室内小流域降雨产流过程试验

该研究采用新型的小水流流量自动观测系统,在室内小流域模型上进行了不变雨强和变雨强模拟降雨试验,实时观测了模型流域各沟道的产流过程。试验进行了不同降雨强度(25、50、75、120mm/h)和不同降雨历时(5、10、15min)组合的12次降雨试验,同时进行了30-70mm/h和70-30-70mm/h的变雨强降雨试验。在不变雨强的条件下,仪器与人工测量所得稳定流量的最大平均相对误差仅为2.02%。测量得到的流量过程线呈现出起流、稳定和退水3个明显的阶段。其中,起流和退水过程涨落的剧烈程度、稳定阶段的流量大小随雨强增大而增大,稳定阶段的持续时间与降雨历时成正比。空间上,主沟出口的产流过程明显滞后于支沟出口的产流过程,且其两者之间具有一致的流量过程。在变雨强的情况下,流量过程线没有稳定的阶段,流量随雨强变化而变化。该研究对于深入理解流域产流过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。

基于近20年《中国水土保持公报》的水土流失治理分析

水土保持是生态文明建设的重要组成部分,也是反映经济社会发展与生态环境质量动态平衡的重要综合指标。基于近20 a的《中国水土保持公报》,分析了水土流失现状,总结了水土保持工作进展,深入探究了水土流失动态变化成因及水土保持阶段性成效,研究成果对评价水土保持工作成效具有重要理论意义。研究结果表明:①与20世纪80年代末相比,2020年全国水土流失面积下降了26.6%,相较于20世纪初下降了24.4%;②2011年以前水土流失以中度及以上强度为主,2018年以后轻度流失面积占比超过60%;③水土流失综合治理是水土流失面积降低的主要原因;近20 a来,11条主要江河年总输沙量下降了72.4%,年输沙量与累计水土流失治理面积呈显著的负相关关系(R 2=0.90)。现阶段我国水土流失治理由“面”向“点”纵深推进,水土保持工作迈入高质量发展。研究成果可为我国水土保持工作评价及水土保持高质量发展提供定量数据和理论基础。

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题,将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合,构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处,在降雨强度25 mm/h,降雨历时5 m in条件下,系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R2分别为0.738,0.749,流速误差为8.7%,比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内,同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。

修剪留茬高度对几种典型草坪草生长量与耗水量的影响

为了研究草坪修剪管理的节水效果,采用自制小型排水式蒸渗仪测定了早熟禾、高羊茅、黑麦在充分供水条件下不同修剪留茬高度的生长量和相应的蒸散量。结果表明:3种草坪草试验期内的生长量均随修剪留茬高度的增大而减小,留茬高度5、101、5 cm时其平均生长量分别为1 6611、345和972 kg/hm2;而耗水量均随修剪留茬高度的增大而增加,3种草坪草修剪留茬高度为5 cm时较不修剪时耗水量分别减少36.78%(早熟禾)、34.02%(高羊茅)、33.54%(黑麦)。降低修剪留茬高度可显著减少草坪耗水量,增加草坪草生长量。

称重式坡面径流小区水流流量自动测量系统

坡面径流小区流量观测是坡地水土流失状况研究的重要内容。该文提出了一种新型的含沙水流流量自动观测方法和测量系统。通过受力分析和水力推导,得到了无含沙水流流量测定计算模型和含沙水流流量校正公式。模型验证和参数标定的试验结果表明:无含沙水流的拉力输出值和流量之间的关系与推导得到的水力学模型非常吻合,决定系数可以达到0.99。含沙水流流量通过校正可以得到精度很高的观测结果,与人工观测平均相对误差仅为0.4%。因此,该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度,有一定的应用前景。

坡面流输沙能力与土壤可蚀性参数对细沟土壤侵蚀过程影响的有限元计算模型研究

土壤侵蚀预报模型对于定量评价水土保持效果,合理制定水土保持措施等具有重要意义。细沟侵蚀模型是土壤侵蚀预报模型的重要组成部分。本研究建立了一个以物理概念为基础的细沟侵蚀预报模型,模型包括水流连续性方程、水流动力学方程和泥沙运移方程;同时,模型改进了部分参数的计算方法,以线性形式的水流输沙能力计算方法取代原有的对数形式方法,将土壤最大剥蚀率用于土壤可蚀性参数的计算;采用有限元方法对模型进行顺序求解;Visual C++语言数值计算程序被用来模拟细沟侵蚀产沙变化过程,并进行了一系列室内试验验证该数学模型、模型参数及数值计算方法。结果表明,模型预测值和实测值具有很好的一致性,改进的模型参数计算方法能够准确地反映土壤可蚀性参数与水流输沙能力对细沟侵蚀过程的调控作用。

径流小区产流过程量水堰自动测量系统

坡面径流小区是水土保持和相关领域研究的重要手段,流量观测是径流小区观测的主要内容。该研究设计开发了一种适用于径流小区流量过程的自动观测系统,该系统集成了量水堰、水位计和泥沙传感器,并配套了数据自动采集、存储和传输设备。通过水槽试验,标定了量水堰流量系数,建立了针对量水堰结构设计的近似流量模型并获取了模型参数;模型验证和参数标定试验的结果表明:三角堰的水位与流量之间有着非常好的相关性,简化流量模型可以用于计算流量,简化模型回归分析的决定系数为0.98。此外,该文分析讨论了泥沙含量对流量观测的影响,提出了净产水(扣除泥沙体积的产水量)的概念和估计方法。该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度,在水土保持监测方面具有广阔的应用前景。

修剪留茬高度对北京地区草坪草耗水量的影响

水资源短缺,城市用水紧张,使得草坪灌溉用水管理受到极大关注。为了研究草坪修剪管理的节水效果,采用小型排水式蒸渗仪,通过田间实验研究了充分供水条件下3种草坪草(早熟禾、高羊茅、黑麦)不同修剪高度(留茬高度5、10、15cm和不修剪)处理对耗水量的影响,并根据水量平衡原理计算得到了3种草坪草的耗水量。研究结果表明草坪草的耗水量均随修剪留茬高度增加而增加,不同草种间存在差异。3种草坪草修剪留茬高度为5cm时较不修剪耗水量减少36.78%(早熟禾)、34.02%(高羊茅)、33.54%(黑麦),平均减少耗水量34.78%。所得参数可以为类似地区3种草坪草灌溉系统的规划设计和节水管理提供基础理论依据。

农业节水与经济社会环境可持续发展

水资源短缺将成为影响社会、经济、生态环境持续发展的重要制约因素.本文讨论了当前水资源短缺的现状.叙述了农业水资源短缺的相对性:时间/季节的相对性;空间/地域的相对性;时空变异性;社会、经济、人口的相对性.探讨了农业水资源利用与社会经济发展的关系:农业节水技术应用与经济效益的关系;农业与工业竞争的矛盾;生态环境对水资源的需要.讨论了农业水资源利用与环境的关系:地下水超采;土地盐碱化;水土资源流失;水体污染,等.相应地提出了一些对策.

黄土高原极端暴雨泥流中“泥球”的形成机理与致灾性研究

【目的】泥流是黄土高原泥石流的一种类型,具有突发性强、破坏性大的特点,开展泥流中“泥球”的形成机理与致灾性研究具有重要的意义。【方法】结合陕西省定边县2022年7月10日的极端暴雨洪水实地调查和相关文献资料,探讨了极端暴雨情况下泥流“泥球”的演化过程、影响因素、致灾性和防治措施。【结果】结果显示:泥流“泥球”的形成主要包括重力侵蚀(物质来源)、泥流形成(动力条件)和“泥球”输移与沉积(塑造形态)三个阶段,整个过程受到黄土高原地形地貌、土体特性和水文气象等三个方面的影响,且极端暴雨洪水是泥流“泥球”形成的触发条件。【结论】研究表明:泥流中“泥球”的出现加剧了流域的水土流失,增强了泥流的破坏性和致灾性。通过在泥流的物源区和输移区采取植物措施和工程措施等防治手段,能够有效的降低泥流发生频率,减轻泥流的致灾性。研究成果对于进一步加深黄土高原地区重力侵蚀、泥流等自然灾害的认识和开展具有针对性的水土流失防治具有重要意义。

将水土流失面积消长率作为水土保持目标责任制考核指标的研究

目前全国正在大力推动地方政府水土保持目标责任制考核工作,科学合理的考核指标对推动考核工作的顺利开展具有关键作用。为满足地方政府水土保持目标考核的需要,经过深入调查和广泛讨论,建议将"水土流失面积消长率"作为地方政府水土保持目标责任制考核指标。明确定义了水土流失面积消长率,对实际工作中计算水土流失面积消长率所涉及的关键参数,即特定区域、特定时段内的"水土流失治理面积"和"人为水土流失增加面积"进行了详细论述,对考核指标的灵活应用和具体量测进行了说明。

接坝区不同面积小流域泥沙来源分析

为明晰接坝区不同面积典型小流域的泥沙来源特征,选取水力侵蚀严重的小坝子乡流域和小坝子村流域作为研究区,分析泥沙源区和沉积区样品的粒径组成和30种指纹因子,通过Walling-Collings模型计算得到了不同源区的相对贡献率。结果表明:小坝子乡流域沉积泥沙来源于农田、林草地和侵蚀沟的比例分别为71.6%,15.9%,12.5%;小坝子村流域来源于退耕农田、草地、侵蚀沟的沉积泥沙比例分别为44.4%,21.4%,34.2%;不同源区的泥沙面积比显著不同,在小坝子乡流域,林草地最低,为0.18,农田最高,达11.07,侵蚀沟介于两者之间,为5.87,在小坝子村流域,泥沙面积比由小到大依次为:草地0.43,退耕农田1.07,侵蚀沟3.96;小坝子乡流域水土流失治理重点应集中在农田和侵蚀沟上。

基于图论与层次分析法耦合的荆江水系连通性评价

近年来长江荆江河段冲刷下切严重,导致荆江三口分流入洞庭湖的水量急剧减少,使得长江与洞庭湖的江湖关系发生了变化。为了分析荆江水系连通性变化过程,首先根据研究区域的水系结构形态建立河网图模型;然后将河道(湖库)连通性综合评价函数值作为河网图模型中连通通道边的权重,构建加权邻接矩阵和畅通度矩阵;最后利用Matlab等工具计算整个水系的连通度。研究结果表明,1955—2015年荆江水系连通性整体上有增加的趋势;荆江干流河道的连通性函数值在1972年前变化不大,1972年后呈增加的趋势;而三口通道和洞庭湖的连通性函数值在2003年前逐渐减小,2003年后呈增加趋势。另外,从河道冲刷、分流分沙、湖泊萎缩等角度分析了连通性变化的主要原因,并从加强水库群优化调度、开展河道整治、实施湖泊治理等角度给出了荆江水系连通性的治理建议。

美国土壤侵蚀的调查体系和演变特征

土壤侵蚀在全球尺度对人类赖以生存的水土资源造成严重的威胁,全球、区域和国家尺度的土壤侵蚀调查评估是解决这一全球资源与环境问题的重要基础。笔者主要梳理美国土壤侵蚀调查的发展历程和不同发展阶段的主要特点、介绍美国水土保持需求调查(CNI)的建立背景和基本构架,重点分析目前一直沿用的美国国家资源调查(NRI)的系统设计、模型方法、采样方法、数据构成和发布体系。另外,该研究依据相对完备的NRI的土地利用统计和土壤侵蚀调查成果,分析近35 a美国土壤侵蚀调查涉及的主要土地利用类型的构成特点,不同土地利用类型及不同区域的土壤侵蚀状况和演变特征。美国的土壤侵蚀调查发展分为起步阶段、CNI阶段和NRI阶段3个明显时期,从1977年沿用至今的NRI系统是以抽样调查和统计分析为基础,从土壤侵蚀调查发展而来的自然资源综合调查,其中土壤侵蚀调查涉及农田、人工草地和美国土地休耕保护计划(CRP)土地3种地类。根据最新NRI报告的数据分析表明:1982—2017年农田的总面积总体减少2.7%,人工草地变化不大,CRP土地从1986年开始实施以后,总体趋势为先增后减。1982—2017年,在国家尺度上,美国水力和风力侵蚀量都呈减小趋势,减小幅度分别为39.96%和44.71%,期间,2007—2017年水力侵蚀有小幅反弹。在区域尺度上,6大区域水力和风力侵蚀都显著减小到稳定水平,各区减少的程度不同,但总体格局基本不变。对于侵蚀涉及的3种土地利用类型,在35 a尺度总体显著减少的基础上,人工草地和CRP土地的风力侵蚀速率自2002年以来有显著持续的增加。本研究的相关结果可为我国区域和国家尺度土壤侵蚀调查体系建立提供经验、参考与借鉴,此外,美国近35 a的土壤侵蚀调查体系演变规律可为我国土壤侵蚀科学研究和制定可持续的水土保持发展规划提供参考。