典型岩溶山坡土壤剖面水分对降雨响应过程研究

为揭示岩溶石山山坡降雨入渗补给机制，选取典型岩溶石山山坡土壤剖面为研究对象，于2015年7-10月期间对不同深度土壤水分进行高分辨率连续监测，研究典型场雨条件下土壤剖面水分对降雨的响应过程，分析土壤剖面水分的动态变化规律及其可能影响因素。研究结果表明：土壤剖面水分对降雨的响应受前期土壤含水量、降雨量、降雨强度的影响，还与土壤所处的地形地貌有关；表层土壤水分对首次次降雨响应的滞后时间与前期土壤含水量有关，响应时间在0．5～4．75h之间，旱季响应时间比雨季长；降雨阈值是引起土壤水分降雨响应的重要条件，旱季6mm降雨量是土壤水分响应的降雨阈值。当降雨量补充土壤水分亏缺后，土壤剖面水分对降雨响应迅速，响应时间最小为0．25h，不同深度土壤水分对降雨的响应时间一致，说明下层土壤水分可能受到优先流或侧向径流补给影响。土壤含水量的变化幅度随土层深度的增加而减小，不同深度土壤水分变化主要受土壤-大气界面、土壤-植被、土壤-基岩界面控制下的气候条件、植被蒸散发和介质渗透性差异影响。

广西猫儿山毛竹林不同层次土壤含水量的降雨响应

以漓江上游猫儿山典型森林植被毛竹林(Phyllostachys pubescens)为研究对象,对其0—20,20—50,50—80cm共3个层次的土壤体积含水量进行了定位监测,分析了各层次土壤含水量的降雨响应。结果表明:(1)3个层次土壤含水量差异显著(p<0.01),年均值分别为39.49%,41.17%,44.15%,表层0—20cm土壤含水量最少,20—50cm增加,50—80cm最高。降雨与3个层次土壤含水量都呈极显著相关性。(2)从小雨到暴雨,土壤含水量对降雨的响应都可以分为平台期、上升期、峰值期和退水期;各层次土壤含水量对降雨的响应是比较复杂的。(3)在上升期,表层0—20cm土壤含水量增加最快;退水期,50—80cm土壤最快,这与前期土壤含水量及降雨强度有关系。该研究为揭示漓江上游森林植被对降水径流的调节作用,客观评估漓江上游水资源潜力,加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。

猫儿山荷木林不同层次土壤含水量的降雨响应

以漓江上游猫儿山林区典型荷木林(Schima superba)为研究对象,对0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm等4个层次的土壤进行土壤含水量定位监测,分析各层次土壤含水量的降雨响应。结果表明:(1)0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4个层次土壤土壤含水量差异显著,年均值分别为:50.66%,41.71%,47.23%,34.92%,垂直变化复杂,降雨与各层次土壤含水量呈极显著正相关;(2)4个层次土壤含水量上升拐点出现的时间依次滞后,随着深度的增加,土壤含水量对降雨的响应变慢;(3)在前期土壤含水量较低的情况下,土壤含水量都会出现一个"平台"期,然后迅速升高,达到最高值;(4)深层土壤对降雨的响应与产生饱和界面,地下水位抬高有关;(5)在大雨和暴雨条件下,60—80 cm深层土壤由于初始含水量低,随降雨增速很快;降雨结束后,该层次的土壤含水量下降最快。为揭示漓江上游森林植被对降水径流的调节作用,客观评估漓江上游水资源潜力、加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。

广西喀斯特地区耕作对土壤水分及降雨响应机制的影响

为揭示耕作方式对土壤特性及土壤水分的降雨响应过程的影响,以广西喀斯特地区粉垄耕作和免耕甘蔗种植地为研究对象,利用田间定位监测系统对0~10、10~30、30~50 cm土壤含水量及降雨量进行连续观测,并对土壤的基本理化性质进行测定。结果表明:①粉垄耕作的土壤总孔隙度增加,容重降低。在0~10、10~30、30~50 cm土壤有机质含量分别增加35.4%、69.7%、46.2%,差异显著(P<0.05)。②两种处理土壤水分对降雨的响应程度均呈现随土壤深度增加而降低的趋势。在中雨事件下,免耕仅在0~10 cm层土壤水分对降雨有较为明显的响应。在大雨和暴雨下,免耕10~30 cm层对降雨的响应时间分别滞后于粉垄耕作9 h和3 h,30~50 cm层分别为2 h和5 h。粉垄耕作的土壤含水量与降雨表现出明显的同步性,对降雨有着极为显著的响应过程。③土壤含水量变异系数整体上呈现随土壤深度先变大,后减小的趋势。在中雨、大雨和暴雨事件发生前,粉垄耕作30~50 cm的土壤平均含水量均低于免耕,而降雨发生后30~50 cm层土壤含水量及变异系数均大于免耕,表明在降雨发生后粉垄耕作的深层土壤水分能够得到及时有效的补充。综上,粉垄耕作改善了土壤环境,显著提升表层土壤的含水量及各层次土壤水分对降雨的响应程度,从而使各层次土壤水分在降雨发生时得以快速有效补充。

岩溶地下水位对降雨响应的时空变异特征及成因探讨——以广西桂林甑皮岩为例

岩溶地下水位对降雨响应具有时空变异性,甑皮岩遗址地下水动力系统结构的认识存在分歧。利用高分辨率降雨水位数据,将研究区分割为不同含水体,通过水位动态、相关分析、滑动窗口采样相关分析等方法,探讨岩溶地下水对降雨响应时空变异特征及成因。结果表明,岩溶强发育、扩散流导水的含水体水位对降雨的响应表现为缓升缓降,水位自相关性强;发育岩溶管道的含水体水位表现为陡升陡降,水位自相关系数衰减速率快,对降雨响应的滞后时间短,互相关函数图呈多峰型;岩溶发育的极不均匀性是造成空间响应差异的主要原因。雨季地下水位对降雨响应的滞后时间远小于枯季;雨季累积降雨量大、水位埋深浅、包气带长期处于饱和或者近饱和状态,降雨垂直入渗补给历时短;雨季暴雨频繁导致含水体地下水短期内形成较大水力梯度,径流补给速度加快。综合分析认为,甑皮岩遗址地下水动力系统由NE向岩溶管道、NS向管道-裂隙以及NE向强径流带3个子径流系统组成。

基于坡表变形分析与降雨响应模拟的立节北山滑坡运动特征

速度倒数法(INV)是基于坡表变形特征的滑坡启滑预测工具,其与滑坡内部多物理场演化的关系仍需进一步明晰。开展了甘肃省舟曲县立节北山滑坡的勘察与坡表变形监测,采用基于速度倒数法、速度阈值法、以非饱和土理论为基础的边坡降雨响应模拟3种方法,对该滑坡的运动特征与失稳的内在机制展开了研究。研究结果表明:边坡变形速度倒数-时间曲线有明显的加速起始点。速度倒数在2021年6月3日达到最低值后,进入约60 d的平稳期,在9月20日突然加速,并在20 d内速度达到200 mm/d以上,变形不再收敛。基于速度倒数法得到的滑坡生命周期结束点,与实际的失稳点相差8 d,提前约130 d对该突发性滑坡进行了预报。根据全过程速度时程曲线,存在20,60,100 mm/d的多级速度阈值。边坡应力场、变形场、渗流场的数值模拟结果显示,变形时程曲线的拐点与降雨强度的增加相关,累计降雨量与安全系数呈指数负相关。数值模拟得到的累计变形为2250 mm,变形速度为10~35 mm/d,速度倒数为0.03~0.12 d/mm,与实际监测数据接近。综上所述,速度倒数法对立节北山滑坡的生命周期进行了有效预测,基于速度的预警阈值受长时序变形时程曲线波动的影响,采用以非饱和土理论为基础的数值模拟明晰了立节北山滑坡变形对降雨的响应机制。

六盘山半湿润区华北落叶松林土壤含水量的降雨响应

【目的】研究土壤含水量对不同量级降雨的响应,探讨区域重要人工林树种不同土层土壤含水量与降雨动态变化关系,以加深区域森林生态系统和林地产流的关系理解。【方法】2017年5-10月,同步观测宁夏六盘山半湿润区华北落叶松林根系分布层(0~80 cm)土壤含水量和林外降雨量,比较不同土层土壤含水量对降雨的响应过程。【结果】①2017年华北落叶松生长季降雨主要集中在6月和8月,土壤含水量均值以20~40 cm土层最高,0~10 cm土层最低。生长季内不同月份土壤含水量垂直变化明显;②表层(0~10 cm)土壤含水量与降雨量变化趋势同步,但随着土层深度的增加,土壤含水量与降雨的同步性逐渐减弱。随雨强增加,各层土壤含水量对降雨的响应逐渐明显;③土壤前期含水量高低对不同土层含水量的降雨响应早晚有重要影响。【结论】华北落叶松林下土壤含水量垂直变化对不同量级降雨响应差异明显。

黄土丘陵区两个典型成熟森林群落土壤水分时空变化特征及对降雨事件的响应

[目的]探究黄土丘陵区刺槐人工林和辽东栎天然次生林土壤水分的时空变化特征及其对降雨事件的响应机制,揭示该区域两个典型森林群落的土壤水分特征及其差异性,为该地区森林植被建设与管理提供科学依据。[方法]以黄土丘陵区两个典型树种的成熟森林群落为研究对象,通过对试验地0—300 cm范围土壤含水量10年间(2009—2019)的监测,并结合同期降水量变化,分析这两种森林群落土壤水分的时空变化规律及对降雨的响应。[结果](1)2019年生长季末两森林群落0—100 cm和0—300 cm平均土壤含水量均高于2009年平均值,在0—100 cm范围内两群落均达到显著差异,且2019年辽东栎林平均土壤含水量显著高于刺槐林;在0—300 cm范围的平均值仅辽东栎林达到显著差异。(2)两森林群落土壤水分的空间分布均在0—200 cm土层内呈现较为明显波动;在2—300 cm土层辽东栎林土壤水分在时间和空间上的稳定性均高于刺槐林。(3)两森林群落土壤水分的月际动态趋势基本一致,与降雨量月际动态大致同步,但辽东栎林土壤含水量始终高于刺槐林。(4)在年际尺度上,两森林群落生长季末土壤含水量均与当年降雨量呈显著正相关,随降雨量的增大,辽东栎林在抵消蒸散耗水的同时对土壤水分的补充作用大于刺槐林。两森林群落土壤储水量增量与次降雨量均呈现极显著的指数增长关系,次降雨量较小时(小于22 mm)刺槐林土壤水分的补充作用大于辽东栎林,而次降雨量较大时(大于22 mm)则辽东栎林更有利于土壤水分的补充。[结论]两种森林群落土壤水分的时空变化特征存在显著差异,尤其是在深层土壤。与刺槐林相比,辽东栎林土壤水分对年际降雨的响应更为明显,而两森林群落土壤储水量对单次降雨事件响应的差异取决于次降雨量。

基于SWMM模型的成都市降雨-径流响应研究

随着大型都市城市化进程的不断深入,城市内涝的情形也日益频繁,解析城市降雨-径流响应规律是进行城市雨洪管理的重要手段。文章以成都市二环路以内区域为主要研究对象,利用SWMM模型,通过构建成都市雨洪模型,模拟多种重现期条件下的降雨径流过程。结果表明,同一透水率的子汇水区在不同空间分布下的径流系数和峰现时间未见明显差异,而峰值系数则表现出差异性和随机性。在同一设计降雨条件下,透水率的减小使得径流系数逐渐增加,峰现时间逐渐减少,部分研究结果可为成都市城市防洪提供参考。

黑土区坡耕地土壤水分时空分布特征及对降雨的响应

为了揭示坡耕地不同土层、不同点位的土壤水分时空分布特征及其对大气降雨的响应,以典型黑土区坡耕地为研究对象,利用原位监测法,获取玉米生长期内坡上、西线坡中及坡下、东线坡中及坡下5个点位0~100 cm土壤含水量与大气降水数据,探究降雨后田块尺度内不同坡位的降雨响应特征。结果表明,坡耕地土壤水分分布不均。水平分布上,西线坡下位剖面平均土壤含水量最高(34.63%),而坡上位最低(30.00%),且坡上位剖面平均土壤水分变异系数最大(20.38%);垂直分布上,随土层加深土壤含水量上升,变异系数降低。受季节性干旱与玉米生长影响,监测期内田间土壤蓄水量呈下降趋势,不同点位之间、干旱前期与后期土壤蓄水量响应特征存在差异,干旱后期土壤蓄水量对降雨响应更强烈。10 cm土层土壤含水量变化趋势与降雨量一致,响应时间最早,随着土层加深,响应时间出现滞后。土壤水分对降雨的响应受优势流影响,即土壤侧向流动补给以及玉米根系形成的大孔隙迅速下渗。不同点位土壤水分对降雨响应存在差异,坡上位由于处于坡顶且坡度大,对降雨响应不显著;西线坡中位由于降雨侵蚀引起土壤物理性质改变,对降雨响应强烈;坡下位受坡上水分补给影响,水分消退速度较慢。

火后泥石流启动降雨阈值分析——以四川乡城县仁额拥沟泥石流为例

2014年6月1日,中国西南中横断山区仁额拥沟遭受了一次森林大火,火后的短时低雨强降雨在3#支沟内激发了3次泥石流;2015年8月的一次强降雨在仁额拥沟的1#、2#和3#支沟及其他附近的多个更小的流域内均激发了泥石流。为了解火后泥石流的降雨响应特征,文章采用距离修正的方式处理降雨数据,对4次泥石流进行降雨过程分析,查明了流域特征对泥石流启动的作用及其对各支沟泥石流不同降雨阈值的影响。研究发现:(1)泥石流降雨阈值在火后非常低且有随时间推移而增大的趋势;(2)仁额拥沟火后泥石流具有高频率特征,其原因除了在火后天然植被的破坏后降雨对坡面径流和侵蚀效应的放大,流域本身的性质也有极大的贡献;(3)各支沟内泥石流降雨阈值差异的主要原因在于流域面积的差异,泥石流侵蚀受制于径流量大小。

降雨微分响应修正在港口湾水库洪水预报中的适用性分析

港口湾水库位于长江南岸一级支流水阳江上游支流西津河上,对水阳江流域防洪起着重要作用。降雨微分响应修正是基于系统和微分角度的模型误差修正方法,将该方法应用于港口湾水库流域,对该流域23场历史洪水分别进行雨量单站微分响应与流域平均微分响应2种模式的修正计算。计算结果表明,2种模式的降雨微分响应修正方法在不损失预见期的情况下均能够有效地提高港口湾水库洪水预报的精度,值得进一步研究与推广。

晋西黄土区雨养果园土壤水分动态及对降雨的响应

通过对晋西黄土区雨养苹果园土壤水分进行连续定位观测，研究土壤水分的动态规律及其对降雨的响应。结果表明：春季土壤含水率变化幅度不大，CV在0．02～0．27范围内波动；雨季降雨增多，0—170cm土层CV均大于0．2；冬季土壤表层蒸发强烈，0—60cm土层CV均大于0．1，而60cm以下土壤水分能够继续向下运移，180—190cm土层CV为0．11。2011年苹果园土壤水分亏缺度为30．89％～58．68％，补偿度为3．88％～57．37％，降雨能够补充0—70cm土层的土壤亏缺量，但是深层土壤一直处于亏缺状态，需要科学合理的管理措施防治山地雨养果园的缺水问题。果园0—10cm的土壤含水率对降雨的响应极其明显，能够有效反映出土壤水分对降雨的响应特征，随着土壤深度的增加，土壤含水率对降雨的响应逐层滞后并且减弱。

晋西黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应

为了研究黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应,以晋西黄土区人工刺槐林地、人工侧柏林地、人工刺槐侧柏混交林地为研究对象,利用EnviroSMART土壤水分定位监测系统和翻斗式雨量计对其2014年3月1日—2015年3月31日0—200cm土层的土壤含水量和降雨量进行了连续观测。观测结果表明:(1)人工侧柏林地0—200cm土层蓄水量为496.67mm,刺槐侧柏混交林地为349.88mm,人工刺槐林地为307.48mm。人工刺槐林地较人工侧柏林地和混交林地多消耗189.19mm和42.40mm土壤水分,且多消耗的水分主要来源于深层土壤,这可能导致人工刺槐林地深层土壤"干化"。(2)3种林地0—200cm土层土壤水分的年内变化可以划分为土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分积累期(6—8月)、土壤水分消退期(9—11月)、土壤水分稳定期(12月至翌年2月)。在土壤水分消耗期、积累期和消退期,3种林地土壤水分变化量存在显著差异。(3)在小雨、中雨、暴雨3种降雨条件下,人工侧柏林地对降雨的响应深度最深,人工刺槐林地最浅;对于同一林地而言,降雨的响应深度随降雨量的增加而增加;土壤含水量对单场降雨的响应程度随土层深度的增加而减弱。

含有球状微塑料的黄绵土在各降雨条件下的盐分运移规律研究

为研究不同粒径和含量球状微塑料的黄绵土在不同降雨条件下的盐分运移变化规律,利用室内一维土柱模型开展垂直入渗试验,得到不同降雨条件下的各含量和粒径微塑料的土柱入渗电导率随时间变化散点图。研究结果表明:在黄绵土中低含量微塑料显著促进NaCl溶液的入渗,高含量微塑料阻滞NaCl溶液的入渗,而降雨条件会改变微塑料临界含量;在黄绵土中稍小粒径微塑料显著促进NaCl溶液入渗,稍大粒径微塑料阻滞NaCl溶液的入渗;低含量和小粒径微塑料对降雨响应更灵敏。

猫儿山杉木林土壤含水量对降雨的响应

以漓江上游猫儿山典型植被杉木林为研究对象,对其0-20cm、20-50cm、50-80cm 3个层次的土壤进行土壤含水量定位监测,分析各层次土壤含水量在不同降雨条件下的响应。结果表明,(1)从小雨、中雨、大雨到暴雨,由于土壤水的侧向补给作用,20-50cm土层含水量平均值大于0-20cm和50-80cm土层;(2)从小雨、中雨、大雨到暴雨,土壤含水量对降雨的响应均可以分为平台期、上升期、峰值期和退水期,但有时平台期不明显;(3)各层次土壤含水量对降雨的响应根据降雨等级发生变化。降雨后,20-50cm土层含水量上升快,且下降迅速,而且0-20cm和50-80cm土层含水量上升和下降都略缓。本研究为揭示漓江上游森林植被对降水径流的调节作用,客观评估漓江上游水资源潜力、加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。

不同类型表层岩溶泉水源划分及对降雨的响应

表层岩溶泉的水文水化学特征是认识岩溶含水介质结构的重要手段。基于泉域水文地质调查,2018年对广西环江木连小流域内降水和泉水流量及电导率进行监测,利用端元模型与电导率频率分布分析方法,解析表层岩溶泉径流来源及对降雨的响应特征。结果表明:(1)年尺度上,受驱替作用排泄的水流分别占季节泉、常流泉总径流的32.3%和23%;(2)次降雨过程季节泉和常流泉径流均以驱替含水层中未联通的“旧水”为主,强降雨条件下存在的雨水稀释现象仅约占3.6%;(3)季节泉在次降雨过程中受多重水流补给且对降雨响应敏感,其中管道流和壤中流分别占23%、34.2%,以基质或岩溶裂隙释放的重力水流仅占10.5%,导致持续供水能力较差;(4)常流泉补给来源单一,次降雨过程中主要受到以基质或岩溶裂隙排泄的重力水补给(77%),具有较高的有效涵养地下水资源功能及供水可持续性能力。

自相似河网的降雨-径流响应——一种函数递归迭代算法

提出一种函数递归迭代算法,应用于具有分形特征河流的降水-径流响应计算,对2种严格的自相似河网分别导出递归方程;采用这种函数递归迭代算法,用在中国东北辽河小流域上测量的降雨-径流2组数据,分析森林对大流域径流的影响,结果表明,森林对小流域的有利影响在大流域中不仅保持,而且还得到进一步加强。

科尔沁沙丘—草甸相间地区不同地貌类型地下水位对降雨的响应研究

通过对科尔沁沙地典型沙丘—草甸相间地区天然降雨和地下水位数据的联合观测,研究了科尔沁沙地七种地貌类型下地下水位对不同等级降雨的响应关系,对比分析了同一次降雨对不同地貌类型区地下水位的影响和同一地貌类型区地下水位对不同降雨事件的响应。结果表明:(1)降雨量<13 mm和4 mm的降雨事件对流动、半固定沙丘和固定沙丘、沙丘林地的地下水位没有影响。(2)大雨量事件发生后,沙丘地区地下水位会有一段时间的下降期,但在此期间当降雨强度达到某一临界值时地下水位会发生突变。(3)在一些较小级别的降雨过程中,草甸区地下水位在快速上升期的水位升幅会大于一些较大量级的降雨。(4)耕地对干旱区草甸地下水的补给和附存有明显的不利影响。研究结果对该地区生态环境的保护具有一定的指导意义。

黄土丘陵区深层干化土壤对降雨入渗的响应

在陕北米脂试验站设置了野外10 m地下大型土柱,分别利用BLJW-4小型综合气象观测站、CS650-CR1000自动监测系统对降雨状况和土壤水分状况进行长期连续定位观测,分析黄土丘陵区深层干化土壤对降雨入渗的响应。结果表明:(1)黄土丘陵区降雨可以划分为3种类型:快速蒸发型降雨(P≤13 mm)、缓慢蒸发型降雨(13 mm<P<26 mm)、入渗主导型降雨(P≥26 mm)。其中快速蒸发型降雨、缓慢蒸发型降雨在裸露地表情况下仅能引发浅层土壤的降雨入渗响应(Zrapid≤30 cm,30 cm<Zslow<60 cm),不能对深层干化土壤形成有效的水分补给;而入渗主导型降雨则能够引发深层干化土壤的降雨入渗响应(Zinfiltration≥60 cm),能够促进干化土壤得到水分修复。(2)0~90 cm土层为降雨入渗、蒸发循环层,该深度范围土壤受降雨、蒸发作用影响强烈,土壤水分呈现频繁增、减波动;90 cm以下土层为降雨入渗主导层,该深度范围内土壤不再受蒸发作用影响,土壤水分呈增加趋势。(3)入渗主导型降雨年最大入渗深度在140~160 cm,雨后上层土壤水在蒸发作用下69~435 h恢复至雨前水平。裸露地表状况下,多年累积降雨能够促进深层干化土壤产生入渗响应,2014—2019年干化土壤对于自然降雨的入渗响应深度依次为180、220、400、700、900 cm及>1000 cm。