深,滞后时间和拖尾时间均延长,与降雨过程相适性减弱。草地壤中流产流量、峰值、产流历时均大于裸地,其差异在突发型降雨下表现更为明显;2壤中流产流量和降雨量呈显著性正相关（R2为0.6942~0.8770）,但与雨强关系不明显。突发型和峰值型降雨壤中流产流过程洪峰升涨迅速,而均匀型壤中流产流过程平缓。突发型、峰值型和均匀型降雨裸地壤中流产流量与地表径流量相比分别为13.82%、91.73%和159.04%,草地则为118.95%、312.11%和368.33%;3土壤前期含水量增加,壤中流产流滞后时间缩短,峰值和流量增大。