集中水流冲刷条件下浅沟径流流速特征研究

在室内不同坡度和径流流量条件下,用电解质示踪法和染色剂示踪法进行浅沟径流流速测量的对比研究。用采自北京的粉壤土在室内试验模拟浅沟侵蚀,测量并计算浅沟径流流速。在坡度5°、10°、20°,流量64、128、256 L/min条件下,进行浅沟水流流速的测定试验。测量结果表明,浅沟径流流速随坡长增加略有减小,随流量和坡度增大而增大。电解质示踪法测量得到的流速在0.55～1.60 m/s之间,而染色剂示踪法测量得到的流速为0.71～1.45 m/s,染色剂示踪法测量得到的流速略小于电解质示踪法测量结果。考虑到浅沟水流对示踪剂稀释及紊流对水流的扰动造成的视觉影响,电解质示踪法测量的流速具有其合理性。

脉冲边界模型测量冻土坡面径流流速与距离优选

在室内不同坡度和流量条件下,用电解质脉冲边界模型以及染色剂示踪法进行冻土坡面和未冻土壤坡面径流流速测量的对比研究。采用长3.8 m、宽0.2 m和深0.08 m的试验土槽,用新疆阿克苏温宿县科其喀尔冰川流域草甸土,装土容重为1.0 g/cm^3、厚度5 cm,将土样饱和后冻结,制备用于试验的冻土坡面。为提高试验效率,采用在砂纸上粘贴土壤颗粒的方法模拟未冻土壤坡面。在坡度5°、10°和15°,流量12、24和48 L/min条件下,采用电解质脉冲边界模型方法和染色剂示踪方法测量冻土和未冻土壤坡面径流流速,并确定电解质脉冲边界模型方法的最优测量距离。结果表明：电解质脉冲边界模型测量流速随着测量距离增加呈指数增加,并逐渐趋于恒定。通过流速随沟长的变化关系,计算得到冻土坡面条件下,电解质脉冲边界模型测量流速与实际流速相差5%和10%,所需测量距离分别为1.7～2.7 m以及1.4～2.1 m。电解质脉冲边界模型法测得的冻土坡面径流流速随坡度、流量增大而增大,为0.45～0.98 m/s,是未冻土壤坡面径流流速的1.43倍。冻土坡面染色剂示踪法测得的流速较电解质脉冲边界模型测得的流速大3%～20%;未冻土壤坡面染色剂示踪法测得的流速较电解质脉冲边界模型测得的流速大6%～35%。

土壤点源入渗自动测量系统监测滴头下土壤湿润过程

土壤水运动过程是滴灌系统设计和运行管理的重要内容。该研究采用点源土壤入渗自动测量系统,利用计算机可控数码相机和图像识别技术测量滴灌地表湿润面积和土壤湿润体随时间的变化过程。采用正三棱形有机玻璃土箱,设计一系列点源滴灌室内试验,获得点源滴灌入渗过程随时间的变化过程。试验采用3个流量：2、4及8 L/h处理,每个处理设置了3个重复。用数码相机每4 min拍摄一次地表湿润面积,用于计算地表湿润面积随时间的变化过程。同时,在1、2、3、4、6、8、10、12、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180 min时刻,在贴在土箱侧面的透明胶片上,手工记录地表湿润面积和垂直湿润锋面随时间的变化过程。由测量系统根据记录的地表湿润面积随时间的变化过程自动计算得到土壤的入渗过程。通过入渗过程,计算得到滴头下地表土壤的湿润面积,由计算得到的土壤入渗率和计算得到土壤的湿润剖面,将计算结果与实测结果对比,检验测量的精度。结果表明,手工测量得到的地表湿润面积都略大于由土壤入渗自动测量系统计算得到的入渗率计算的地表湿润面积。由计算得到的入渗率预测的土壤入渗深度,略大于实测土壤入渗深度。计算得到前者的相对误差为2%-15%,后者的相对误差为1%-8%。说明土壤入渗自动测量系统,能够准确描述点源滴灌地表湿润过程及土壤入渗过程,并能预测不同流量下垂直入渗深度,测量方法可以为滴灌系统的设计提供相关参数。

近红外传感器测量不同种类土壤含水率的适应性研究

采用我国不同土壤类型地区的5种土壤样品，利用自行设计的近红外传感器测量不同土壤含水率对应的反射光强。选取中心波长1940nm的近红外光为测量光，1800nm为参考光，将两波长的反射光强值换算为相对吸收深度。实测结果表明，随着土壤含水率的增加，相对吸收深度增加，两者间呈线性相关关系。选取独立样品对线性标定模型进行验证，除红土外，其他4种样品的均方根误差均小于6％。通过标定，所设计的传感器能够较好地测定不同土壤的含水率。

近红外土壤含水率传感器设计与试验

设计了一种适用于快速测量土壤含水率的近红外传感器。发光二极管(LED)作为传感器的光源,中心波长为1 940 nm的光为测量光,1 800 nm为参考光,土壤含水率对这2个波长的光有不同的吸收特性。光源发出的光照射到土壤表面,经反射后进入光电转换器,将光信号转换为电信号,送至两级放大电路、模数转换器(A/D)、显示和存储设备,输出的反射光强与土壤含水率存在一定的关系。仪器性能试验表明:光源传感器到土壤表面的距离对采集信号的强度有一定影响,根据传感器的结构,可以选择一定的距离使反射信号的强度和稳定性最好。两波长光的反射光强随着土壤粒径的增大而减小;土壤含水率与相对吸收深度之间具有很好的线性相关性,回归分析的决定系数为0.863。

不同示踪法测量砾石层中水流流速研究

采用室内试验,用平均粒径约2cm的砾石,在长4m、宽15cm、高50cm的水槽内堆积厚为5cm的砾石层,在坡度为4°、8°、12°和流量为3、6、12L/min条件下,距离电解质脉冲发生器0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m处放置探针,测量电导率变化过程,计算水流的最大流速、优势流速和平均流速,并用染色剂示踪法对比砾石层中水流的最大测量流速。结果表明,试验所用各工况,流量对流速的影响不显著,坡度增大,流速明显增大。试验条件下,水流的优势流速变化范围为0.031～0.070m/s,优势流速与最大流速的比值稳定,在0.81～0.83之间。平均流速与优势流速的比值随坡长的增加逐渐增大,增长的速率逐渐减小并趋于稳定。平均流速与最大流速的比值在0.68～0.78之间,并随距离的增加稍有增大。

生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果

在再生水补给型河道开展水生态修复并监测分析其效果,有助于提升再生水补给河道的生态健康水平。在北京市萧太后河老河道开展全营养级生态修复并进行为期1年的监测,通过生物群落结构、生物多样性指数、水质分析水生态系统变化。结果表明,虽然试验区经历了水质恶化、水量剧减的双重冲击,但河道水生态、水质仍表现出明显改善。生态修复实施后浮游动物、底栖动物、鱼类、鸟类的物种丰富度分别上升为修复前的6、2、3、2倍。浮游动物、底栖动物、鱼类优势种数量均明显增加,且表现出耐污型向健康指示型的变化。底栖动物、鱼类、鸟类的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数均有上升;鸟类的优势种表现出季节性变化且已出现猛禽。项目区内总磷浓度平均比项目区外低35%,氨氮浓度平均低31%,总氮浓度平均低30%。综合来看,结构完整的水生态系统具有抵抗外界水质、水量冲击的韧性,且能够起到良好的水质改善效果。各生物群落的多样性指数、群落结构均对水质变化有明显的反馈和指示作用,多个生物多样性指数的综合表征效果更全面、更客观。

城市河道无人机高光谱水质监测与应用

高光谱成像技术具有大范围、快速、动态监测等优势,提供了一种客观监测大面积水体污染状况的方法,是水环境监测体系发展的趋势。文章以广东省鹤山市沙坪河为研究区域,通过无人机高光谱成像遥感数据对城市河网的Chl-a、COD、TN、TP、NH_(4)^(+)-N等水质参数进行了定量反演研究,研究结果显示,沙坪河原始光谱主要表现为4种不同的光谱曲线特征,对于沙坪河河道而言,导数光谱具有更高的估算精度。选择拟合效果较好的一阶导数对应的线性拟合模型(R^(2)介于0.85~0.96之间)为沙坪河水质指标定量反演模型,拟合效果次序依次为TN>NH_(4)^(+)-N>Chl-a>COD>TP。各指标的反演误差绝对值介于1.01%~35.81%之间,认为一阶导数对应的线性拟合模型具有较好的反演精度。通过高光谱水质监测仪测量的区域性结果,可快速获取城市河道水质分布情况,对城市水体环境治理具有重要意义。

免耕对土壤微生物量碳影响的Meta分析

为综合分析免耕(NT)对土壤微生物碳含量的影响程度,以常规耕作(CT)为对照,收集国内外关于免耕对土壤微生物碳研究已公开发表的41篇文献的田间试验数据162组,采用Meta数据整合分析方法,定量分析中国不同区域、气候类型和试验年限下,免耕对于中国农田土壤微生物碳含量的影响。结果表明,与常规耕作相比,免耕能显著提高土壤微生物碳的含量,免耕-常规耕作(NT-CT)的加权均数差值(WMD)为49. 29 mg·kg^(-1);免耕对土壤中微生物碳含量的影响存在区域差异性,西南地区WMD最大,湿润区(年降雨量>800 mm)免耕对土壤微生物碳含量的正效应最显著;年均温度10～15℃和年均温度>15℃时,免耕土壤中微生物碳含量显著高于常规耕作,且随着温度的升高而增加;免耕年限能够显著影响土壤微生物碳含量,以长期免耕(免耕年限≥8 a)效果最佳。综上,免耕对土壤微生物碳的增加效应存在区域特征,以西南地区最高,随着区域水热条件、免耕年限的不同有所差异,免耕措施的采用应该根据区域特点因地制宜。本研究结果为免耕的区域性合理利用提供了参考依据。

黑麦草对黄土坡面降雨产流产沙过程的影响

为研究草地对土壤侵蚀过程的影响,选用黄绵土人工种植草地,采用室内模拟降雨试验研究黑麦草不同覆盖度(0、25%、50%和75%)对3种降雨强度(60、90和120 mm/h)坡面产流产沙过程的影响。结果表明:黑麦草覆盖可以显著减小侵蚀产沙。在坡面土壤预饱和的条件下,坡面产流、产沙与时间呈线性关系;累计产流量随降雨强度线性增加;同一降雨强度条件下,草地覆盖度对累计产流量影响不显著;草地坡面水流含沙量、输沙率、次降雨产沙量均随覆盖度增大而降低,随降雨强度增大而增加;3种降雨强度条件下,无黑麦草覆盖坡面水流含沙量差异不显著,次降雨产沙量和输沙率随着降雨强度的增加而增大。研究结果可为土壤侵蚀预报模型建立及水土保持措施的制定提供理论参考。

土壤含水率对近红外传感器标定模型的响应研究

为提高近红外传感器测量的准确度,进一步理解不同标定模型对土壤含水率测量精度的影响。利用土壤表面的近红外反射光强来预测土壤含水率,通过归一化处理将反射光强转化为相对吸收深度和相对反射率,采用2种标定方法,分别建立土壤含水率与相对吸收深度之间及土壤含水率与相对反射率之间的线性模型与非线性模型。选取我国东北地区的黑土进行标定,并用独立的试验数据对模型进行检验。结果表明,吸收深度法的线性和非线性模型的预测值和实测值符合度较好。反射率法的线性模型和非线性模型对土壤的含水率预测均方根误差(RMSE)分别为2.89%和2.95%,相对吸收深度法非线性模型的RMSE值明显大于其他3种模型,预测准确度最低。说明不同标定方法会影响土壤含水率的预测结果。4种模型的预测精度能够满足测量要求。