西南喀斯特地区坡地产流过程及其利用技术

西南喀斯特地区受表层裂隙发育及石漠化作用的影响，坡地产流过程及各径流成分之间的循环转化机制复杂，导致坡地产流效率的空间异质性强烈，成为岩溶水文学的难点之一.以往学者们多采用非岩溶区水文模型与技术研究坡地产流影响因素，以揭示坡地产流的概化过程，并应用多种坡地径流水资源高效利用技术与模式开发坡地水资源，以提升坡地径流的利用效率，但在产流过程研究中忽视了土石界面对蓄满产流与超渗产流过程的影响以及坡面流与壤中流、裂隙流的相互转化作用，导致坡地产流过程、机制分析不够全面.因此，在总结喀斯特坡地径流产流影响因素的基础上，提出喀斯特坡地径流产流过程框架；然后结合坡地径流模拟方法与开发利用技术模式，评估现有坡地水资源高效利用技术的推广价值及存在的局限性；最后，从坡地产流过程及其时空差异方面模拟了坡地产流过程，并展望了坡地水资源高效利用技术未来发展的趋势.      

坡地氮磷流失过程模拟

根据农田坡面氮、磷流失的主要过程,建立了基于次降雨事件的坡面氮、磷迁移模型。模型采用改进的Green-Ampt方程和运动波方程计算下渗与坡面流,土壤侵蚀采用修改的欧洲土壤侵蚀模型计算,用考虑了侵蚀影响与扩散作用的迁移模型计算坡面氮、磷迁移过程,采用一维对流扩散方程计算氮、磷在土壤中的迁移过程。利用室内人工降雨资料对模型进行了率定及验证。结果表明,模型可以较好地模拟地表径流中氮、磷浓度,率定期与验证期模型效率系数均在0.89以上。根据坡地氮、磷流失机理,分析了降雨强度与地表坡度对坡面径流中氮、磷浓度的影响。     

初论建立“坡地地下水地貌”的重要性

笔者在生产与教学的反复实践过程中,感到目前地貌教科书中的“重力地貌”一词应改成“坡地地下水地貌”或与流水地貌章节中的坡面流水合并成“坡地地貌”。其实“坡地地貌”早有人提过、如1985年北京大学杨景春编的地貌学教程一书,就已用过“坡地     

基于DEM的小流域坡长计算方法研究

基于坡地水文学、GIS空间分析原理、流域侵蚀地貌学等理论方法,对小流域坡长提取及不同坡长计算方法进行对比研究.并基于格网DEM分析目前国内外坡长的不同算法,来揭示坡长在小流域的空间分布规律.     

基于非对称双侧破坏模式的临坡地基承载力上限分析

临坡地基已成为一种广泛的地基形式。针对临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,首先引进双侧破坏模式的研究思路,重点考虑临坡地基基础两侧滑块大小和同一滑块几何形状的双重非对称性特征,构建了临坡条形基础地基非对称双侧破坏模式,为临坡地基承载力分析奠定了坚实基础;然后在此基础上,引进极限上限分析和优化理论,建立了临坡条形基础地基承载力分析的模型与方法,该方法不仅可考虑地基破坏模式,还可考虑基础与坡顶距离对临坡地基承载力的影响,而且还可较好地蜕化为平地地基承载力的分析;最后通过工程实例计算,并与现有相关分析方法进行对比分析,表明该方法的可行性与合理性以及普遍适用性。     

坡地径流入渗机制对水文模拟的影响分析

建立了适用于栅格单元系统的基于运动波理论的降尺度新安江模型(KWXAJ)。在栅格单元中采用新安江模型计算产流,运动波模型进行坡面汇流演算。模型中,为考虑上游坡地单元入流的径流入渗(run-on)效应,在进行坡地产流计算时,降雨及上游坡面流及壤中出流被同时作为来水输入新安江模型。在运动波模型中,糙率系数依据土地利用方式及洪水量级确定。选取淮河史灌河流域黄泥庄以上集水区域,作为研究区域。用流域历史上的13次洪水过程来率定和验证此模型。研究表明,run-on机制对流域产汇流预测有重要影响,其显著影响流域内土壤蓄水量时空分布,进而改变产汇流机制。数据分析还显示,不考虑run-on机制将导致模拟洪峰滞后。     

黄土区坡地土壤水分运动与转化机理研究进展

土壤水分是作物生长、植被恢复以及生态环境建设的主要限制性因素.从降雨入渗及再分布、土壤水量转化以及土壤水分动态变化等几方面概述了黄土区坡地土壤水分运动与转化研究进展,认为应该把坡面土壤—植物—大气作为一个物理上的连续统一体,以大气水、地表水、植物水和土壤水相互转化过程和机制为基础,研究坡面土壤—植被—大气界面水分运动和转化规律,为植被恢复重建提供理论依据.     

黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性研究

以神木生态观测站为例,利用经典统计学方法对黄土高原退耕坡地土壤水分在空间三维不同方向和不同位置的空间变异性进行了研究,并对空间变异的尺度和时间依赖性等问题进行了探讨,以便为坡地水分管理和植被恢复提供参考。研究结果表明土壤水分在垂直方向和水平方向(垂直于坡长方向)的平均变异程度为弱变异;而在东西方向(坡长方向)、二维平面和三维空间上为中等变异性;土壤水分沿坡长方向从坡顶到坡脚表现出先减小后增大的趋势,且在各坡位变异程度不一,呈现出变异程度为坡上>坡中>坡下的趋势;土壤水分沿南北方向表现为阴坡>山脊>阳坡的明显趋势,其变异程度为阳坡>阴坡;在40~200 cm土层深度内,土壤水分在垂直方向表现出先减小后增大的趋势,且在各土层的变异程度与各层平均土壤水分成明显的正相关。     

岩溶石山区山坡表层径流水文动态特征对比分析——以桂林丫吉试验场为例

选择桂林丫吉试验场溶洞—硝岩洞及其上方的汇水坡面作为研究区,通过在不同降雨条件下,对坡面径流和硝盐洞中流水水文动态进行监测并做对比分析研究。结果表明:（1）降雨强度、降雨持续时间和各含水系统前期含水情况决定了岩溶石山区坡面地表和包气带水文动态变化过程;（2）在不同降雨条件下,地表坡面流和经过上部包气带调蓄过的硝盐洞水文动态都表现为暴涨暴落,坡面径流表现的更为明显,一般坡面径流的整个水文过程持续几个小时到十几个小时,而硝盐洞中流水水文过程持续13d;（3）一般大到暴雨条件下,坡面流最大流量大于硝盐洞,但由于持续时间短,其一场降雨后所获得的水量远不如下渗到包气带—硝盐洞中滴水水量。     

降雨诱发填方路堤边坡变形机制物理模拟研究

填方路堤变形失稳是西部山区工程建设的常见问题。重庆某高速公路边坡为典型的堆载条件下降雨诱发型滑坡,填方堆载后,填方边坡在连续降雨条件下,沿基岩之上的软弱面产生滑动破坏。定性分析认为,降雨在滑坡形成中起着关键作用,为了研究填方边坡在降雨条件下的变形破坏机制及孔隙水压力与变形之间的关系,采用物理模拟方法研究边坡变形失稳的全过程,分析孔隙水压力随降雨时间的变化规律及其与变形破坏的关系。研究结果表明:边坡后缘大方量堆载,改变了其应力条件,是滑坡产生的主要因素。场地施工改变了原有的地表水环境,连续强降雨致使大量下渗的雨水,不仅显著改变坡体应力条件,而且雨水沿着滑面运移软化滑带,是滑坡产生的重要诱发因素。孔隙水压力在坡体失稳过程中起着关键作用,填方体土碎屑、泥质含量大,下渗的雨水携带上部细小颗粒及滑带泥质成分至滑带附近,堵塞地下水消散通道,表现为坡体变形积累,孔隙水压力增加;边坡变形陡增,孔隙水压力降低。该滑坡破坏分为降雨下渗、滑带饱水软化、后缘产生裂缝、裂缝贯通-整体滑动4个阶段,为蠕滑-拉裂式滑坡。     

澜沧江结义坡沟泥石流灾害评价

为查明坝址区是否存在泥石流地质灾害,分析其对建坝的影响,现场对结义坡泥石流沟进行了追踪调查,以充分认识沟谷的地形地貌条件、地质条件、植被发育情况以及泥石流的活动痕迹、冲淤特征等。并对泥石流沟谷、堆积扇等进行了有关的试验及量测工作。用国内外常用的计算稀性泥石流参数的公式对泥石流的流速、流量及冲击力等参数进行了计算,为正确评价泥石流地质灾害奠定基础。调查研究表明,结义坡沟泥石流活动正处于停歇期,但应注意加强集水区内水土保持工作,尤其是对结义坡沟入口段裸露坡体要引起重视。     

反循环钻进井底净化的研究

把反循环钻进中循环液体视为刚体 ,以力矩平衡等理论为依据 ,建立井底净化模型 ,对影响井底净化效果的各种因素如地层、钻头结构、工作规程、井底流场、压持效应和渗透规律等进行综合研究 ,推出最优净化条件 ,通过室内及野外试验进行验证。     

红壤丘陵区地表水资源动态与合理调蓄利用研究

以红壤丘陵景观中相对独立且整体性强的集水区为基本单元,重点研究了集水区内降水、蒸散、水量蓄存等地表水资源的年变化。结果表明,降水资源在集水区内的陆面拦截蒸散、塘堰蓄存、排出集水区三者中的分布比例约为7:2:1,在水土保持型坡地的植被拦截、土壤渗流、地表径流三者中的分布比例约为3:5:2;每公顷1m土体中的土壤贮水量,在丰水季节,水土保持型坡地要比非水保坡地高出864.0～1067.0m3,少水季节则高出647.0～855.0m3。研究结果还表明,以集水区为单元的农业灌溉用水量,一般为年降水量的12%左右,蓄存此水量的塘堰面积应占集水区土地总面积的11%左右,对于塘堰面积已占土地总面积10%左右的红壤丘陵区而言,抗御季节性干旱依靠扩大塘堰蓄水已不现实,其主要途径应是充分发挥水库工程和"土壤水库"的巨大抗旱潜力。     

Deformation and crack development of a nailed loose fill slope subjected to water infiltration

The paper presents the characteristics of progressive movement and crack development observed in a loose fill slope reinforced by soil nails subjected to water infiltration. The purpose-built test slope was constructed by end-tipping completely decomposed granite on moderately gentle sloping ground with minimal compaction, and two rows of soil nails were installed after completion of the slope. Based on the field monitoring data obtained from a comprehensive instrumentation system, this field test has identified the initiation and development mechanism of deformation, including crack propagation in the test slope. The test results on the temporal and spatial variation of wetting-induced movement, water content distribution, and suction change as well as the formation and propagation of surficial cracks are presented. The causative mechanisms of wetting-induced deformations and their implications on the stability of nailed fill slopes are also presented and discussed.     

泥石流堆积过程数值模拟及防灾效益评估方法

根据动量守恒和质量守恒原理 ,研究建立了泥石流堆积过程的数学模型 ,运用有限差分法求解数学模型 ,用以模拟泥石流堆积的动态过程。在此基础上 ,结合云南省东川市深沟泥石流堆积区的实际情况 ,对泥石流灾害的危险范围和程度进行了分析评价 ;结合各类受灾体经济损失评价 ,对比防灾工程造价 ,进行了减灾效益分析评价。     

筒型基础负压沉贯流固耦合渗流分析模型

分析筒型基础沉贯作用的土层,利用J2流动理论各项同性硬化原理,研究海积软土颗粒本构关系,结合离散元方法计算土体体应变,并将其引入海积软土的物性参数动态计算模型.根据简型基础沉贯特征,结合体应变以及物性参数动态模型,由有效应力原理和瞬时质量守恒原理分别确定应力和渗流方程,并给出上述模型的定解条件.建立了新的流固耦合渗流的数学模型,求解筒型基础沉贯渗流场分布.     

Convergence analysis of a mass-conserving approximation of immiscible displacement in porous media by mixed finite elements and a modified method of characteristics with adjusted advection

The MMOC procedure for approximating the solutions of transport-dominated diffusion problems does not automatically preserve integral conservation laws, leading to (mass) balance errors in many kinds of flow problems. The variant, called the MMOCAA, discussed herein preserves the conservation law at a minor additional computational cost. The application of the MMOCAA to a problem in two-phase, immiscible flow in porous media is discussed. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Effects of tides on a sloping shore: groundwater dynamics and propagation of the tidal wave

The influences of tides on a coastal environment with a sloping shore are investigated by means of field observations and groundwater flow modelling. The Belgian western coastal plain consists of a wide shore, dunes and polders where diurnal tides with large amplitude occur. The effects of tides on the groundwater flow are studied using the MOCDENS3D code. First, MOCDENS3D is validated to accurately simulate the propagation, attenuation and lag of a tidal wave in an aquifer. Then groundwater flow and influences of tides are modelled for a cross-section along the French–Belgian border. This gives an exhaustive insight into the spatial and temporal varying groundwater flow and propagation of the tidal wave in the aquifer. Simulation shows that there are two interfering flow cycles. The first is a shallow tidally fluctuating flow cycle on the shore due to the interaction of the gently sloping shore and the tidally oscillating sea level. The second is a deeper flow cycle from the dunes towards the sea. Further, it is indicated that the propagation and attenuation of the tidal wave follows a complex pattern with lateral as well as vertical components. The interaction between tides and shore topography also influences the salinity distribution.     

长江三峡花岗岩林地坡面降雨渗流与水土流失关系研究

在大量的野外观测试验的基础上,根据土壤水分的形态和能态,对长江三峡花岗岩林地坡面降雨渗流机制进行了分析研究,研究发现在试验区当降雨强度大于表层土壤入渗率,即地表产生积水的情况下,长江三峡花岗岩林地坡面优先流在土壤含水量未达到最大毛管持水量时开始产流,早于土壤渗流产流的时间;在降雨强度小于表层土壤入渗率,即地表不产生积水的情况下,土壤渗流产流早于优先流产流;从壤中流产流过程来看,在地表不产生积水的条件下,土壤渗流先于优先流产生;在地表产生积水而土壤水分含量未达到最大毛管持水量的条件下,优先流先于土壤渗流产生。在两种情况下,优先流的峰值都先于土壤渗流。     

Theis不稳定潜水井流模型的改进——具入渗补给

地下水的补排主要包括垂向的地面入渗补给、蒸发排泄（蒸发可视为入渗的负值）及侧向的地表水补给、排泄。水文地质学最基本的问题之一——地下水可持续开釆量的评价准则,涉及补给的增量与排泄的减量,因此地下水开采的预测模型必须包含上述两类的补给、排泄因素,否则不能满足要求。然而,经典的Theis不稳定井流模型,即使在傍河抽水,也只有侧边界的补给、排泄作用,而不涉及上边界的地面入渗补给。这样一来,这个解析模型基本上不能够用于预测,而只能在旱季用于井流试验求取含水系统的参数。为此,文章的目标是发展具地面入渗补给的Theis不稳定潜水井流模型。对于潜水流问题,不能再用承压水流的以水头为应变量的方程来建立,应采用第二类线性化方法的势函数来建立潜水流问题。对于既有降雨入渗补给,又有抽水井作用的复杂的水文地质问题所概化数学模型的求解,采取的方法是把它分解成若干个简单的子模型问题求解,然后将其合成为原来复杂数学模型的解。基于质量守恒原理,假定渗流服从Darcy定律并满足Dupuit徦定建立了水流基本微分方程。然后对于两平行河流及一河流平行一隔水边界形成的两类条形区域,具地面均匀稳定入渗补给的井流问题,获得通用水位方程和几类常见的特定条件水位方程及其流量方程。此外,提出并采用“边界对边界的反映法”用以求解一河流平行一隔水边界条形区域的同一问题,减少了许多推导过程。最后,作为上述理论成果的初步应用,也是一个重要的应用,即在河水水质不能满足要求的河流附近,设有一口抽水井,计算该抽水井在不汲取河水的前提下的临界流量方程,获得具重要意义的结构简洁的关系式。该方程也可以用于滨海区的抽水井,在不发生海水入侵前提下的临界抽水流量计算。给出了上述条件不稳定井流过程某时刻的地下水流网图,其流网与文献中常见的傍河井流的流网相比,具显明的特征。