A physically-based integrated numerical model for flow,upland erosion,and contaminant transport in surface-subsurface systems

This paper presents a physically-based integrated hydrologic model that can simulate the rain-fall-induced 2D surface water flow, 3D variably saturated subsurface flow, upland soil erosion and transport, and contaminant transport in the surface-subsurface system of a watershed. The model couples surface and subsurface flows based on the assumption of continuity conditions of pressure head and exchange flux at the ground, considering infiltration and evapotranspiration. The upland rill/interrill soil erosion and transport are simulated using a non-equilibrium transport model. Contaminant transport in the integrated surface and subsurface domains is simulated using advection-diffusion equations with mass changes due to sediment sorption and desorption and exchanges between two domains due to infiltration, diffusion, and bed change. The model requires no special treatments at the interface of upland areas and streams and is suitable for wetland areas and agricultural watersheds with shallow streams.

降雨-径流过程中土壤表层磷迁移过程的模拟研究

以人工降雨的方法 ,对巢湖边旱作表层土壤在降雨后所产生的磷迁移过程进行了研究 .结果表明 :在两种雨强值 (70mm和 35mm) 90min内模拟的降雨过程中 ,供试的土壤产生两种径流模式 :表面径流和土壤内部壤中流 .降雨强度大 ,表面径流和壤中流始流时间早 ,水流量和浓度相应高 ,累积输出也多 .相同雨强下 ,农田作物的覆盖作用能促进壤中流 ,减缓表面流 ,但对始流时间的影响不大 .4种模拟土壤类型的表面径流累积输出的大小顺序为 :BN70 (降雨量 70mm ,盖度为 0 ) >BC70 (降雨量 70mm ,盖度为 80 % ) >BN35 (降雨量 35mm ,盖度为 0 ) >BC35 (降雨量 35mm ,盖度为 80 % ) ,壤中流的量序为 :YC70 >YN70 >YC35 >YN35 .裸露土壤的总磷浓度曲线呈波浪状递减 ,作物覆盖土壤则呈均匀缓慢的递减趋势 .土壤物理结构和作物特征对溶解性总磷的变化趋势起主导作用 .在中到大雨条件下 ,壤中累积输出的径流量都低于表面流 ,差幅决定于土壤表层界面特征 .表面径流中的磷迁移量是壤中流的 3—

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。

于桥水库周边农业小流域地表径流和亚表层流的磷素流失浓度特征

选择天津市重要饮用水水源地于桥水库周边2个农业小流域,连续5a进行了磷素流失的实验研究.结果表明,地表径流总磷浓度以果园为最高,浓度超过10mg.L-1;村庄次之;农田最低,浓度在3mg.L-1左右.降雨后亚表层流中磷浓度以果园为最高,且变幅最大,菜园次之,农田最低.在流域出口处,曹各庄流域地表径流总磷浓度达到10.07mg.L-1,而桃花寺流域为0.69mg.L-1.土地利用类型格局和迁移廊道性质是造成2个流域磷素浓度差异的主要原因:曹各庄流域中村庄和果园同水库较近的距离(约200m),以及道路型季节性河流增加了磷素迁移到受纳水体的风险;桃花寺流域中村庄和果园离受纳水体较远(约1500m),在迁移过程中磷素被小石坝、植被过滤带和干塘等"汇"型结构所持留,从而减少了向受纳水体迁移的风险.

复合潜流人工湿地处理城市地表径流研究

以武汉市桃花岛塘和复合潜流人工湿地组合生态处理系统为研究对象，考察了对城市地表径流的处理效果。结果表明，塘和复合潜流人工湿地组合生态系统可以有效净化城市地表径流，对各污染物的去除率：COD为84．0％～85．4％、TP为89．6％～91．8％、TN为92．2％～94．4％、SS为95．8％-97．1％，其中复合潜流人工湿地对COD、TP、TN、SS的去除率分别为69、0％～73．1％、82．6％～86．6％、89．0％～90．4％、64．7％～69．2％，除氮效果独特。在无雨期该生态系统可用于净化湖水，实现了削减污染和保持系统稳定的双重功能，同时还可补给养鱼塘用水。

砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程

紫色土中砾石分布广泛,地表常为砾石覆盖,砾石覆盖对土壤水文过程有着重要影响。试验小区(2 m×1 m)为坡度23°的坡耕地,试验降雨强度为(53.9±2.8)mm/h、(90.8±6.1)mm/h和(134.3±14.9)mm/h,砾石覆盖度为0%,11%,20%,33%和42%。通过原位人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下砾石覆盖对降雨入渗、地表产流及壤中流产流的影响。结果表明:砾石覆盖对入渗过程影响显著,稳定入渗速率及稳定入渗系数与砾石覆盖度呈正相关关系,3种降雨强度下,稳定入渗系数分别为47.70%～86.59%,30.61%～82.83%、17.76%～77.44%,42%砾石覆盖度小区的稳定入渗速率分别是裸露小区的1.95～4.94倍;地表砾石覆盖延迟地表产流、减少地表径流量,地表产流时间随着砾石覆盖度的提高呈增加趋势,地表径流速率及地表径流系数随砾石覆盖度的增加而降低,相对地表径流系数与地表砾石覆盖度呈指数负相关关系;地表砾石覆盖促进壤中流的发生、增加壤中流量,壤中流产流时间随着砾石覆盖度的增加逐渐缩短,壤中流径流速率及壤中流径流系数随地表砾石覆盖度的增加而提高,相对壤中流径流系数与地表砾石覆盖度呈指数正相关关系。

黄土高原吕二沟流域不同植被下的坡面径流特征

为研究不同植被下的坡面径流及其组分特征,选择黄土高原丘陵沟壑区第三副区典型小流域不同植被为研究对象,采用野外定位观测与室内试验相结合的方法,分析坡面上不同植被下的径流特征,以期为该区域的森林植被恢复与经营提供理论依据和技术支撑。结果表明:不同的林分由于其植被情况、土壤状况、根系等其他条件的不同,其对地表径流、壤中流等径流组分的影响有所差异,在相同的降雨条件下,4个不同植被类型的径流小区其产流量表现为灌木>混交>刺槐>油松,地表径流量也表现出相同的规律,表现为灌木>刺槐>油松>混交,而壤中流量则不同于上述两者,表现为混交>油松>灌木>刺槐。刺槐和灌木径流小区的坡面径流主要形式为地表径流,分别占总径流的95.61%和91.62%;混交径流小区的坡面径流主要形式为壤中流,占总径流的90.86%;而油松径流小区的坡面径流各组分所占比例较平均,地表径流和壤中流所占比例分别为61.99%和38.01%。降水是径流产流的最主要的来源,尤其是对于季节性降水明显的黄土高原地区,降雨量达到一定的阈值才会产生径流过程;降雨强度对地表径流和壤中流的影响有所差异;前期土壤含水量是影响坡面产流的一个非常重要的因素。

不同覆盖措施对鄂西土地整治区水土流失的影响

在土地整治区建立12°坡度径流小区，定量研究了自然降雨条件下前期地膜覆盖（前膜）、前期地膜后期秸秆覆盖（前膜后秸秆）、全生育期地膜覆盖（全膜）和裸露处理对土地整治区水土流失的影响。结果表明，前膜后秸秆处理2013年和2014年径流总量分别比前膜、全膜处理减少了61．10％和43．10％，37．32％和14．71％，径流泥沙损失量分别减少了82．71％和40．38％，67．13％和4．25％。前膜后秸秆处理2013年和2014年地表径流占总径流量62．04％和55．49％。全膜处理地表径流量和地表径流泥沙损失量分别占42．81％～43．98％和37．65％～44．65％。前膜、前膜后秸秆和裸露地表径流泥沙损失量占全部径流的55．00％～88．00％。与裸露相比，不同覆盖措施增加了0．25～1mm土粒的流失。总之，前膜后秸秆作为一种有效的覆盖措施能够减少土地整治区域水土流失。

城市地表径流人工湿地生态处理工程

以武汉市桃花岛塘和人工湿地组合生态处理系统为研究对象,探讨了该系统处理城市地表径流的初期调试运行,结果表明:塘和人工湿地组合生态系统可以有效的处理城市地表径流,该生态系统对各污染物的去除率分别为CODCr75.4%～79.1%、TP81.8%～84.3%、TN64.9%～69.8%、SS93.8%～94.7%;其中人工湿地对其进水中污染物CODCr、TP、TN、SS的去除率分别为60.7%～64.8%、73.4%～75.6%、43.2%～48.4%、60.3%～66.4%,污染去除负荷达到COD0.01kg/(m2d)。在无雨期该生态系统可以处理一部分城市生活污水,实现削减污染和保持系统稳定的双重功能。

降雨 - 地表径流 - 土壤溶质相互作用深度

在对国内外有关降雨－径流－土壤溶质相互作用深度研究成果综合分析的基础上，利用试验资料对各种模式进行比较分析。并根据黄土地区特点，提出了等效迁移深度概念，分析了等效迁移深度确定方法。

天目湖流域丘陵山区典型土地利用类型氮流失特征

天目湖丘陵山区农业综合开发持续推进,大量林地转变为茶园,迫切需要认识茶园扩张对流域氮流失的影响.本研究选取茶园、次生马尾松林和毛竹林开展自然降雨条件下的径流小区实验,分析天目湖丘陵山区典型用地类型径流氮流失规律,为评估丘陵山区综合开发的水环境影响提供实测参数.研究表明：茶园、次生马尾松林和毛竹林地表径流TN浓度分别为11.25、2.83和3.60 mg/L,均以溶解态为主;壤中流TN浓度分别为27.16、3.59和1.06 mg/L,茶园和次生马尾松林均以溶解性无机氮（尤其是硝态氮）为主,毛竹林以溶解性有机氮为主;茶园、次生马尾松林和毛竹林的小区尺度地表径流系数均不到0.03,壤中流是丘陵山区径流的主要来源;茶园开发加剧了丘陵山区的氮素流失,茶园径流TN流失强度高达103.08 kg/（hm2·a）,分别是次生马尾松林和毛竹林的7.6和23.2倍,壤中流贡献了流失总量的86.7％ ～ 99.7％.防治茶园径流氮流失需重点关注壤中流输出,在减量施肥的基础上,采取坡脚构建毛竹林生态缓冲带/在小流域出口布设塘坝等原位拦截措施,实现流域氮流失综合防控.

降雨中有机氯农药土壤-水界面迁移过程的实验模拟

以人工降雨实验模拟的方法,对有机氯农药在降雨过程中非点源污染的产生进行了研究.结果表明,在降雨过程中,表层径流中有机氯农药的输出量高于土壤渗流液.土壤径流中有机氯农药浓度的输出呈现先下降后平缓的趋势.土壤有机质影响着降雨过程中有机氯农药浓度的输出变化趋势.泥炭土径流中有机氯农药的输出量相对较高.有机氯农药残留总量沿土壤剖面的总体变化趋势为随深度增加而下降,其峰值出现在0—5 cm,反映了污染物的转移规律.泥炭土中有机氯农药的残留量最低.泥炭土、黄褐土和风沙土中有机氯农药含量的峰值均出现在第2次和第3次采样时间,但在30 d后有机氯农药的残留量仍较高,表明有机氯农药在土壤中残留时间长,可能存在着一定的生态风险.

应用DRAINMOD农田排水模型对地下水位和排水量的模拟

农田排水工程在防御涝渍灾害、促进农作物正常生长和改善田间耕作管理等方面起着积极的作用，合理的排水系统设计是保证排水系统正常运行、作物正常生长的关键。以水平衡理论为基础建立的DRAINMOD模型，可用于研究排水系统对作物生长和各水文要素的影响，适用于浅地下水位和较湿润地区。该文对模型的基本原理和参数输入要求进行了详细描述，采用加拿大安大略省南部Eugene F．Whelan试验站自由排水和控制排水—地下灌溉两种水位管理条件下，1992～1994年6～8月地下水埋深观测值、3年地表径流和地下排水水量观测值对模型进行了模拟验证。图形显示和统计参数指标分析表明，模拟值与观测值拟合较好，表明模犁具有良好的水文模拟性能，可用于预测地下水埋深、地表和地下排水量，是农田排水工程设计和水管理的有效工具。

耕作方式和土层厚度深度对紫色土胶体迁移的影响

【目的】研究不同的田间管理措施对不同粒径土壤胶体迁移的影响。【方法】通过微区试验,设置不同耕作措施(平作、垄作、平作+完整秸秆覆盖、垄作+完整秸秆覆盖、平作+粉碎秸秆覆盖、垄作+粉碎秸秆覆盖),并在平作条件下设置不同紫色土土层厚度(20、40、60、80、100、120 cm)处理,研究不同措施对地表径流和壤中流中产流量、不同粒径范围(0.45~2、0.22~0.45μm、<0.22μm)胶体出流浓度和流出量的影响。【结果】①秸秆还田覆盖处理能够显著减少地表径流的产流量,但是会增加壤中流的产流量,特别是完整秸秆还田覆盖;平作条件下,壤中流产流量会随着土壤深度的增加而减少。②垄作或垄作+秸秆覆盖处理与平作处理相比能够显著降低地表径流和壤中流中大粒径范围胶体的出流质量浓度和流出量,而且对壤中流中<0.22μm粒径的胶体出流质量浓度和流出量降低程度也比较显著。③小粒径的胶体容易随地表径流迁移,而壤中流中粒径较大的胶体更加容易迁移,小粒径胶体颗粒随着紫色土土层厚度的增加出流质量浓度和流出量都会减少。【结论】对于不同耕作措施而言,垄作+粉碎秸秆覆盖处理对于减少地表径流和壤中流产流量,以及减少地表径流和壤中流中胶体的流出质量浓度和流出量都比较显著。对于不同紫色土土层厚度处理而言,土层深度越深胶体流出量越少,而且小粒径胶体比大粒径胶体更难从壤中流中流出。

土壤中Cr(Ⅵ)的地表径流迁移试验研究

为了探讨农田土壤中重金属的地表径流污染,以含有吸附性溶质重铬酸钾Cr(Ⅵ)的土壤为试验材料,开展了室内模拟降雨试验,以研究土壤中Cr(Ⅵ)的地表径流迁移规律.通过对比分析不同试验条件下地表径流中溶解性溶质Cr(Ⅵ)的质量浓度变化过程,及其在地表径流和地下排水溶液中流失的质量速率过程后发现,溶解性溶质Cr(Ⅵ)流失到地表径流溶液中的质量浓度随时间以乘幂函数形式减小.当试验中地下排水条件越差、土壤初始体积含水率越大、地表最大积水深度越浅时,土壤溶质流失到地表径流中的溶解性Cr(Ⅵ)质量浓度越高,相应的土壤溶质流失到地表径流中的质量速率越大.当试验中同时有地下排水和地表径流产生时,土壤中溶解性Cr(Ⅵ)流失到地下排水中的质量速率远远大于地表径流,表明土壤中溶解性Cr(Ⅵ)大部分流失在地下排水中.

暴雨条件下不同林型对坡面径流过程的影响

为研究暴雨条件下不同林型对坡面径流及径流过程的影响,采用野外定位观测与室内试验相结合的方法,分析了北京山区典型小流域不同植被下坡面上的径流及其过程特征。结果表明,不同林型对地表径流、壤中流的影响存在差异。各径流小区产流时间和滞后时间有明显差异,其中灌木林产流时间明显早于乔木林,其滞后时间也明显小于其他3个乔木林径流小区。4种林型下的地表径流产流过程与降雨过程有明显的相似性,说明产流过程主要受降雨这个起源动力的影响,而不同林型则主要影响其发生、结束时间和产流量,而对整个产流过程曲线的影响不大。相对于降雨和地表径流,各径流小区的壤中流产流过程曲线表现均相对平缓,且产流开始时间和过程曲线明显滞后于降雨和地表径流的过程曲线,这主要因为土壤的缓冲作用所致。

土壤中氮磷流失试验研究

为了探讨农田土壤中氮磷对水环境的污染,开展室内模拟降雨试验,通过对比分析不同试验条件下氮磷在地表径流和地下排水溶液中的流失质量分数和流失速率,研究了土壤中氮磷的流失规律。结果表明,同时存在地表径流与地下排水时,地下排水流失的氮占氮流失总量的主要部分,而磷则主要通过地表径流途径流失。总体上来说,土壤中氮磷溶质从地下排水途径中流失比重大,故通过控制流失途径来减少流失时,需优先采取降低地下排水量的措施。当地下排水条件越差、地表最大积水深度越大时,氮磷的流失总量越少;土壤初始含水率越大,土壤中氮磷溶质在地表径流途径中的流失量越大。

壤中流研究进展与展望

壤中流是径流的重要组成部分,对流域径流调节、水源涵养、泥沙迁移、养分流失等都具有非常重要的作用,是水文学研究的难点和前沿科学问题。论文介绍了壤中流的概念、研究背景和重要性,对壤中流研究的国内外发展态势和热点研究内容进行了总结,同时分析了壤中流形成的影响因素,总结并讨论了径流小区实验法、地球物理法、模型模拟法、示踪剂方法的研究现状和优缺点,提出了目前壤中流研究中存在的问题,并对未来壤中流研究进行了展望。

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。

多级串联潜流人工湿地净化城市地面径流的试验研究

在室外露天试验场按不同水流方式设计和建造2组多级串联潜流人工湿地,通过中型试验测试其在不同运行方式下对西安市地面径流中COD、NH4+-N、TN、TP的净化效果。结果表明:2组人工湿地系统出水水质均达到GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准;在湿地净化过程中,填料起主要作用,可吸附40%～50%的污染物,植物和微生物的协同作用可将净化效果提高20%～30%;2种人工湿地系统HRT为36～48h,运行间隔时间为7～15d的运行效果最佳;改变水流方式的复合流人工湿地系统净化效果优于水平潜流人工湿地系统,净化效果高出5%左右。研究设计的2种人工湿地均可用于城市地面径流污染的控制和雨水利用。