膨胀性土壤降雨入渗产流模型

膨胀性土壤吸水会发生膨胀变形,这对降雨入渗产流过程有显著影响。本文以Green-Ampt模型为基础,提出了考虑土壤膨胀性的非稳定降雨入渗产流模型(GJGAM)。为量化土壤膨胀性对降雨入渗产流过程的影响,文章引入了考虑土壤膨胀性的土壤饱和导水系数及饱和含水量,并提出了两参数的计算方法。同时,应用GJGAM和传统的不考虑土壤膨胀性模型(TGAM)分别模拟了径流强度和土壤累计入渗量的室内试验过程,并与试验观测值进行了对比分析。结果表明:利用GJGAM模拟得到的土壤累计入渗量和径流强度与其实测结果吻合良好,而TGAM模拟得到的土壤累计入渗量大于实测值,而径流强度小于实测值。     

空气阻力影响下的分层土壤非稳定降雨入渗产流模型

降雨或灌溉期内,土壤内的空气很难及时全部排出。禁锢在土壤中的空气产生的压力阻碍了土壤水分入渗。针对空气阻力对土壤入渗过程的影响,对Green-Ampt模型进行了改进,提出了非稳定降雨条件下考虑空气阻力作用的分层土壤降雨入渗产流模型(MGAM)。模型中,引入了饱和度系数(Sa)量化入渗水分剖面滞留空气影响下的实际导水系数和实际含水量,引入进水值(hwb)和进气值(hab)量化湿润锋处实际负压水头,并提出由土壤物理性质估算饱和度系数(Sa)、进水值(hwb)和进气值(hab)的参数化方案。为了验证模型适用性,采用MGAM模型模拟分析了室内开展的空气限制条件下的分层土壤非稳定降雨一维入渗产流试验观测成果,包括土壤水分分布特征、土壤累计入渗量和径流强度,并将模型模拟值与试验观测值,以及传统不考虑空气阻力TGAM模型(Traditional Green-Ampt Model)模拟值进行了对比分析,结果表明MGAM模型模拟的土壤累计入渗量、土壤含水量和径流强度均与实测结果吻合良好,而TGAM模型模拟土壤累计入渗量、土壤含水量均大于实测值,而径流强度小于实测值。     

考虑空气阻力作用的分层土壤降雨入渗模型

基于室内试验资料,建立了非稳定降雨条件下考虑空气阻力作用的Green-Ampt模型(Modified Green-Ampt Model,MGAM),其包括非稳定降雨条件下土壤积水入渗过程和非积水入渗过程、湿润锋运移过程、积水入渗状态和非积水入渗状态相互转化过程。为了量化空气阻力作用影响程度,引入了饱和度系数Sa,并提出饱和度系数计算方法。同时应用MGAM和传统的Green-Ampt模型(Tranditional Green-Ampt Model,TGAM)模拟了径流强度、土壤累计入渗量和土壤剖面含水量,并和实测值进行了对比分析。结果表明:MGAM模型模拟的土壤累计入渗量、土壤含水量和径流强度均与实测结果吻合良好,而TGAM模型模拟土壤累计入渗量、剖面含水量均大于实测值,而径流强度小于实测值。     

基于入渗产流分析的透水砖地面铺装结构试验

为了找出有利于降雨入渗、削减径流的透水地面铺装结构,通过人工降雨试验,研究不同铺装垫层结构透水地面的降雨入渗与产流特性。根据8种铺装结构在径流削减、入渗量增加、开始产流时间滞后等方面的效果比较,推荐透水砖地面自上而下的铺装结构为"透水砖面层+无砂混凝土+单级配碎石"形式。     

坡面降雨入渗产流规律的数值模拟研究

本文采用运动波理论和两次改进后的Green-Ampt入渗模型建立了坡面降雨入渗产流的动力学模型，并得到了实验资料的良好验证。运用该模型研究了简单坡面上降雨入渗产流的动力学规律，分析了雨强，土壤初始含水量，渗透系数，坡面阻力，以及坡长，坡度等因素对坡面产流过程的影响规律，得出了一些有益的结论。     

考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟

现有数值模拟方法在模拟边坡降雨入渗时通常不能考虑径流流量补给对滑体渗流的影响,当滑床和滑带的渗透性相对于滑体极低时,会出现低估降雨入渗量、高估滑坡稳定性的现象。以Richards方程、运动波方程和有限元法为基础,提出了一种降雨时滑坡渗流数值模拟方法。该方法忽略滑床和滑带的渗流而只考虑滑体渗流过程,从而减小计算规模,也避免了因滑体与滑床(滑带)渗透性差异过大引起的数值计算困难;依据地形和滑体降雨入渗边界饱和情况,修正降雨入渗边界类型和流量,实现了考虑径流流量补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。对简单土质边坡降雨入渗进行数值模拟,从水量平衡与边坡渗流场两个角度,对比了考虑和不考虑径流流量补给的区别;结果表明,考虑径流流量补给时才能保证计算结果水量平衡,正确反映降雨入渗对基质吸力大幅降低的作用。     

不同坡度和前期土壤含水率条件下裸地降雨产流试验研究

坡度和前期土壤含水率是降雨产流过程的重要影响因素。为研究华北半干旱地区的降雨产流机制,采用人工模拟降雨的方法,进行了不同坡度(5°、10°和15°)和前期土壤含水率(0.20、0.25和0.30)条件下的降雨产流试验。结果表明:在整个降雨产流过程中,地表径流量随坡度和前期土壤含水率的增加而增大,累积径流量与产流历时呈线性函数关系;土壤入渗率和产流滞时均随前期土壤含水率和坡度的增加而减小,且前期土壤含水率对土壤入渗率和产流滞时的影响较坡度更加明显;Horton模型对降雨入渗关系的拟合结果优于Kostiakov和Philip模型。     

黄土地区土壤含水量消退系数的变化规律与产流计算

土壤前期影响雨量的消退系数K是产流模型中的参数之一，它直接影响产流成果。以南京水文出资源所产流模型为例，对团山沟流域的K值与产流进行了计算，并得到如下认识：1）单点K值与土层深度成线性递增关系，而与初始土壤含水量呈递减关系。只有当土层取得足够厚时，计算的K值才能够较确切地反映蒸散发的影响，这个土层深度要依靠降雨入渗锋面的分析来确定；2)数域面平均K值应与数城产流模型结合考虑，作为模型参数优选确定。     

黑土区坡地土壤NO_3-N运移规律及模型验证

为了研究黑土区坡地土壤NO_3-N运移规律,采取在径流槽内坡面土壤开展人工模拟降雨的试验方法,探讨不同降雨强度和坡度对土壤中NO_3-N运移过程的影响。试验结果表明:坡度从3°增大到9°时,降雨强度对坡面土壤降雨平均入渗率影响变小,降雨强度对坡面土壤NO_3-N流失影响较大,不同降雨强度和坡度条件下坡面径流中NO_3-N浓度从开始产流迅速变小并逐渐稳定,降雨强度越大,径流中NO_3-N浓度越小。模型模拟表明产流初期完全混合模型和不完全混合模型拟合度不高,不同降雨强度条件下相关系数不完全混合模型高于完全混合模型。     

边坡渗流与坡面径流联合求解三维有限元模型

强降雨特别是暴雨常常诱发边坡失稳。边坡渗流场的模拟是准确评价边坡稳定性的前提,然而强降雨条件下的渗流场与坡面径流相互影响,十分复杂。为准确模拟此时边坡水分的运移过程,建立边坡渗流与坡面径流联合求解三维有限元模型。模型采用Richards方程描述边坡饱和-非饱和渗流过程,采用运动波方程描述坡面径流过程;分别采用有限元和特征有限元建立渗流和径流控制方程的有限元格式;以边坡渗流场和坡面径流场之间的交换流量为联系(但不计算流量),将2组有限元方程相加而消去交换流量,从而构建边坡渗流与坡面径流联合求解模型;若坡面产流,则根据坡面径流场修正入渗边界流量。对简单边坡降雨入渗进行数值模拟,对比了该方法与Geo-Seep所得结果,表明当上段边坡渗透性相对下段边坡较小,且上段边坡产流而下段边坡未产流时,该方法所得的累积入渗量更加符合实际情况。     

汶川震区滑坡堆积体降雨入渗产流特征人工模拟实验研究

5.12汶川地震引发了大量的滑坡堆积体,在雨水的冲刷下,不仅会造成山体崩塌,还会发生次生灾害。本文以汶川震区滑坡堆积体为研究对象,采用室内人工模拟降雨方法,探讨了不同降雨强度和土石比条件下滑坡堆积体坡面产流与入渗规律。结果表明:(1)除土石比1∶4的滑坡堆积体在所设计的降雨强度(1.0,1.5和2.0 mm/min)和土石比为1∶2滑坡堆积体在降雨强度为1.0 mm/min时没有出现产流,其他条件下的滑坡堆积体的产流时间随着降雨强度的增大而减小,而产流率随着降雨强度的增大而增大,且土石比为1∶1的平均产流率比土石比为1∶2的滑坡堆积体大。(2)根据3种入渗模型的对比分析,可知Horton模型为最适合震区堆积体的入渗模型。(3)在降雨强度为1.5 mm/min时,土石比1∶1的滑坡堆积体累积产流量比土石比为1∶2的堆积体大;在降雨强度为2.0 mm/min时,土石比1∶1和1∶2滑坡堆积体累积产流量的变化规律几乎相同。本研究可为汶川震区滑坡堆积体的灾后修复提供实验依据。     

基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析

以SWMM为基础,选取北京市典型小区,计算不同频率设计暴雨下小区排水效果以及积水、道路坡面流等情况,同时进行不同情景下的暴雨洪水模拟并评价其影响,包括改凸式绿地为平式和凹式、设置蓄洪区等。模拟计算的结果显示,以上3种方式对入渗、径流、洪峰流量、坡面流等均有较大影响,作为城市防洪排水的重要辅助措施,可以极大地缓解排水管道压力,同时削减洪峰、增加入渗。     

冰冻圈水文过程对黑河上游径流的影响分析

黑河上游处于高寒山区,开展冰冻圈水文过程对径流的影响研究,对于判断该地区径流变化趋势及其可持续性具有重要意义。本文应用基流分割、逐步多元回归等方法,分析了1960—2013年黑河上游出山径流量的变化及其原因,重点估计了融雪、冰川融化对径流的贡献,探讨了土壤冻融过程对径流变化的可能影响。分析结果表明,黑河上游山区河川径流在近54年间呈现上升趋势,其中以基流部分的上升为主。降水与气温变化对河川径流上升均有较大贡献。导致春季径流增加的主要因素为温度、降水次之;导致秋季径流增加的主要因素为降水、温度次之。夏季黑河上游东支的雨强有显著增大趋势(日雨量增幅为0.9 mm/10 a),对于河川径流贡献的比例约为15%。黑河山区的逐年降雪量变化不显著,冰川融化对径流增加的贡献小于10%。由此推断气温上升导致基流增加的主要原因是:气温升高导致高寒山区冻土活动层增厚,增加了土壤蓄水容量,从而导致降雨下渗量增加和基流量增大。由于黑河上游冻土分布广泛,未来气温持续上升的情况下,这种产流机制变化导致的基流增加具有可持续性。     

土石混合介质碎石性质对土壤入渗和产流过程影响

为了研究土石介质中碎石性质对土壤入渗和产流过程的影响,本试验采用室内土柱试验,分析了两种不同岩性碎石(片麻岩和石灰岩)分别在碎石质量比例(土石介质比例)为15%、45%、65%和90%的条件下,对土壤入渗和产流的影响,并用Philip模型和Horton模型进行了拟合分析。其结果如下:(1)在同一种岩石,相同时间内,土壤累积入渗量随碎石含量的增多而减小,产流量随碎石含量的增多而增加;(2)在相同碎石比例条件下,相同时间内,片麻岩的累计入渗量大于石灰岩,而产流量小于石灰岩;(3)Philip模型、Horton模型均可拟合土石介质土壤累计入渗量随时间变化关系,稳定入渗率A(if)随碎石含量呈减小趋势,土壤吸渗率S随碎石含量呈减小趋势,而初始入渗率ii呈增加趋势。     

下凹式绿地对地表径流的调节作用研究

下凹式绿地是城市低影响开发建设的手段之一,为评价下凹式绿地对城市地表径流的调节作用,通过对不同暴雨重现期下的下凹式绿地雨水渗蓄率、临界下凹深度、临界面积比例进行计算,设计研究区下凹式绿地建设方案,并对各方案的径流拦蓄效果和减峰效果进行对比分析。结果表明:当暴雨重现期为3、5和10 a时,在研究区实施两种不同下凹深度(0. 15、0. 2 m)和不同下凹式绿地率(20%～45%)的下凹式绿地建设方案,其拦蓄效果和减峰效果均能达到99. 92%以上。下凹式绿地对城市地表径流调控具有显著的调节效果。     

土石山区山坡壤中流汇流界面研究——以太行山崇陵流域为研究区

为促进山坡产汇流过程的精细化模拟,以河北省易县崇陵流域典型的土石山区不同坡位点(坡顶、坡中上、坡中、坡中下、坡脚)以及不同植被(油松和侧柏)为研究对象,采用亮蓝染色剂开展了野外双环入渗染色剂示踪试验,研究了山坡壤中流汇流界面的变化规律及其影响因子。结果表明:(1)山坡壤中流汇流界面埋深介于0. 6～1. 5 m之间,从坡顶到坡脚,汇流界面厚度逐渐减小;(2)植被覆盖对壤中流汇流界面的影响很大,在相同的坡位处,侧柏的壤中流汇流界面厚度大于油松的壤中流汇流界面厚度;(3)汇流界面的影响因素主要是土壤的结构和孔隙性、岩石风化层的层次结构,植被通过改变土壤的孔隙性引起汇流界面的变化。     

基于物理过程的分布式流域水沙预报模型

将分布式水文模型与土壤侵蚀产沙模型相互嵌套,构建了一个分布式流域水沙预报模型。模型基于DEM,将流域离散为“坡面+ 沟道”系统,采用“+ 1 ”分级方法将沟道组织为河网,实现了流域水沙预报的并行计算。坡面单元划分为植被层、地表层、非饱和带和地下水层,模拟了降雨、截留、蒸散发、入渗、地表径流、壤中流和地下水、各种形式的侵蚀产沙及泥沙输移;沟道进行汇流演算以及泥沙输移。模型在李子溪流域对长系列降雨的模拟结果表明,模型的水文模块模拟精度良好,侵蚀产沙模块模拟效果基本令人满意。     

Model description of storage and infiltration functions of infiltration facilities for urban runoff analysis by a distributed model.

Although there have been simulation researches focusing on reduction of stormwater peak flow by introduced infiltration facilities, model simulation of dynamic runoff behavior is still limited for frequently occurring rainfall events with weak intensity. Therefore, dynamic simulation was carried out in two urban drainages with infiltration facilities incorporated with a distributed model using two methods for describing functions of infiltration facilities. A method adjusting effective rainfall model gave poor simulation of runoff behavior in light rainfalls. Another method considering dynamic change of storage capacity as well as infiltration rate gave satisfactory estimation of the runoff in both drainages. In addition, assumption of facility clogging improved the agreement between measured and simulated hydrographs in small and medium-sized rainfall. Therefore, the proposed method might be useful for quantifying the secondary effects of the infiltration facilities on groundwater recharge and urban non-point pollutant trapping as well as runoff reduction.     

五台山清水河流域植被垂直带水循环过程研究

五台山为华北地区最高峰(海拔3058 m),发源于五台山的清水河流域,海拔梯度大,植被垂直分异显著,目前关于植被垂直带的水循环过程及其相互之间的差异研究尚显不足。为此,利用分布式水文模型WEP-L模拟清水河流域水循环过程,分析不同植被垂直带的水循环过程。结果表明:受气温显著升高影响,高海拔地区的季节性冻土消退、活动层变厚及土壤蓄水容量增加,促进降水入渗。海拔1500 m以下区域蒸散发主要受降水影响,而海拔1600 m以上区域则主要受能量的影响。不同植被垂直带的水循环过程差异显著,径流系数表现为:耕地亚高山草甸荒漠草地常绿针叶灌木林落叶阔叶林。研究结果可为山区流域水资源高效利用和生态建设提供科学依据。     

干旱与半干旱地区洪水预报研究

根据干旱与半干旱地区降水时空分布变化大、洪水暴涨暴落,与湿润、半湿润地区不同的特点,提出干旱与半干旱地区的主要产流方式为蓄满和超渗两者兼而有之的混合产流方式。在综合了国内外相关模型的基础上,提出了超渗和超持的双超产流模型。同时建议加强雨量观测站网规划和建设工作,增加计算划分模拟单元,以提高模拟的合理性和准确性。