模拟降雨条件下南方典型粘土坡面土壤侵蚀过程及其影响因素_霍云梅

基于KINEROS2模型的降雨和坡长因子对土壤侵蚀过程影响的研究安妙颖;韩玉国;吴玉恒;周玥;庞丹波;孙若修【期刊名称】《水土保持学报》【年(卷),期】2017(31)4【摘要】以不同坡长(1,5,10,15,20m)径流小区在不同降雨强度(25,50,75mm/h)下人工模拟降雨试验为基础,通过KINEROS2模型对坡面侵蚀过程及侵蚀量进行模拟,对比分析不同坡长、降雨强度及其交互作用对坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量的影响,并评价KINEROS2模型的模拟效果及适用性。

结果表明:坡长与总径流量呈一元线性关系(R2>0.990),与总侵蚀量呈幂函数关系(R2>0.900);降雨强度与总径流量、总侵蚀量之间呈倍数关系增加,且总侵蚀量的增率是总径流量增率的2~3倍;坡长与降雨强度之间存在交互作用,坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用与径流量、侵蚀量呈显著相关关系,并在坡面径流和侵蚀过程中表现为正效应。

坡面径流量主要受坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用三者综合影响。

坡面侵蚀量主要受坡长和降雨强度-坡长交互作用的影响极显著,受降雨强度的影响较显著。

KINEROS2模型对径流过程的模拟优于侵蚀过程,对总侵蚀量的模拟优于总径流量,说明KINEROS2模型更适于对径流过程及总侵蚀量的模拟。

从总体来看,KINEROS2模型对径流小区坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量模拟效果较好,说明KINEROS2模型在中国西北干旱半干旱地区小区尺度上有较好的适用性。

【总页数】7页(P25-31)【关键词】KINEROS2模型;坡长;降雨强度;径流侵蚀【作者】安妙颖;韩玉国;吴玉恒;周玥;庞丹波;孙若修【作者单位】北京林业大学水土保持学院水土保持国家林业局重点实验室;北京市水土保持工程技术研究中心【正文语种】中文【中图分类】S157.1【相关文献】1.不同DEM分辨率下的坡面土壤侵蚀模型的坡长因子提取对比研究 [J], 孔锋;王一飞;吕丽莉;闫绪娴2.降雨和地形因子对黑土坡面土壤侵蚀过程的影响 [J], 李桂芳;郑粉莉;卢嘉;安娟3.降雨对废弃尾矿坝坡面土壤侵蚀过程影响的模型试验研究 [J], 吴超君;陈娜;郝喆;滕达;王晓明4.内蒙古黄土丘陵区次降雨条件下坡面土壤侵蚀影响因子研究 [J], 金雁海;柴建华;朱智红5.土壤侵蚀研究中的坡长因子评价问题 [J], 孔亚平;张科利;曹龙熹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

黄土边坡坡面降雨冲刷破坏机制模拟试验王鲜;倪万魁;刘海松;武鹏;袁志辉【摘要】针对工程建设中黄土边坡的四种不同坡比,通过室内模拟降雨的边坡冲刷试验,再现了降雨对黄土边坡坡面冲刷侵蚀的全过程,分析了坡度对黄土边坡降雨冲刷时坡面径流量和冲蚀含泥量的变化规律,在此基础上,研究了强降雨条件下裸露黄土边坡坡面冲刷侵蚀破坏的机制,包括降雨冲击机制、吸水软化机制和面沟切割机制.【期刊名称】《中国地质灾害与防治学报》【年(卷),期】2015(026)003【总页数】5页(P41-45)【关键词】黄土边坡;降雨冲刷;破坏机制;模拟试验【作者】王鲜;倪万魁;刘海松;武鹏;袁志辉【作者单位】长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054;长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】P6420 引言黄土广泛分布于我国中西部，随着“西部大开发”战略的实施，黄土地区的工程建设活动迅速增多，在这些地区进行工程建设时，受其区域地形地貌的限制，不可避免地会遇到大量的黄土边坡问题［1］。

而在工程建设中出现的填挖边坡大都处于裸露、无防护状态，这些裸露的黄土边坡在降雨时极易造成坡面的冲刷侵蚀，随着降雨次数的增加，将会导致边坡局部破坏，甚至影响边坡的整体稳定性。

因此，对于这类边坡在降雨条件下的坡面侵蚀变化特征及其破坏机制的研究就显得尤为重要。

本文通过对同一降雨条件下的四种不同坡比黄土边坡的室内模拟降雨冲刷试验，分析了坡度对延安地区黄土边坡坡面降雨冲刷时冲蚀含泥量和坡面径流量的变化规律，在此基础上，研究黄土边坡的坡面冲刷侵蚀破坏机制，以期为该地区黄土边坡的坡面防护及施工设计提供参考。

1 室内模拟降雨冲刷试验1.1 试验用土性质本次试验用土取自延安新区填挖边坡建设场地，属于Q3黄土。

第22卷　第2期2024年4月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.22　No.2Apr.2024DOI :10.16843/j.sswc.2023020东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟李若凡1,谢　云1,2†,辛　艳3,杨静怡1,刘　刚2,蔺宏宏1(1.北京师范大学地理科学学部,100875,北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;3.中国水利水电科学研究院,100038,北京)摘要:土壤入渗与土壤侵蚀密切相关㊂研究黑土土壤入渗特征对于黑土土壤侵蚀预测与防护有重要作用㊂为探明不同侵蚀程度黑土的水分运移过程,采用室内土柱实验法观测并评价HYDRUS1D 模型在东北黑土区的适用性㊂其中,轻度侵蚀土壤表土层A 层厚度和淀积层B 层厚度分别为30和25cm,中度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为30和10cm,重度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为0和15cm㊂结果表明:轻㊁中㊁重3种不同侵蚀程度土壤的稳定入渗率分别为0.16㊁0.25和0.72cm /h,湿润锋运移速率为2.52㊁3.32和9.85cm/h㊂由于黑土黏重特性,HYDRUS 1D 模型在黑土区的适用性较低,轻㊁中度侵蚀土壤的稳定入渗率分别高估2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳定入渗率低估0.4倍,其中中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果相对较好,可为土壤水蚀过程模拟和水土流失治理提供基础依据㊂关键词:土壤入渗;土柱实验;HYDRUS 1D;黑土;土壤侵蚀程度中图分类号:S157.1文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2024)02⁃0017⁃08引用格式:李若凡,谢云,辛艳,等.东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟[J].中国水土保持科学,2024,22(2):17-24.LI Ruofan,XIE Yun,XIN Yan,et al.Soil infiltration characteristics and simulation of different eroded degrees in the black soil region of Northeast China[J].Science of Soil and Water Conservation,2024,22(2):17-24.收稿日期:20230215　修回日期:20230605项目名称:国家 十四五 重点研发计划项目课题 黑土农田侵蚀阻控原理及水土保持措施效应”(2021YFD1500705)第一作者简介:李若凡(1998 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持㊂E⁃mail:lrfzrdl@†通信作者简介:谢云(1964 ),女,博士,教授㊂主要研究方向:土地生产力,土壤侵蚀和气候影响评价㊂E⁃mail:xieyun@Soil infiltration characteristics and simulation of different erodeddegrees in the black soil region of Northeast ChinaLI Ruofan 1,XIE Yun 1,2,XIN Yan 3,YANG Jingyi 1,LIU Gang 2,LIN Honghong 1(1.Faculty of Geographic Sciences,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,100038,Beijing,China)Abstract :[Background ]The black soil area in Northeast China is an important grain producing area in China.The problem of soil degradation caused by soil erosion in the black soil area is becoming more and more obvious.It is of great significance to study the infiltration characteristics of black soil with differentdegrees of erosion to control slope soil erosion.The application of HYDRUS 1D model is more extensive,and it is mostly concentrated in the arid area of Northwest China.Whether the model can simulate the infiltration of black soil needs further study or not.[Methods ]The author collected black soil samples with slight,moderate and severe eroded degrees in the typical black soil area of Heshan Farm in Heilongjiang province,and determined the one⁃dimensional vertical infiltration process based on indoor中国水土保持科学2024年soil column experiments.The black soil with different eroded degrees was determined according to the thickness of the black soil layer(layer A)and the thickness of the deposited layer(layer B).The HYDRUS1D model was used to simulate soil infiltration.The simulation results were compared with the measured data,and the applicability of the model in the black soil area was evaluated by using Origin software.[Results]1)Firstly,the stable infiltration time of severe,moderate and slight eroded soil was 8,26and36h,respectively,and the infiltration rate was0.72,0.25and0.16cm/h,respectively.The higher the degree of erosion,the greater the cumulative infiltration amount of soil in the same infiltration duration.2)Secondly,in terms of the change characteristics of the wetting front with time,the soil with slight,moderate and severe eroded degrees has a slower infiltration rate to the lower layer,and the wetting front migration rate slows down accordingly,and the average speed of the wetting front migration of the soil with three erosion degrees is:2.52,3.32and9.85cm/h,respectively.3)Finally,there are some differences in the trend of soil moisture content with time in the infiltration process of the three soils.The saturated water content of soil decreases with the increase of erosion degree.The saturated water content of slight eroded soil is about4.9%higher than that of moderate eroded soil,and the saturated water content of specific severe eroded soil is about9.4%higher than that of moderate eroded soil.The saturated water content of each soil decreased with the deepening of soil layers.According to the erosion intensity from weak to strong,the saturated water content of the surface soil was7.8%, 8.0%and12.8%higher than that of the lowest layer,respectively.[Conclusions]The infiltration process simulated by HYDRUS1D underestimates the infiltration of soil with high sand content and overestimates the infiltration of soil with high clay content.The infiltration capacity of slight and moderate eroded soil was overestimated,while the infiltration capacity of severe eroded soil was underestimated. Among them,the fitting results of moderate eroded soil infiltration are better than those of the other two erosded soils.We can try to further modify the parameter values of residual water content and saturated water content,and optimize the fitting results.Keywords:soil infiltration;soil column experiment;HYDRUS1D;black soil;soil eroded degrees 东北黑土区是我国重要的粮食主产区,也是我国重要的商品粮基地,被视为中国粮食安全的 压舱石”㊂该地区纬度较高,雨热同期,属寒温带大陆性季风气候㊂黑土具有有机质含量高㊁质地黏重㊁入渗能力较弱㊁易产生地表径流的特征㊂在近百年的开垦过程中,由于缺乏保护,黑土区水土流失导致的土壤退化问题越来越明显,并得到广泛关注㊂地表径流是坡面土壤侵蚀发生的动力基础㊂径流是由降雨或灌溉水到达地表之后超过土壤入渗能力的水分形成的㊂因此,土壤入渗是影响侵蚀过程的重要环节㊂研究不同侵蚀程度黑土的入渗特征对治理坡面土壤侵蚀具有重要意义㊂不同类型的土壤入渗过程差异很大㊂每种入渗模型都不可能适用于所有土壤㊂依据土壤的特性选择适用的入渗模型并加以改进,是目前主流的土壤入渗模拟方法㊂HYDRUS1D是由美国国家盐改中心(US Salinity Laboratory)于1991年开发的商业化软件㊂该软件是一种用于模拟变饱和带多孔介质中的水分㊁热量和溶质运移的数值模型,能够较好地模拟水分㊁溶质和能量在土壤中的时空分布变化及运移规律[1]㊂郭雯等[2]在内蒙古高原西部腰坝绿洲利用该模型模拟土壤水分入渗过程,模拟结果与实测含水率拟合较好,模型平均R E㊁R MSE值分别为6.1%㊁0.015cm3/cm3,误差较小,精度较高;李琦等[3]以华北平原区典型冬小麦农田土壤为研究对象,结合野外观测与室内土柱试验,借助该软件建立水盐运移模型,模拟结果的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,能较好且稳定地模拟土壤内部水分的运移过程;王国帅等[4]利用该模型模拟沙丘㊁沙丘 荒地交界和荒地土壤水分和盐分运移动态,R MSE为0.01~0.03cm3/cm3,R2为0.85~0.92,其结果能较好地反映出土壤水分的动态变化㊂我国HYDRUS1D模型的应用研究多集中于西北干旱地区,该模型是否能模拟黑土入渗需81　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟要进一步研究㊂笔者将基于室内土柱试验,观测典型黑土区不同侵蚀程度黑土土壤入渗过程,并利用HYDRUS1D模型模拟,通过比较模型模拟结果与实测数据,评价该模型对东北黑土区不同侵蚀程度土壤的模拟效果,为黑土土壤入渗模拟和土壤侵蚀预报提供基础㊂这对黑土土壤水蚀过程模拟和水土流失治理有重要的实际意义㊂1　材料与方法1.1　土壤样品采集与测定室内土柱试验于2020年在黑龙江省黑河市嫩 江县鹤山农场境内的北京师范大学九三水土保持试验站(E125°16′~125°21′,N48°59′~49°03′)完成㊂供试土壤选择轻度㊁中度及重度3种不同侵蚀程度的土壤(表1),测定其一维垂直入渗过程,每种土壤类型设置3个重复㊂不同侵蚀程度黑土根据表层的黑土层(A层)厚度和其下淀积层(B层)厚度确定:轻度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和25cm,中度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和10cm,重度侵蚀的土壤A㊁B层分别为0和15cm(表2)㊂1.2　入渗实验装置与方法试验由土柱系统和供水装置组成㊂土柱系统:土柱装土50cm高,直径28.4cm,为 表1　3种侵蚀程度土壤密度及机械组成Tab.1　Soil bulk densities and mechanical compositions at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cm土粒密度Bulk density/(g㊃cm-3)砂粒Sand content/%粉粒Silt content/%黏粒Clay content/% 0~101.0612.4545.5642.00 10~201.2811.2747.6941.04轻度Slight20~301.249.4748.9941.54 30~401.4910.2348.1741.6040~501.5211.7547.2840.960~101.1819.4746.9433.5910~201.3928.5048.9722.53中度Moderate20~301.4729.4648.2422.30 30~401.4631.4038.0730.5340~501.4530.0838.1331.790~101.4363.9415.7020.3610~201.5366.3414.6219.04重度Severe20~301.8164.3310.3925.28 30~402.0768.9812.7918.2340~501.7174.6711.2714.06表2　3种侵蚀程度土壤取土位置和土壤剖面Tab.2　Soil sampling position and soil profile at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree取土位置Soil location地貌部位Landformposition黑土(A)层深度Black soil(A)depth/cm淀积(B)层深度Deposition(B)layer depth/cm母质出现深度Appearing parentmaterial depth/cm母质类型Parent materialtype轻度Slight E125°18′21″N49°01′58″坡中Middle slope0~3030~5555黄黏土Yellow clay中度Moderate E125°19′40″N49°00′39″坡中上Middle and upper slope0~3030~4040黄黏土Yellow clay重度Severe E125°19′24″N49°00′42″坡中上Middle and upper slope00~1515黄砂Yellow sand透明有机玻璃圆柱㊂每次试验准备3个土柱,分别按照轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的原状土壤分层,每层10cm分层填装进土柱,装土密度与原状土密度一致,层间用毛刷打毛㊂将土柱挂上铁架,每个土柱每层中间位置(即5㊁15㊁25㊁35和45cm处)安装水分温度传感器探头,探头长度为15cm,数据采集器每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂为确保试验的准确性,再设置2次重复试验㊂供水装置:马氏瓶,保证土面上方有3cm的稳定水头㊂91中国水土保持科学2024年试验开始,马氏瓶中水位每下降1cm手动记录1次历时㊂数据采集器每隔1min记录土柱质量的变化,每隔5min记录剖面含水量变化㊂若连续5个时刻记录点的入渗速率基本相同,将第1个时刻记作达到稳渗的时刻,并把连续5个记录点的平均入渗速率做为稳渗速率㊂同时记录湿润锋运移情况,湿润峰到达土柱底部后停止马氏瓶供水㊂用塑料薄膜密封土柱上表面防止蒸发,待所有土柱排水口不再有水流出时,撤下塑料薄膜,试验结束㊂综上,本研究进行3次试验,共9组数据,分别计算:1)累积入渗量与入渗速率㊂土柱试验过程中需要手动记录入渗过程中马氏瓶中水位每下降1cm所需要的时间㊂测量马氏瓶水位每下降1cm的水流通量,根据记录表中的时间间隔计算入渗过程中的累积入渗量与入渗速率㊂I1=ΔlQ0/S;(1)I=I1+I2+I3+ +I n;(2)f=I/t㊂(3)式中:I n为每段时间的累积入渗量,cm;Δl为马氏瓶水位差;Q0为马氏瓶每cm的水流通量,mL;S为土柱的横截面积,cm2;I为总累积入渗量,cm;f为入渗速率,cm/h;t为时间,h㊂2)土壤含水量㊂数采每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂3)湿润锋运移㊂土柱上贴有刻度尺,根据湿润锋运移的速率选择记录间隔㊂在试验刚开始时入渗速率较快,每3min记录1次湿润锋位置,随着试验的进行湿润锋移动速率逐渐减慢,记录时间间隔增大,最大时间间隔不超过2h㊂将记录下的刻度转化为入渗深度,得到湿润锋运移情况㊂1.3　HYDRUS1D模型入渗计算笔者使用软件的模拟水流程序模拟土壤水分入渗㊂该模型仅考虑一维垂向运移时的土壤水分运动,并采用Richards方程来描述一维非饱和土壤水流的运动[5]㊂HYDRUS1D模型中水分特征曲线模型有Van Genuchten㊁Modified Van Genuchten㊁Brooks⁃Corey和Kosugi等㊂笔者采用运用最为广泛的㊁也更适合东北黑土[6]的Van Genuchten模型来拟合土壤水力性质㊂HYDRUS1D中VG模型表达式为:θ(h)=θr+θs-θr(1+|α×h|n)m h<0θs h≥ìîíïïï0;(4)K(h)=K s S l e(1-(1-S1/m e)m)2;(5)m=1-1n　n>1;(6)S e=θ-θrθs-θr㊂(7)式中:θ(h)为土壤含水量随土壤水势的变化函数;h为土壤的有压水头,cm;θr和θs分别为残余含水量和饱和含水量,cm3/cm3;K(h)为非饱和导水率,cm/h;K s为饱和导水率,cm/h;α为进气吸力值的倒数;n为孔隙度连通性参数,m为经验参数;l为形状参数,l=0.5;S e为有效水分含量㊂入渗模拟过程中需要设置的指标有剖面形态㊁时间步长㊁土壤水力参数和边界条件等㊂其中土壤水力参数是进行模拟的主要指标,包括:残余含水量θr㊁饱和含水量θs㊁进气吸力值α㊁孔隙度连通性参数n㊁饱和导水率K s和形状参数l等,这些参数主要通过土壤水分特征曲线模拟来获得㊂本实验中θr㊁θs和K s均有实测数据,α㊁n和l3个参数依靠模型内置函数模拟,共设置5种模拟情况:1)θr㊁K s㊁θs均为模拟值;2)θr㊁K s㊁θs均为实测值;3)θr㊁K s为模拟值,θs为实测值;4)K s为模拟值,θr㊁θs为实测值;5)θr为模拟值,K s㊁θs为实测值㊂采用Excel2010和SPSS24.0软件对数据进行分析,用Pearson法对累积入渗量㊁入渗速率的模拟值与实测值进行相关分析,利用Origin2010软件作图㊂2　结果与分析2.1　不同侵蚀程度黑土入渗速率及累积入渗量随时间的变化特征由图1可见,重㊁中㊁轻度侵蚀土壤达到稳渗的时间分别为8㊁26和36h,稳渗时的入渗速率为0.72㊁0.25和0.16cm/h,完成整个入渗的历时分别为10.2㊁31.5和50h㊂针对一次完整的入渗过程,轻度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7.3㊁4㊁3.9㊁3.4和3.6cm;中度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7㊁3.6㊁3.4㊁4.5和2.5cm;重度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为5㊁3.2㊁2.6㊁2和3.7cm㊂通常情况下,黏粒含量越高的土壤对水的吸附能力越强,相同势能下的水分通量会相应变小,因此侵蚀程度越高的土壤在相同的入渗历时内累积入渗量会越大(图1)㊂2.2　不同侵蚀程度黑土湿润锋随时间变化特征湿润锋的运移可以反映出土壤的入渗能力[7]㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的土壤均是越向下层入渗速02　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟图1　不同侵蚀程度土壤入渗速率及累积入渗量Fig.1　Infiltration rates and cumulative infiltrations of soils with different erosion degrees率越慢,湿润锋运移速率相应减慢(图2)㊂轻度侵蚀的土柱在1h 处完成第1层10cm 土壤的入渗,并开始第2层的入渗,5h 开始第3层入渗,14.5h 开始第4层入渗,28.7h 开始第5层入渗,50h 的时候完成整个入渗过程㊂每层入渗耗时分别为1㊁4㊁9.5㊁14.2和21.3h㊂中度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为1㊁4.4㊁7㊁10.1和14h;重度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为0.25㊁0.6㊁1.7㊁3.5和5.2h㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度湿润锋运移的平均速度分别为:2.52㊁3.32和9.85cm /h㊂图2　轻㊁中㊁重度侵蚀土壤入渗湿润锋运移变化Fig.2　Changes of wetting front migrations of infiltrationsin slight,moderate and severe eroded soils2.3　不同侵蚀程度黑土入渗过程中剖面含水量随时间变化特征将入渗过程中土壤含水量最大并不再发生明显变化的数值作为土壤饱和含水量㊂3种土壤在入渗过程中的土壤水分含量随时间变化的趋势存在一定的差异㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少,轻度侵蚀土壤比中度侵蚀土壤饱和含水率平均高4.9%左右,比重度侵蚀土壤饱和含水率平均高9.4%左右㊂每种土壤的饱和含水率随土壤层数的加深而减少,3种土壤按侵蚀强度由弱到强,其表层土壤饱和含水率比最下层分别大7.8%㊁8.0%和12.8%(图3)㊂2.4　HYDRUS 1D 模型模拟黑土土壤入渗通过HYDRUS 1D 内置函数所得到的模拟值如表3所示,其他模拟情况均根据表中参数进行校正设置㊂根据入渗过程拟合可以看出,总体上轻度侵蚀土壤的累积入渗量被高估,重度侵蚀土壤的累积入渗量被低估,中度侵蚀土壤的拟合情况相对最好,模拟值与实测值分布于1∶1线两侧,且较为集中,所以HYDRUS 1D 对于相对极端情况的黑土拟合情况较差(图4)㊂入渗速率由土壤累积入渗量计算得到,所以其拟合结果的特征与累积入渗量的规律相似(图5)㊂除重度侵蚀土壤能够看出实际入渗速率明显高于模拟结果,其余土壤实际入渗与拟合结果的差异并不明显㊂轻㊁中㊁重度3种土壤的稳定入渗率模拟值与实测值也存在差异(表4),轻中度侵蚀土壤的稳定入渗率被高估,模拟值分别为实测值的2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳渗率被低估,模拟值为实测值的0.4倍㊂3　讨论3.1　侵蚀程度对黑土入渗的影响本研究通过室内土柱试验,分别分析不同侵蚀程度黑土的初始入渗速率㊁稳定入渗率㊁湿润锋运移速率以及土壤剖面含水量随时间变化特征,可知初始入渗速率主要受供水装置影响,入渗过程刚开始时风干土壤的含水量很小,土壤的基质势梯度很大,12中国水土保持科学2024年 图3　轻㊁中㊁重度侵蚀土壤10~50cm分层土壤含水率随时间变化Fig.3　Variation of soil moisture contents with time in10-50cm divided layers of slight,moderate and severe eroded soils表3　3种侵蚀程度土壤土柱所有模拟参数数值Tab.3　All simulated parameters of soil column with three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cmθrθsα/(cm-1)n K s/(cm㊃h-1)0~100.10280.56600.01431.38942.496710~200.09680.49970.01171.41960.7217轻度Slight20~300.09860.51510.01211.41370.902930~400.09100.44270.01121.39750.211740~500.08900.43090.01121.39200.17920~100.09130.50390.00951.49081.366210~200.06890.41160.00691.58670.5396中度Moderate20~300.06610.39340.00751.55840.375430~400.07780.41780.01081.45310.298340~500.08000.42420.01091.44950.31330~100.06290.41950.02281.42281.457510~200.05810.39130.02581.39751.0963重度Severe20~300.05060.31360.01431.31140.090030~400.04490.25800.03891.25080.115840~500.04740.33760.03631.39810.9696　注:θr:残余含水量,cm3/cm3;θs:饱和含水量,cm3/cm3;α:进气吸力值的倒数;n:孔隙度连通性参数;K s:饱和导水率,cm/h㊂下同㊂Notes:θr:Residue water,cm3/cm3;θs:saturation capacity,cm3/cm3;α:the inverse of air⁃entry value;n:porosity connectivity parameters;K s:saturated hy⁃draulic conductivity,cm/h.The same below.土壤的入渗能力较强,入渗速率主要取决于供水速率㊂但随着入渗过程的不断进行,土壤的基质势梯度会逐渐趋近于0,使入渗速率逐渐保持在一个较小的稳定值,即进入稳定入渗阶段㊂稳定入渗阶段是指土壤入渗经过瞬变和渐变阶段之后达到的一种入渗速率处于相对稳定的阶段㊂稳渗速率是反映土壤渗透性能的主要指标[8]㊂不同侵蚀程度黑土土壤机械组成结构不同,侵蚀程度强的土壤中砂粒含量越高,土壤孔隙度越大,导水率相应变大,入渗过程加快,稳渗率越高㊂因此土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率较高,反之递减㊂不同侵蚀程度黑土下不同剖面含水22　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟 S :模拟值;M:实测值㊂下同㊂S:Simulated value.M:Measured value.The same below.图4　轻度㊁中度和重度侵蚀土壤累积入渗量模拟值与实测值相关性分析Fig.4　Correlation analysis between simulated and measured cumulative infiltration in slight,moderateland severe eroded soils图5　轻度㊁中度和重度侵蚀入渗速率模拟值与实测值相关性分析Fig.5　Correlation analysis between simulated and measured values of infiltration rates of slight,moderateand severe eroded soils表4　3种侵蚀程度土壤稳定入渗率及模拟值Tab.4　Soil stable infiltration rate and simulated values at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree 实测稳定入渗率Measured stableinfiltration rate /(cm ㊃h -1)5种模拟情况下的稳定入渗率Stable infiltration rate under five simulated conditions /(cm ㊃h -1)S:θr ㊁K s ㊁θsM:θr ㊁K s ㊁θs S:θr ㊁K s ;M:θsS:K s ;M:θr ㊁θsS:θr ;M:K s ㊁θs轻度Slight 0.160.3980.00570.3980.3980.0073中度Moderate 0.250.398 0.4460.446 重度Severe 0.720.2160.2680.2020.2170.278RMSE0.3670.3830.390 注: :模拟过程提前结束,无数值的情况㊂Notes: :The simulation process ends early,and there is no numerical case.量其分布规律与土壤累积入渗量的规律相似,这是由于土壤中黏粒含量较高会吸附更多的水分导致土壤饱和含水率更高㊂3.2　不同侵蚀程度黑土入渗模拟效果3种侵蚀程度土壤的土壤含水量的模拟结果与入渗速率和累积入渗量的规律相符,均为轻中㊁度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂这表明HYDRUS 1D 模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗,高估黏粒含量较高的土壤入渗,黑土较为黏重的质地影响HYDRUS 1D 中内置函数对于土壤入渗过程的模拟,导致入渗模型的适用性稍差㊂在所32中国水土保持科学2024年模拟的6个水力参数中,针对轻度侵蚀地块土壤,K s 是主要的误差来源,对拟合结果的影响最明显:拟合时表层K s值有所低估,而在深层K s值被高估;中度侵蚀地块的拟合情况较好,有完整模拟过程的模拟情况1)㊁3)和4)有相同的趋势;重度侵蚀地块的所有模拟情况均明显少于实际入渗㊂这是由于重度侵蚀土壤底层密度较大,模拟出的K s值偏小,实测出的K s值并没有明显大于其他2种侵蚀程度土壤所导致的㊂水势梯度是由水头㊁重力㊁基质力和毛管力决定的,在实测入渗与模拟入渗设置的前期条件相同的时候,两者的水势梯度是没有太大差别的㊂所以入渗速率的差异主要是由饱和导水率值的差异造成的,饱和导水率是影响模拟结果最关键的因子㊂4　结论通过室内土柱实验发现,不同侵蚀程度黑土的入渗性能不同:3种侵蚀程度黑土的入渗速率在入渗开始时均较大,而后逐渐减小,最后趋于稳定,每种土壤上层的入渗速率均大于下层㊂随着侵蚀程度加剧,土壤入渗速率㊁累积入渗量及湿润锋运移速度加大,土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率也较高㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少㊂3种不同侵蚀程度土壤入渗过程的含水量模拟结果与实测结果差异较大,轻中度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂HYDRUS1D模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗而高估黏粒含量较高的土壤入渗㊂应用HYDRUS1D模型模拟不同侵蚀程度黑土入渗过程的结果发现,轻㊁中度侵蚀土壤的入渗能力被高估,而重度侵蚀土壤的入渗能力被低估㊂其中,中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果好于其他2种侵蚀程度土壤㊂可尝试进一步修正残余含水量和饱和含水量的参数数值,优化拟合结果㊂5　参考文献[1]　卞建民,李育松,胡昱欣,等.基于Hydrus1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究[J].干旱地区农业研究,2014,32(2):191.BIAN Jianmin,LI Yusong,Hu Yuxin,et al.Study onrecharge from dry farmland irrigation based on the Hydrus1D model in Da′an irrigation district[J].AgriculturalResearch in the Arid Areas,2014,32(2):191. [2]　郭雯,卢玉东,卢阳春,等.基于Hydrus1d模型的干旱区绿洲灌溉入渗研究[J].水电能源科学,2020,38(8):129.GUO Wen,LU Yudong,LU Yangchun,et al.Simulationof irrigation infiltration in arid Oasis based on Hydrus1D model[J].Water Resources and Power,2020,38(8):129.[3]　李琦,李发东,张秋英,等.基于HYDRUS模型的华北平原小麦种植区水盐运移模拟[J].中国生态农业学报(中英文),2021,29(6):1085.LI Qi,LI Fadong,ZHANG Qiuying,et al.Water andsalt transport simulation in the wheat growing area of theNorth China Plain based on HYDRUS model[J].Chi⁃nese Journal of Eco⁃Agriculture,2021,29(6):1085.[4]　王国帅,史海滨,李仙岳,等.基于HYDRUS1D模型的荒漠绿洲水盐运移模拟与评估[J].农业工程学报,2021,37(8):87.WANG Guoshuai,SHI Haibin,LI Xianyue,et al.Simu⁃lation and evaluation of soil water and salt transport indesert oases of Hetao Irrigation District using HYDRUS1D model[J].Transactions of the CSAE,2021,37(8):87.[5]　吴奇凡,樊军,王继军.晋陕蒙接壤区露天矿不同质地土壤水分运动特征与模拟[J].煤炭学报,2015,40(5):1134.WU Qifan,FAN Jun,WANG Jijun.Water movementand simulation of different soil textures at open pit mine inJin Shan Meng adjacent region[J].Journal of ChinaCoal Society,2015,40(5):1134.[6]　翟俊瑞,谢云,李晶,等.不同侵蚀强度黑土的土壤水分特征曲线模拟[J].水土保持学报,2016,30(4):116.ZHAI Junrui,XIE Yun,LI Jing,et al.Simulation ofsoil⁃water characteristic curve for black soils with differenterosion intensity[J].Journal of Soil and Water Conser⁃vation,2016,30(4):116.[7]　张国祥,申丽霞,郭云梅.微润灌溉条件下土壤质地对水分入渗的影响[J].灌溉排水学报,2016,35(7):35.ZHANG Guoxiang,SHEN Lixia,GUO Yunmei.Effect ofsoil structure on water infiltration under moisture irrigation[J].Journal of Irrigation and Drainage,2016,35(7):35.[8]　毕彪,钱云楷,艾宪锋,等.基于HYDRUS1D模拟的降雨入渗条件下VG模型参数敏感性分析[J].长江科学院院报,2021,38(7):36.BI Biao,QIAN Yunkai,AI Xianfeng,et al.Sensitivityanalysis of VG model parameters under rainfall infiltrationusing HYDRUS1D simulation[J].Journal ofChangjiang River Scientific Research Institute,2021,38(7):36.42。

第22卷　第2期2024年4月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.22　No.2Apr.2024　D OI :10.16843/j.sswc.2023084基于SWAT 模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析黄　幸1,2,莫淑红2†,李平治2,乔殿新3,李斌斌3(1.河海大学水文水资源学院,210098,南京;2.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,710048,西安;3.水利部水土保持监测中心,100053,北京)摘要:探明流域径流侵蚀功率的演变规律对重点侵蚀区识别和土壤侵蚀防治至关重要㊂以嘉陵江右岸支流渠江流域为研究区,基于SWAT 模型模拟计算流域径流侵蚀功率,分析其时空分布特征与空间尺度效应,并通过聚类分析㊁相关性分析揭示其对流域气象㊁地形㊁土壤等因素的关系㊂结果表明:渠江流域年尺度的径流侵蚀功率大于季尺度,其中第3季度为土壤侵蚀重点防治时段;全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率均呈现出北部大南部小㊁西部大东部小㊁上游大下游小的空间分布特征;渠江干流与其支流大通江的多年平均径流侵蚀功率和流域控制面积之间均呈幂指数关系,且其变化规律存在空间阈值,在年尺度干流和大通江的阈值面积分别为8549.4和8504.4km 2,在第3季度干流和大通江的阈值面积分别为4834.9和6223.5km 2;气象因子㊁地形因子和流域形态因子为渠江流域径流侵蚀功率的主要影响因素㊂研究结果可为制订渠江流域土壤侵蚀治理方案提供决策依据㊂关键词:SWAT 模型;径流侵蚀功率;时空分布;空间尺度效应;渠江流域中图分类号:S157.1;P333文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2024)02⁃0025⁃09引用格式:黄幸,莫淑红,李平治,等.基于SWAT 模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析[J].中国水土保持科学,2024,22(2):25-33.HUANG Xing,MO Shuhong,LI Pingzhi,et al.Spatial and temporal analysis of runoff ero⁃sion power in Qujiang River Basin based on SWAT model[J].Science of Soil and Water Conservation,2024,22(2):25-33.收稿日期:20230508　修回日期:20240110项目名称:国家自然科学基金 基于侵蚀能量过程的集合式流域水土流失预报模型”(U2040208), 陕北黄土高原区人 水耦合系统互馈及协同进化机理研究”(52179024)第一作者简介:黄幸(2000 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:水文水资源㊂E⁃mail:809319042@†通信作者简介:莫淑红(1972 ),女,博士,教授㊂主要研究方向:旱区水文及水资源㊂E⁃mail:moshuhong@Spatial and temporal analysis of runoff erosion powerin Qujiang River Basin based on SWAT modelHUANG Xing 1,2,MO Shuhong 2,LI Pingzhi 2,QIAO Dianxin 3,LI Binbin 3(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,210098,Nanjing,China;2.State Key Laboratory of Eco⁃hydraulics in Northwest Arid Region,Xi′an University of Technology,710048,Xi′an,China;3.The Center of Soil and Water Conservation Monitoring,Ministry of Water Resources,100053,Beijing,China)Abstract :[Background ]Soil erosion destroys soil and water resources,exacerbates natural disasters such as droughts and floods,and threatens human survival and development.Qujiang River Basin is severely affected by soil erosion,and runoff erosion power can reflect dynamic characteristics of water erosion better than rainfall erosion force.Therefore,it’s important to use runoff erosion power theory to study erosion in Qujiang River Basin to reveal mechanism of water⁃sand response.[Methods ]This paper中国水土保持科学2024年took Qujiang River Basin as a research object,calculating seasonal as well as annual runoff erosion power based on runoff,which was simulated by SWAT model in terms of utilizing meteorological forcing data such as precipitation,temperature,wind etc.In addition,features of spatial⁃temporal pattern and effects of spatial scale were analyzed.Cluster and correlation method were adopted for investigation into relationships between runoff erosion power with meteorological,topographic and soil conditions. [Results]1)The constructed SWAT model had high accuracy in runoff simulation and good applicability in Qujiang River Basin.R2and NS coefficients were0.69and above,while PBIAS coefficient was below 16.72%in both parameter rate setting period and validation period.2)In aspect of time,annual runoff erosion power outweighed that in season.However,erosion during seasonⅢwas more serious than that in other season,which requires more attention on soil erosion prevention and control.Besides,runoff erosion power for whole year and for season III demonstrated a decreasing trend from north to south,west to east and up to down inspace.3)The thresholds of drainage control area for whole year in Qujiang river and Datong river were8549.4and8504.4km2respectively,while those for season III were4834.9and 6223.5km2respectively,indicating runoff erosion power decreased smoothly with increasing area when the area was larger than spatial thresholds,then gradually tended to a stable value.4)Meteorological, topographic and watershed morphological characters were main factors influenced runoff erosion power in Qujiang River Basin.Erosion in upstream area of basin presented greater performance than downstream, due to the steep topography,uneven precipitation distribution and morphological ease of runoff generation and flow concentration processes in upper reaches.[Conclusions]This paper illustrated feasibility of SWAT model and its simulated outcome in Qujiang River Basin.The spatial⁃temporal runoff erosion power characteristics together with impacts are closely related to meteorological constituents,terrain and basin shape.Therefore,the results contribute to effective identification of key sand producing areas in watershed,and also provide supports for soil erosion prevention,ecology restoration and environmental carrying capacity enhancement.Keywords:SWAT model;runoff erosion power;temporal and spatial distribution;spatial scale effect; Qujiang River Basin 土壤侵蚀是全球公认的最严重的环境问题之一,其破坏水土资源,加剧旱涝等自然灾害,威胁人类的生存和发展㊂嘉陵江流域地质地貌条件复杂㊁降水丰富㊁土壤可蚀性强,且不合理生产活动多,使得流域内水土流失面积和土壤侵蚀总量曾常居长江流域前列,水土流失治理刻不容缓[1]㊂当前有许多量化土壤侵蚀对流域影响的模型,如通用土壤流失方程㊁修正土壤流失方程和中国坡面土壤流失方程等[2]㊂降雨侵蚀力反映降雨及其产生的径流剥离和携带土壤颗粒的能力,其作为水蚀动力指标被广泛应用于土壤侵蚀模型及土壤侵蚀分析中[34]㊂但是降雨侵蚀力的计算通常需要高精度且不易获取的长序列场次降雨数据,资料处理较繁琐,且其仅通过雨滴的击溅效应表征土壤侵蚀作用,并未体现水蚀动力过程中的径流侵蚀和径流输沙作用[56],具有一定的局限性㊂与降雨侵蚀力相比,径流侵蚀功率能更好的反映水蚀动力特性,对于侵蚀动力机制的反应更敏感,数据要求更低[7]㊂目前已有众多学者基于径流侵蚀功率理论研究黄土高原地区的土壤侵蚀空间分布特征及尺度效应,取得较好成果[89]㊂长江流域的降水特征及下垫面条件与黄河流域不同,其侵蚀产沙和主要驱动机制也会有所差异[10],而此类研究在长江流域相对较少㊂因此,利用径流侵蚀功率理论研究长江流域地区的侵蚀情况对揭示其水沙响应机理具有重要意义㊂笔者以嘉陵江子流域渠江流域为例,基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模拟流域径流,计算并分析径流侵蚀功率的时空分布特征㊁空间尺度效应及主要影响因子,以期为流域有效识别重点产沙区㊁合理开发利用水土资源等做出贡献㊂1　研究区概况渠江流域面积为3.92万km2(E106°28′~ 109°00′,N30°00′~32°48′),属亚热带湿润季风气62　第2期黄幸等:基于SWAT模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析候㊂其雨季集中于7 9月,多年平均降雨量为1078mm,输沙量主要来自汛期,多年平均输沙模数为347t/km2㊂流域地势东北高西南低,源头地势坡度较大,至下游浅丘区比降逐渐减小,土壤类型以棕壤㊁黄棕壤和紫色土为主㊂渠江流域水系及水文站点分布见图1㊂图1　渠江流域水系及水文站点分布图Fig.1　Distribution of river system and hydrological stations in Qujiang River Basin2　数据与方法2.1　数据来源笔者采用的数据主要包括摘自‘长江流域水文年鉴“的2008 2018年渠江流域上㊁中㊁下游巴中㊁七里沱和罗渡溪水文站实测日流量资料,由中国大气同化驱动数据集整理的逐日降水㊁风速㊁温度等气象数据,以及中科院地理空间数据云㊁中科院数据中心遥感影像㊁世界土壤数据库提供的30m分辨率地形数据㊁1∶10万土地覆盖数据和1∶100万土壤类型等空间数据㊂2.2　径流侵蚀功率计算2.2.1　SWAT模型构建与应用　笔者使用SWAT 模型[11]模拟渠江流域2009 2018年月径流,进而分析计算流域径流侵蚀功率㊂先依据集水面积㊁坡度等级㊁土地利用与土壤类型将渠江流域划分为77个子流域和1377个水文响应单元㊂然后,选取2008年作为预热期进行参数预调,2009 2013年作为率定期,2014 2018年作为验证期㊂在SWAT-CUP中选择径流相关参数进行参数敏感性分析和参数率定,并运用决定系数R2(R-Square)㊁纳什效率系数NS(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)㊁偏差比例PBIAS(percent bias)作为评价指标检验径流模拟精度㊂一般认为R2>0.6㊁NS>0.5㊁PBIAS≤±25%时,结果较好㊂满足精度要求时,输出渠江各子流域出口的模拟月径流过程㊂2.2.2　径流侵蚀功率计算　径流侵蚀功率属于经验模型指标中的侵蚀动力因子,其计算原理及应用详见文献[7]㊂依此推出的季径流侵蚀功率和年径流侵蚀功率计算公式分别见式(1)和式(2)㊂E s=Q s H s㊂(1)式中:E s为季径流侵蚀功率,m4/(km2㊃s);Q s为季最大月流量模数,m3/(km2㊃s);H s为季径流深,m㊂E y=Q y H y㊂(2)式中:E y为年径流侵蚀功率,m4/(km2㊃s);Q y为年最大月流量模数,m3/(km2㊃s);H y为年径流深,m㊂2.3　径流侵蚀功率影响因素分析选用系统聚类方法[12]和斯皮尔曼相关系数[13]对径流侵蚀功率影响因子进行合并归类与相关性分析㊂斯皮尔曼相关系数的绝对值越大,指标之间相关性越高,其表达式见式(3)㊂ρ=1-6∑n i=1d2in(n2-1)㊂(3)式中:ρ为斯皮尔曼相关系数;n为系列长度;d为72中国水土保持科学2024年按升序或降序排列后,同次序指标间的差值,量纲均为1㊂3　结果与分析3.1　模型率定与验证结果率定期㊁验证期巴中㊁七里沱和罗渡溪水文站模拟与实测月径流量值对比见图2~4㊂分析可知,巴中水文站率定期R 2=0.96㊁NS =0.92㊁PBIAS =16.2%,验证期R 2=0.70㊁NS =0.69㊁PBIAS =16.43%,率定结果较好,验证结果评级为可信;七里沱水文站率定期R 2=0.95㊁NS =0.93㊁PBIAS =-0.3%,验证期R 2=0.82㊁NS =0.80㊁PBIAS =-14.81%,率定结果极好,验证结果评级为较好;罗渡溪水文站率定期R 2=0.93㊁NS =0.92㊁PBIAS =-3.5%,验证期R 2=0.87㊁NS =0.84㊁PBIAS =-16.72%,率定结果极好,验证结果评级为较好㊂综上所述,在率定期和验证期内,3个水文站模拟所得月径流过程与实测月径流过程吻合度较高,表明所构建的SWAT 模型能较真实地反映渠江流域水文情势㊂图2　巴中水文站月径流量模拟值与实测值对比图Fig.2　Comparison of simulated and measured monthly runoff at Bazhong station图3　七里沱水文站月径流量模拟值与实测值对比图Fig.3　Comparison of simulated and measured monthly runoff at Qilituo station3.2　径流侵蚀功率的时空分布基于SWAT 模型得到2009 2018年渠江77个子流域季尺度和年尺度的多年平均径流侵蚀功率,其空间分布见图5和6㊂从时间角度看,全流域多年平均年径流侵蚀功率为0.049m 4/(km 2㊃s),总体上大于各季度多年平均径流侵蚀功率;在季尺度,第3季度多年平均径流侵蚀功率最大(0.028m 4/(km 2㊃s)),其次为第2季度㊁第4季度和第1季度,其变化周期与水文周期一致㊂显然,第3季度的径流侵蚀功率对全年贡献最大,应当重视该季度的水土流失治理㊂在空间尺度上,流域全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率均呈现出 北部大㊁南部小;西部大㊁东部小;上游大㊁下游小”的空间分布特征㊂第4季度的空间分布虽在南北和上下游部分与全年相似,但在东西部表现出 东部大㊁西部小”的特征㊂第1季度和第2季度的空间分布82　第2期黄幸等:基于SWAT模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析图4　罗渡溪水文站月径流量模拟值与实测值对比图Fig.4　Comparison of simulated and measured monthly runoff at Luoduxi station与全年相反,表现为 南部大㊁北部小;东部大㊁西部小;下游大㊁上游小”,但因其径流侵蚀功率较小,对年尺度空间分布影响也较小㊂3.3　径流侵蚀功率的空间尺度效应渠江流域的径流侵蚀功率空间差异明显,可能存在空间尺度效应,即径流侵蚀功率随流域控制面积变化可能呈现出一定规律㊂首先利用SWAT 模型计算2009 2018年渠江77个子流域出口断面及以上控制面积的全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率,结果见图7㊂由图7可知,对全年和第3季度,渠江各子流域出口断面及以上控制区域的多年平均径流侵蚀功率总体呈现出 上游大,下游小;干流大,支流小”的分布特点㊂为量化径流侵蚀功率与流域控制面积的相关关系,选取侵蚀较严重的渠江干流和支流大通江为研究对象,将流域控制面积分别与全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率进行拟合分析㊂干流的拟合结果分别见式(4)㊁式(5)和图8,大通江的拟合结果分别见式(6)㊁式(7)和图9㊂E my =0.0761A -0.158,R 2=0.67;(4)E ms =0.0438A-0.137,R 2=0.52;(5)E my 1=0.0771A -0.153,R 2=0.46;(6)E ms 1=0.0510A-0.165,R 2=0.49㊂(7)式中:E my ㊁E my 1分别为干流和大通江多年平均年径流侵蚀功率,m 4/(km 2㊃s);E ms ㊁E ms 1分别为干流和大通江多年平均季径流侵蚀功率,m 4/(km 2㊃s);A 为流域控制面积,103km 2㊂由图8和9可知,渠江干流和支流大通江存在较显著的空间尺度效应,其多年平均径流侵蚀功率与流域控制面积之间均呈幂指数关系,且干流相关关系优于支流大通江,全年相关系数与第3季度接近㊂随着流域控制面积的增大,多年平均径流侵蚀功率逐渐减小并趋于平缓,减小速率由大变小,说明存在空间阈值㊂为确定阈值,对式(4)~(7)求导,导数方程见式(8)~(11)㊂E′my =-0.0120A -1.158;(8)E′ms =-0.0060A-1.137;(9)E′my 1=-0.0118A -1.153;(10)E′ms 1=-0.0084A-1.165㊂(11)经计算可知,渠江干流在全年和第3季度的空间阈值分别为8549.4和4834.9km 2,大通江在全年和第3季度的空间阈值分别为8504.4和6223.5km 2㊂即当流域控制面积小于空间阈值时,|E |≥0.001,多年平均径流侵蚀功率随流域控制面积增加而迅速减小,反之则变化平缓,并逐渐减小至某一稳定值㊂其中干流的全年和第3季度径流侵蚀功率稳定值分别为0.04和0.02m 4/(km 2㊃s),大通江的全年和第3季度径流侵蚀功率稳定值分别为0.056和0.035m 4/(km 2㊃s)㊂3.4　径流侵蚀功率影响因素为探究渠江流域径流侵蚀功率时空分布及空间尺度效应的主要驱动因素,选用SPSS (statistical product and service solutions)软件对多年平均的年径流侵蚀功率进行聚类分析㊂本文共选取地形(75°以上坡度面积比例)㊁流域形态(圆度)㊁气象(各子流域上的多年平均降水量)㊁侵蚀动力(多年平均径流侵蚀功率)㊁土地利用(林草地面积比例)和土壤(易受侵蚀土壤面积比例)6类聚类因子,经分析将渠江77个子流域划分为3种聚类类型,其空间分布见图10㊂可知,第1聚类与第2聚类主要分布于上游地区,其面积所例分别为26.0%和19.3%,多年平均径流侵蚀功率分别为0.05892中国水土保持科学2024年　4个季度的季径流侵蚀功率量级不同,值越大侵蚀越严重,其总体范围为0.00001≤E s≤0.08000㊂下同㊂Magnitude of seasonal runoff erosion power varies among four periods,with larger values indicating more severe erosion.The over⁃all range is0.00001≤E s≤0.08000.The same below.图5　渠江流域多年平均季径流侵蚀功率空间分布图Fig.5　Spatial distribution of multi⁃year average runoff erosion power at season scale in Qujiang River Basin 和0.052m4/(km2㊃s),均大于多年平均径流侵蚀功率中值0.049m4/(km2㊃s),该地区径流侵蚀能量较大,受侵蚀程度较剧烈㊂第3聚类是渠江流域的主导聚类,主要分布在中下游地区,其面积比例为54.7%,流域内多年平均径流侵蚀功率为0.046m4/(km2㊃s),小于多年平均径流侵蚀功率中值,该地区植被类型多样,下垫面条件较好,受侵蚀程度较小㊂03　第2期黄幸等:基于SWAT模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析图6　渠江流域多年平均年径流侵蚀功率空间分布图Fig.6　Spatial distribution of multi⁃year average runoff erosionpower at year scale in Qujiang River Basin 统计侵蚀动力因子与其余聚类因子的斯皮尔曼相关系数见表1,结果表明气象因子㊁地形因子和流域形态因子为渠江流域径流侵蚀功率排名前3的主图7　渠江各子流域出口断面及以上控制面积的多年平均径流侵蚀功率空间分布图Fig.7　Spatial distribution of multi⁃year average runoff erosion power for control area at and abovethe outlet cross⁃section of each Qujiang River subbasin要影响因子㊂且在显著水平为0.05时,第1聚类中的气象因子与径流侵蚀功率呈显著相关,说明降雨的空间分布不均性对该地区径流侵蚀能量影响较大;第2聚类中气象因子㊁地形因子和流域形态因子与径流侵蚀功率呈显著相关,说明该地区75°以上坡度面积比例很大,流域内地势陡峭,降雨空间分布差异较显著,流域形态偏圆形,产汇流过程较快,能显著影响径流侵蚀功率的空间分布和规律;第3聚类中流域形态因子与气象因子与径流侵蚀功率呈一般相关,其对该聚类地区径流侵蚀功率的影响远不如第2聚类地区,说明该地区整体地势较平缓,各子流域多年平均降雨量差距不大,流域形态较狭长,产汇流过程相对较慢㊂4　结论1)所构建的SWAT 模型径流模拟精度较高,在渠江流域适用性好㊂巴中㊁七里沱㊁罗渡溪水文站率定期R 2㊁NS 系数均在0.92及以上,PBIAS 系数均<16.20%;验证期R 2㊁NS 系数均在0.69及以上,PBIAS 系数均在16.72%以下㊂这说明该模型能较真实地反映渠江流域水文情势㊂2)渠江流域多年平均年径流侵蚀功率总体上大于季径流侵蚀功率,其中第3季度>第2季度>第4季度>第1季度㊂流域全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率空间分布均呈现出 北部大㊁南部小;西部大㊁东部小;上游大㊁下游小”的特征;第4季度的空间分布在东西部呈现出 东部大㊁西部小”的特征,其余部分与全年相似;第1㊁第2季度的空间分布与全年分布规律相反㊂ 3)渠江干流及其支流大通江的径流侵蚀功率具有较为显著的空间尺度效应,全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率与流域控制面积之间呈13中国水土保持科学2024年图8　渠江干流多年平均年和第3季度径流侵蚀功率与流域控制面积关系图Fig.8　Fitting results of multi⁃year average runoff erosionpower and watershed control area at year and seasonscale(season Ⅲ)in the main stream of Qujiang River图9　渠江支流大通江多年平均年和第3季度径流侵蚀功率与流域控制面积关系图Fig.9　Fitting results of multi⁃year average runoff erosionpower and watershed control area at year and seasonscale(season Ⅲ)in Datong River图10　渠江流域聚类空间分布图Fig.10　Clustering spatial distribution of Qujiang River Basin幂指数均关系㊂当流域控制面积分别>8549.4和4834.9km 2时,干流全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率随着面积增加变化幅度极小,并逐渐稳定于0.04和0.02m 4/(km 2㊃s);当流域控制面积分别大于8504.4和6223.5km 2时,大通江全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率随着面积增加变化幅度极小,并逐渐稳定于0.056和0.035m 4/(km 2㊃s)㊂表1　斯皮尔曼相关系数计算结果表Tab.1　Spearman correlation coefficient calculated results table聚类名Cluster name地形因子Topographical factor流域形态因子Watershed morphology气象因子Meteorology 土地利用因子Land use 土壤因子Soil第1聚类Cluster Ⅰ-0.451-0.4840.621*-0.280-0.022第2聚类Cluster Ⅱ0.636*0.622*0.678*0.441-0.336第3聚类Cluster Ⅲ0.0680.349*0.336*-0.2610.072　注:*表示在0.05水平上相关性显著㊂Notes:*indicates significant correlation at the 0.05level. 4)气象因子㊁地形因子和流域形态因子对渠江流域径流侵蚀功率的分布有主要影响作用㊂流域上游区因地势陡峭㊁降水分布不均㊁形态易于产汇流而表现出较大的径流侵蚀功率;下游地区因地势平坦,产汇流过程缓慢受侵蚀情况较轻㊂5　参考文献[1]　万彩兵,程冬兵,李昊.水土保持法修订实施十年来长江流域水土流失治理成效[J].中国水土保持,2021(6):1.WAN Caibing,CHENG Dongbing,LI Hao.Effect of soil and water loss control in the Yangtze River Basin since the revision and implementation of soil and water conser⁃vation law for ten years [J].Soil and Water Conservation in China,2021(6):1.[2]　史志华,刘前进,张含玉,等.近十年土壤侵蚀与水土保持研究进展与展望[J ].土壤学报,2020,57(5):1117.SHI Zhihua,LIU Qianjin,ZHANG Hanyu,et al.Study on soil erosion and conservation in the past 10years:Pro⁃23　第2期黄幸等:基于SWAT模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析gress and prospects[J].Acta Pedologica Sinica,2020,57(5):1117.[3]　许功伟,徐立荣,张云苹,等.1970 2019年大汶河流域降雨侵蚀力时空变化分析[J].水土保持研究,2022,29(6):45.XU Gongwei,XU Lirong,ZHANG Yunping,et al.Spati⁃otemporal variation of rainfall erosivity in the Dawen RiverBasin during1970-2019[J].Research of Soil and Wa⁃ter Conservation,2022,29(6):45.[4]　WISCHMEIER W H,SMITH D D.Predicting rainfallerosion losses:A guide to conservation planning[M].Washington:Department of Agriculture,1978:26.[5]　徐晶,时延锋,徐征和,等.1961 2020年沂蒙山区降雨侵蚀力时空变化特征[J].水土保持研究,2022,29(6):36.XU Jing,SHI Yanfeng,XU Zhenghe,et al.Spatiotem⁃poral variation characteristics of rainfall erosivity in theYimeng Mountain area 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硕士学位（毕业）论文模拟降雨条件下石灰岩区土壤水土流失的研究学位申请人：郭学尧指导教师：周大迈研究员王志刚研究员学科专业：作物生产工程与技术推广学位类别：农学硕士授予单位：河北农业大学答辩日期：分类号：单位代码：10086密级：公开学号：2009289模拟降雨条件下石灰岩区土壤水土流失的研究Limestone soil water and soil erosion undersimulated rainfall学位申请人：郭学尧指导教师：周大迈研究员王志刚研究员学科专业：作物生产工程与技术推广学位类别：农学硕士授予单位：河北农业大学答辩日期：独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解河北农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权河北农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日学位论文作者毕业后去向：工作单位：电话：通讯地址：邮编：摘要本文针对太行山石灰岩区土壤，通过室内模拟降雨试验，研究了不同降雨强度、不同坡度石灰岩土壤坡面侵蚀产流产沙过程，并根据土壤的理化性质和人工模拟降雨试验所得数据，结合通用水土流失方程RUSLE模型和前人总结经验，探讨了石灰岩土壤可蚀性K值的测定方法及其随雨强变化规律。

取得的主要结论如下：（1）坡面动态径流量在其他条件相同，不同降雨强度下，随着降雨强度的增大而增加，即100mm/h＞85mm/h＞60mm/h；（2）坡面径流总量随雨强的变化，100mm/h时径流总量为540.97L-603.20L，85mm/h时径流总量为445.68-528.95L ，60mm/h时径流总量为332.28L-354.52L；（3）坡面径流泥沙含量变化，坡度为5°时，径流泥沙含量随着降雨强度的增大而增加，坡度为10°、15°、20°、25°时，85mm/h与100mm/h雨强下径流泥沙含量十分接近，且均大于60mm/h雨强径流泥沙含量；（4）坡面累计产沙总量随雨强的变化，100mm/h时产沙总量为9293.57g-13670.34g，85mm/h时产沙总量为7201.51g-11855.19g，60mm/h时产沙总量为5273.98g-6144.86g；（5）坡面动态径流量与径流总量在其他条件相同，不同坡度下，随着坡度的增大而增加，即25°＞20°＞15°＞10°＞5°；（6）坡面径流泥沙含量在其他条件相同，不同坡度下，随着坡度的增大而增加，即25°＞20°＞15°＞10°＞5°；（7）坡面累计产沙总量随坡度的变化，雨强为60mm/h时，产沙总量维持在5300g-6100g左右，其他雨强条件下，产沙总量随着度的增大而增加，即25°＞20°＞15°＞10°＞5°；（8）坡面径流系数变化规律，各降雨强度下径流系数曲线斜率大小顺序为85mm/h＞100mm/h＞60mm/h，在相同降雨强度条件下，径流系数随着坡度的增大而增大，即25°＞20°＞15°＞10°＞5°；（9）坡面径流深随着降雨强度的增大而增加，受坡度因素影响不大。

土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响2009年4月7(2):卜6中国水土保持科学ScienceofSoilandWaterConservationV o1.7No.2Apr.2009土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响刘汗,雷廷武,赵军(1.中国农业大学水利与土木工程学院现代精细农业系统综合研究重点实验室,100083,北京;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与早地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌)摘要为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流一人流一出流法和双环入渗法测量比较,采用不同降雨强度(20,40和60mm/h)和3种土壤含水率(2.60%,10.4%和19.5%)进行试验比较.结果表明:土壤入渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增加而增加,稳定人渗率则随着含水率的增加而降低.同时,通过Kostiakov,Ho~on和Philip入渗模型对试验结果进行回归分析,径流一人流一出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Ho~on入渗模型回归结果优于其他人渗模型.关键词土壤含水率;人渗性能;降雨;双环入渗法;地表结皮EffectsofinitialsoilwatercontentandrainfallintensityonLoessinfiltrationcapacityLiuHan,LeiTingwul-,ZhaoJun(1.KeyLaboratoryofModemPrecisionAgricultureSystemIntegrationResearch,Collegeo fWaterConservancyandCM1Engineering,ChinaAgriculturalUniversity,100083,Beijing;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionand DrylandFanningontheLoessPlateau, InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&amp;MWR,712100,Yani"g,Shaanxi:Chin a)AbstractTheRun—off-on?out(ROOO)methodwasusedtomeasuresoilinfiltrabilityinordertoresearchthe effectsofrainfallintensityandsoilwatercontentonsoilinfihrabilitycomparedwithDoubleR ing(DR)method.Theexperimentsinvolved3soilmoisturecontents(2.6%,10.4%and19.5%)and3rai nfallinten-sities(20,40and60mm/h).SoilinfihrabilitymeasuredbytheROOOmethoddecreasedwithh igherinitialsoilwatercontentandrainfallintensity.However,theinitialsoilinfihrabilityobtainedbyDR methodin—creasedwithhighersoilwatercontent,aswellasthestableinfiltrabilitydecreasedwithhigher soilwatercon—tent.ThesoilinfihrabilityprocessesmeasuredwiththeROOOmethodgivebetterfittingswit hKostiakov,Hor—tonandPhilipinfihrationmodels,thanthosemeasuredwithdouble—ringinfiltrometer.Moreover,theHorton infiltrationmodelgivesthebestfittingresultscomparingwithothermodels. Keywordssoilwatercontent;infiltrability;rainfall;doubleringmethod;surfacecrust土壤人渗是地表水转化过程中的重要环节,在水循环过程中具有重要的作用.土壤入渗性能对于水资源高效利用,农业灌溉和水文环境等领域具有重要的意义.土壤水分人渗是水分在土壤内部分布的一个动态过程,因此,土壤初始含水率的变化必然影响土壤入渗过程.随着土壤初始含水率的增加,非稳渗阶段的入渗速率迅速降低,趋于稳定人渗速率的时间收稿日期:2008-06—30修回日期:2oo8—1卜11项目名称:国家自然科学基金"黄土区多尺度小流域土壤水蚀动态过程模拟研究"(40635027);天水籍河重点支流治理项目(二期)水土保持监测体系建设第一作者简介:刘汗(1981一),男,博士研究生.主要研究方向:土壤侵蚀及水土保持.E—mail:lylblh@.十责任作者简介:雷廷武(1958一),男,博士,教授,博士生导师.主要研究方向:土壤侵蚀及水土保持.E—mail:ddragon@pub—.an2中国水土保持科学2009矩缩短….G.B.Bodman等Ⅲ2认为,在人渗初期,随着土壤含水率的增加,土壤入渗速率减小,随着时间的延续,含水率对入渗的影响变小,最终可以忽略.J.D.Eigle等_3的研究表明,土壤结皮对裸地入渗的影响大大超过其他因素的影响,其减少人渗量可达80%.降雨动能与降雨强度密切相关,因此,降雨强度也是影响土壤降雨人渗性能的重要因素.J.Rubin_4和A.0.Aken等5J的研究表明,不同降雨强度下,入渗曲线形式是相同的,如果降雨历时足够长,均质土壤的稳定入渗率,人渗总量与降雨强度无关,但瞬时人渗速率受降雨强度大小和时间变化影响较大.国内也有一些不同的研究结果:随着降雨强度增大,土壤入渗率和稳定入渗率均有增大的趋势¨6,但大部分研究都是针对土壤实际人渗率与降雨强度之间的关系,而对于土壤入渗性能(最大入渗能力)与降雨强度关系的研究非常少.双环入渗是常用的土壤入渗测量仪器,可以方便快速地测量土壤人渗率,具有结构简单,操作简便和移动方便等特点_8j.由于双环入渗法测量过程中需要保持环内水位高度稳定一致,因此不适用于坡地土壤测量.人工降雨法也是较为广泛使用测量土壤入渗的方法之一.通过模拟天然降雨,测量降雨量与产流量随时间变化过程,即可计算土壤人渗率变化过程,具有不受地形限制适应性强的特点,而且综合考虑了降雨引起土壤侵蚀对土壤人渗过程的影响;但人工降雨法测量土壤入渗率受降雨强度限制,只能测量土壤人渗性能小于降雨强度部分.雷廷武等¨lo_研究了一种测量土壤人渗性能的径流一人流一出流法,可以方便测量模拟天然降雨条件下,土壤人渗性能变化全过程.笔者主要采用径流一人流一出流法,以双环人渗仪测量结果作为对照,.研究不同土壤含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,并通过传统入渗计算模型回归分析比较研究结果的合理性.1材料与方法试验在中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的人工降雨大厅进行.试验土壤为陕西杨凌的黏黄土,土样采自地表20～30cm土层,土壤颗粒组成如表1所示.表1试验土壤颗粒组成Tab.1Particlesizedistributionoftheexperimentalsoil试验所需初始土壤含水率按田间持水量的百分比配置,分别为自然风干土,体积含水率为10.4%(约等于田间持水量的30%)和体积含水率为19.5%(约等于田间持水量的60%)的土壤.土壤含水率按要求配置后均用塑料薄膜覆盖密封处理7～10d,一方面防止土壤表层水分散失,另一方面使土壤充分熟化,含水率进一步均匀.实验用水平土槽尺寸为8m×3m×0.5m,按照5cm厚度分层装土,土层总厚度为25cm,密度为1.3g/cm3,装土时采用自制钢钉插实,避免传统方法表面打压夯实,破坏表层土壤结构.装土后用塑料薄膜覆盖进行密闭处理,翌日进行试验,以使土壤水分进一步均匀,试验前再次现场快速测定土壤含水率,以确保所配置含水率符合试验要求.采用产渗流土壤人渗性能测量仪_10_测定不同土壤含水率下土壤入渗变化过程,该仪器装置如图1所示,包括人工模拟降雨装置(图1(a))和下垫面设置(图1(b)),其中,下垫面分隔设计3个相同尺寸土槽,相当于3次重复试验.实验过程中记录径(a】人工降雨装置(b)F垫面设置图1径流一入流一出流法测量系统Fig.1Schematicsystemofthe13in—off-on—outmethod流在地表随时间推进的过程,代人计算模型得出土壤人渗性能随时间变化规律.本研究设计了3种不同的降雨强度,分别为20,40和60mm/h,研究稳定降雨强度下,不同含水率对土壤入渗性能的影响.同时采用传统双环入渗法作为对照,双环入渗仪内第2期刘汗等:土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土人渗性能的影响外环直径分别为28和53cm,采用马氏瓶补给内环水量维持稳定水位,3次重复实验.2结果与分析2.1降雨强度对土壤入渗性能影响在稳定降雨强度下,径流一人流一出流法测量的土壤入渗性能大于双环入渗法(图2～4),特别是试验开始阶段的初始入渗性能.如图2所示,径流一人流一出流法测量的稳定入渗率远大于双环入渗法,是双环法测量数值的2—4倍,而随着降雨强度的增大(图3～4),稳定人渗率之间的差别逐渐缩小.原因在于雨滴动能随着降雨强度的增加而增加,而雨滴动能是土壤表面结皮的重要影响因素,降雨强度增加使得结皮发育更成熟,导致稳定入渗率大幅下降, 与双环入渗法的差异随之缩小.表2为不同降雨强度下降雨动能计算列表,对于不同研究地区的不同计算公式结果均表明,随着降雨强度增大,降雨动能逐渐增大,但增加趋势逐渐变缓,也就是说降雨动能增加的趋势小于降雨强度增加趋势.这与不同降雨强度下土壤入渗性能变化曲线趋势是一致的(图2 ～4),即降雨强度20mm/h与40mm/h的入渗性能曲线之间的差异大于降雨强度40mm/h与60mm/h 入渗性能曲线之间的差异,一定程度上说明了径流一人流一出流法测量结果的合理性.三l瓣&lt;图2降雨强度20min/h下土壤入渗性能曲线与Fig.2Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder20mm/h withdoubleringmethod因此,径流一人流一出流法测量土壤入渗性能随着降雨强度的增加而逐渐降低,并逐渐趋于稳定;原因在于随着降雨强度的增加,降雨动能增加趋势变缓,雨滴对地表的打击扰动能力逐渐达到相对稳定值,不再随降雨强度增大而线性递增,地表结皮程度也相应达到稳定.在试验过程中,20mm/h降雨强度下一直未见有径流出流,说明此工况下土壤稳定入渗率大于降雨强度,所有降雨及径流完全入渗,而传统的降雨入渗测量方法对于未产流的情况,很难测量土壤人渗性能变化过程.,皇喜斛斑&lt;时间/l1图3降雨强度40mm/h下土壤入渗性能曲线与双环法测量比较Fig.3Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder40mm/h withdoubleringmethod昌.1;{L&lt;时间/l1图4降雨强度60mm/h下土壤入渗性能曲线与Fig.4Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder60mm/hwith doubleringmethod双环入渗法测量土壤入渗性能小于径流一人流一出流法测量结果,可能的原因如下:一方面双环人渗法在测量开始时,需要向内外环迅速加水造成土壤快速湿润,土壤颗粒迅速崩解分散,堵塞土壤孔隙通道,很短时间内就引起土壤表面结皮,土壤人渗性能随之迅速降低,并且由于双环入渗法为积水人渗在土壤表面形成水封,使得土壤中的气体无法及时排出,阻碍了水分的正常人渗;另一方面双环法测量试验开始阶段,土壤初始人渗性能很高,马氏瓶供水能力受限于出水口直径和管径,未能及时补给双环入渗所需水量,为非充分供水人渗.4中国水土保持科学2009年K=11.87+8.731ogiK=29(1—0.72exp(一0.051))K=36.8(1一O.69exp(一O.0381))K=28.3(1一O.52exp(一O.0421))K=27.83+11.551oglK=32.98+12.131ogl23.2321.3224.9321.9542-8648.7625.8626.1731.2525.5646.3352.4127.39W.H.Wischmeier等【"J27.96L.C.Brown等lJ34.20A.W.Jayawardena等[]27.12A.M.VanDiik【j48.37江忠善等[15针对中国西北地区普通雨型54.55江忠善等[]针对中国西北地区矩阵型雨型2.2含水率对土壤入渗性能影响图2～4径流一人流一出流法测量结果表明,土壤初始含水率增加时,土壤入渗性能降低速度更快. 对于40mm/h(图3)和60mm/h(图4)降雨强度,随着降雨强度的增大,土壤含水率对土壤入渗性能的影响逐渐缩小,土壤入渗性能曲线趋于一致.径流一人流一出流法土壤初始含水率增加时,土壤入渗性能降低速度更快,可能的原因是随着土壤含水率增加,初始土壤水吸力降低,水力梯度逐渐减小,土壤入渗性能降低速度加快.随着降雨强度的增大,土壤含水率对土壤入渗性能的影响逐渐缩小, 土壤入渗性能曲线趋于一致.可能的原因是,在较大降雨强度时,土壤表面结皮对入渗性能的影响占据主要作用,而含水率对入渗的影响相对处于次要位置.说明随着降雨强度的增加,含水率的变化对土壤入渗性能的影响逐渐降低.用图2～4双环入渗法测量的结果表明,试验初始阶段土壤初始入渗率随着土壤含水率增加而增加,稳定人渗率随着土壤含水率的增加而减小.可能的原因是:双环人渗法开始测量时,需要向内外环同时加水,土壤颗粒快速湿润分散,堵塞土壤孔隙引起地表结皮,严重影响土壤人渗,掩盖了土壤含水率对入渗性能的影响;因此,在双环人渗初始阶段,地表结皮状况对入渗的影响大于含水率变化对初始入渗的影响,尤其是对于含水率较低的干燥土壤(2.60%),地表快速湿润时更容易形成结皮.所以,用双环入渗法测得的土壤初始入渗率随着初始含水率的降低而降低.对于初始含水率较高的土壤(10.4%与19.5%),地表结皮敏感度降低,初始入渗率之间的差异逐渐缩小.当地表结皮程度相对稳定后,水力梯度逐渐成为影响人渗的主导因素,初始含水率较低的土壤水力梯度越大,有利于增加土壤入渗,双环入渗法测量的稳定入渗率随着含水率降低而增加.2.3土壤累积入渗量比较图5～7比较了双环入渗法和径流一人流一出流法不同试验状况下的累积人渗量.径流一人流一出流法的累积入渗量均大于双环法的累积入渗量,特别是较小降雨强度20mm/h时,径流一人流一出流法累积入渗量约为同时段双环累积入渗量的2～4倍.可能的原因是,双环入渗法和径流一入流一出流法测量过程中不同的湿润速度,引起地表不同程度的结皮直接影响土壤入渗.双环人渗法在测量开始时,快速湿润会引起严重的地表结皮,而径流一人流一出流法对地表土壤颗粒而言,降雨首先起到了预湿润的作用,而随后的径流逐步湿润;因此,湿润速度与双环人渗相比较慢,并且土壤孔隙通道中空气随着降雨持续而逐渐被排出,不会瞬间被压缩形成气泡直至破裂,从而破坏土壤结构.第2期刘汗等:土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响5 300I200&lt;鼬{5100●2.6O%,40mm/h◆lO-4%,40mrn/h▲19.5%40mm/ho2.60%,双环人渗法◇10.4%,双环人渗法△19.5%,双环入渗法象22宝0_20.40.6081.0时间/h图6降雨强度40mm/h累积入渗与双环法累积入渗量比较Fig.6Comparisonofcumulativeinfiltrationunder40mm/h withdoubleringmethod300目200&lt;100●2.6O%.60mm/h◆10.4%.60mm/h▲19.5%.60mm/hO2.60%,双环入渗法o10.4%,双环人渗法△19.5%,双环人渗法罢是窘盒222宝2时f目/h图7降雨强度60mm/h累积入渗与双环累积人渗量比较Fig.7Comparisonofcumulativeinfiltrationunder60mm/h withdoubleringmethod线性增加.可能的原因是,由于降雨强度较小,影响入渗的主导因素为水力梯度,累积入渗量随着土壤含水率的增加而逐渐降低_1.对于40mm/h(图6)和60mm/h(图7)较大降雨强度时,降雨动能增加的同时地表湿润速度加快,由此引起的地表结皮会显着降低土壤人渗性能,而随着降雨强度递增,地表结皮程度达到相对稳定状态;因此,随着降雨强度的增加,含水率对累积人渗量的影响逐渐变小.图5～7不同降雨强度累积人渗量比较表明,20mm/h降雨强度累积入渗量远大于40和60mm/h降雨强度,主要原因是降雨强度增加,雨滴对地表打击夯实能力增强,使得地表结皮状况更严重,产流转化率迅速提高,土壤人渗性能降低.尽管20mm/h降雨强度相比40和60mm/h更小,相同时间内降雨量更少,但径流一人流一出流法中降雨产流面的上方来水,能够满足20mm/h降雨强度下为充分供水人渗,表现土壤的真实人渗性能.不同含水率状况下,双环人渗法测量累积人渗量曲线均非常接近(图5),可能的原因是双环人渗法测量开始向内外环注水时,快速一致的湿润速度决定了地表结皮状况的相似性,进一步决定土壤累积入渗曲线的相似性.当试验后期水力梯度逐渐对入渗起主导作用时,双环法测量累积入渗量结果表明,随着土壤含水率的增加而减少.2.4土壤入渗计算模型回归比较传统入渗计算模型对不同测量方法试验结果回归分析(表3)表明,径流一人流～出流法测量数据的回归计算结果均显着优于双环入渗法测量数据的回归计算结果,一定程度上说明了径流一人流一出流法测量不同含水率对土壤入渗性能影响的合理性,均能够很好的满足经典入渗理论模型描述土壤入渗性能变化过程.其中,径流一人流一出流法测量结果入渗模型回归决定系数R为0.940.99.而对于双环入渗法测量结果,Horton入渗模型回归分析结果是最好的,回归决定系数为0.97—0.99,明显优于A.N.K0stiakov['](0.86&lt;R&lt;0.93)和J.R.Philip_l副(0.76&lt;R&lt;0.84)入渗模型回归计算结果, 这与M.K.Shukla等_19¨的研究结果是一致的.3结论与讨论1)径流一人流一出流法测量结果表明,土壤人渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着含水率的增加而降低,而且随着降雨强度的增加,含水率变化对土壤人渗性能的影响逐渐降低.双环入渗法测量结果表明,初始人渗率随着土壤含水率增加而增加,稳定人渗率随着土壤含水率的增加而减小;主要原因是双环人渗仪测量初期地表结皮是影响初始入渗的主要因素,之后含水率变化引起的水力梯度才逐渐成为影响人渗的主要因素.解文艳等_20_通过双环入渗仪野外实验研究土壤含水量对土壤人渗能力的影响也得出相似的结论.2)径流一人流一出流法测量的稳定入渗率大于双环人渗法,20mm/h较小降雨强度时约为双环测量数值的2～4倍,而随着降雨强度的增大,稳定人渗率之间的差别逐渐缩小.3)通过Kostiakov,Horton和Philip入渗计算模型回归拟合,径流一人流一出流法测量结果回归分析优于双环入渗法测量结果,Horton入渗模型回归决定系数优于其他人渗模型.由于该研究在室内条件下进行实验比较,进一步可以考虑更为广泛的野外应用研究,为水文水资源,灌溉管理及土壤侵蚀等相关学科提供参考.6中国水土保持科学2009年4参考文献[1]HiHelD.CrustFormationinLassiessoils.InternationalSoil Science,1960,29(5):330-337[2]BodmanGB,ColmanEA.MoistureandEnergyCondition DuringDownwardEntryofWaterintosoil.SoilScience SocietyofAmericaJournal,1994,8(2):166—182[3]EigleJD,MooreID.Effectofrainfallenergyoninfiltration intoabaresoil.JRANS.OfASAE,1983,26(6):189—199 [4]RubinJ.Theoryofrainfalluptakebysoilinitiallydriverthan theirfieldcapacityanditsapplications.WaterResource 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Methodsofsoilanalysis.Part1.2nded.AgronMonogNo.9.MadisonWI:ASAandSSSA,1986:825—843[9]袁建平,蒋定生,文妙霞.坡地土壤降雨入渗试验装置研究.水土保持通报,1999,19(1):24—27[10]LeiTW,"uH,PanYH,eta1.Runoff-on—outMethod andModelsforSoilInfiltrabilityonHill—slopeunderRainfall Conditions.ScienceinChinaSeriesD,2006,49(2):193—201[11]WischmeierWH,Smi山DD.Predictingrainfallerosion DAAgriculturalResearchServiceHandbook,1978:537l12』BrownLC,FosterGR.Stromerosivityusingidealized intensitydistributions.TransactionsoftheAmericanSocietyof AgriculturalEngineers,1987,30(2):379—386l13JJayawardenaAW,RezaurRB.Dropsizedistributionand kineticenergyloadofrainstormsinHongKong.Hydrological Processes,20O0,14(6):1069—1082l14JVanDijkAM,Rainfallintensity—kineticenergyrelationships: acriticalliteratureappraisa1.JournalofHydrology,2002,261(1.4):卜23[15]江忠善,宋文径,李秀英.黄土地区天然降雨雨滴特性研究.中国水土保持,1983(3):32-36[16]陈洪松,邵明安,王克林.初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响.农业工程,2006,22(1):44-47[17jKostiakovAN.Onthedynamicsofthecoefficientofwater- percolationinsoilsandonthenecessityforstudyingitfroma dynamicpointofviewforpurposesofamelioration. 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