北麓河流域多年冻土区退化草甸的土壤水文特征分析

选取长江源北麓河地区受冻融作用影响而严重退化的高寒草甸典型区域进行取样, 通过实验和模拟等方法, 对该区域内不同深度土层的土壤特征曲线、土壤饱和导水率、土壤粒径、容重和总孔隙度进行了研究和分析.结果表明: 土壤的水分特征曲线由Gardner等与van Genuchten提出的幂函数方程拟合效果良好, 0.1 MPa为土壤水分特征曲线的临界值. 0~5 cm表层土壤的持水能力最小, 20~30 cm土壤的持水能力最大. 0~5 cm表层土壤供水能力最小, 15~30 cm土层的供水性能最好, 适合植被根系的生长.土壤的饱和导水率随着深度的增加而减小.     

不同土壤转换函数预测砂土非饱和导水率的对比分析

以现有的4种土壤转换函数(Pedotransfer Functions, PTFs)(包括ROSETTA、RAWLS、CAMPBELL和VAUCLIN)为例,将其用于土壤水力性质数据库UNSODA中56个典型砂土样本的非饱和导水率预测,对4种PTFs的预测结果进行了误差分析,探讨了饱和导水率对非饱和导水率预测的影响。结果表明,当同种PTFs预测的饱和导水率作为输入时,在4种PTFs中VAUCLIN的预测精度最高,其次为ROSETTA和RAWLS,CAMPBELL的误差最大;当实测饱和导水率作为输入时,RAWLS、CAMPBELL和ROSETTA的预测精度有了不同程度提高,但VAUCLIN的预测误差反而有所增大;饱和导水率对非饱和导水率预测的影响较大,实测饱和导水率作为输入时CAMPBELL预测的非饱和导水率与实测值最为接近。     

基于PCA-GWR的包气带不同土层饱和导水率的传递函数及其回归克里金估计

饱和导水率是重要的土壤水力学参数,对渗流和溶质运移研究起着至关重要的作用.土壤传递函数可以代替大规模采样和室内外试验间接预测该参数,但由于土壤的空间变异性以及方法的局限性等原因,以往的传递函数往往精度有限.本文以黄河下游沿岸兰考县闫楼乡包气带不同土层为研究对象,基于64个钻孔数据,将土壤粒径分布（黏粒、粉粒和砂粒含量）、土壤结构分形维数、干容重、总孔隙度、pH值、有机质和电导率等9个基本理化特性参数作为影响因素,基于逐步回归、主成分回归和主成分-地理加权回归（PCA-GWR）三种方法,分别对研究区包气带不同土层的饱和导水率进行回归分析,比较精度后基于PCA-GWR对饱和导水率进行地理加权回归克里金插值.结果显示,除表层粉土以外,PCA-GWR法的预测精度有显著优势.不同土层传递函数和饱和导水率分布的差异性表明,由于黄河下游地区快速多变的沉积过程、黄河的决口改道以及人类活动等因素,包气带土层相变剧烈,土壤饱和导水率在平面上亦具有明显的非平稳特征.而局部地质作用和人类活动是第二层粉土层回归克里金估计结果欠佳的深层原因.     

土壤饱和导水率空间预测的不确定性分析

当土壤转换函数应用于土壤水力性质估计时,对于预测值的不确定性往往容易被忽视。为了有针对性地提出减少这种不确定性的方法和措施,提高土壤转换函数的实际应用能力,以两种现有的土壤转换函数(Vereecken和HYPRES模型)为例,将其应用于山东省平度市土壤饱和导水率的空间预测,并利用拉丁超立方抽样(LHS)方法对预测结果的不确定性进行了分析。结果表明,饱和导水率空间预测的不确定性主要来源于土壤基本性质的空间插值误差和土壤转换函数自身的预测误差。当Vereecken模型应用于饱和导水率空间预测时,预测结果的不确定性主要由土壤基本性质空间插值误差所决定,土壤转换函数预测误差的影响较小,而HYPRES模型则是受二者的双重影响。     

植被退化对高寒土壤水文特征的影响

在黄河源冻土严重退化地区,采用选择典型区域和样地进行实验和模型模拟的方法,对不同植被退化特征条件下高寒土壤的水分特征曲线、土壤饱和导水率、土壤入渗及土壤水分进行研究.结果表明:Gradner和Visser提出的经验方程θ=AS-B对该地区土壤水分特征曲线有良好的模拟性;不同植被盖度条件下土壤的饱和导水率和土壤入渗有明显的区别,表层0～10cm范围内,黑土滩的饱和导水率和入渗强度最强,30cm以下土层中土壤饱和导水率、入渗强度以及土壤含水量几乎不受植被的影响.随植被退化表层土壤含水量出现明显降低,退化越严重,水分流失越多,最多时能达到38.6%,植被根系最发达的10～20cm范围的土壤含水量流失对高寒草甸土壤环境影响最大,水分流失导致退化草甸恢复难度较大.通过比较研究,在黄河源地区考斯加科夫(Kostiakov)入渗公式f(t)=at-b更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究.     

基于指数滤波法估算沟道根区土壤水分

为更加有效获取黄土高原沟道地形根区土壤水分信息,基于表层（0~20cm）土壤水分观测值,采用指数滤波法在样带和沟道尺度对根区（20~80cm）土壤水分进行估算。结果表明,指数滤波法能够较准确估算沟道根区土壤水分,但随着土层深度增加估算误差逐渐增大。当有根区土壤水分初始值时,估算精度明显提高,但主要集中在时间序列前期。指数滤波法关键参数特征时长T的最优值（T_opt）随土层深度增加而增大,呈现每增加20cm,T_opt值较20~40cm增加1倍的变化规律。对于根区某一土层,不同空间位置（样带）和尺度T_opt交换使用没有明显降低土壤水分估算精度,表明指数滤波法对T_opt的空间敏感性较弱。需注意黄土高原区域尺度土壤性质具有极强空间异质性,指数滤波法在更大尺度上对T_opt的敏感性需进一步深入研究。     

包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响

为探讨包气带深部增厚区土壤水力参数变化对入渗补给过程的影响,采用压力膜仪对河北正定深部包气带(8.0~21.0 m)10个原状土样进行水分特征曲线测试,利用RETC软件中Mualem-van Genuchten导水率模型对其拟合,获取含水率与非饱和导水率的关系曲线,并根据达西法对其进行分析讨论.结果表明:场地包气带深埋区的非饱和导水率为25~240 mm/a.当某一埋深历史水位下降速度越快,该埋深处相同含水率情况下土壤非饱和导水率越大,说明对应土层的入渗补给强度越大;因包气带厚度增大使原来位于饱水带的层状非均质土层转变为包气带,潜水位波动下降过程中深部包气带土层因排水压密作用,使得土壤水力特性发生变化,进而影响垂向入渗补给过程.      

帽峰山地区典型小流域主要森林类型土壤渗透性

采集帽峰山地区典型小流域主要林地类型(青冈林、毛竹林、凤尾竹林、桉树林)原状土样进行土壤剖面(0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm)渗透系数及其相关因子的实验研究,结果表明:各种林地类型土壤渗透系数在剖面上均表现出从上到下递减的特点,毛竹、青冈、凤尾竹、桉树林的土壤剖面渗透系数变化范围分别为13.64~4.91、10.49~3.63、8.16~2.96、7.92~3.71 m/d。由于20~40 cm、40~60 cm土层渗透系数差异性相对较小,土壤渗透性剖面可简化为上、下两个亚层,上部亚层渗透系数是下部亚层的1.89~2.42倍。各种林地类型土壤渗透系数与孔隙度、根密度呈正相关,与干容重呈负相关,与根径关系相关性方向具有不确定性。不同林地类型土壤渗透系数与干容重、根密度、根径之间的相关程度存在较大差异,但均表现出与孔隙度之间存在良好相关性。     

冬小麦遥感冠层温度监测土壤含水量的试验研究

在冬小麦主要生育期(2002年4月初到5月底),对不灌溉的冬小麦测定了冠层温度、地温、气温以及土壤含水量,计算了冠气温差且分析了冠层温度和冠气温差与不同土层厚度的土壤含水量相关关系。结果表明:14:00的冠层温度能较好地反映20cm土层的土壤含水量变化,但与其它各土层相关性有较大的波动性;14:00的冠气温差能较好地反映40cm以上土层的土壤含水量变化,二者的相关性很高,在20cm、40cm土层,两者相关系数R2分别为0.98866、0.99389,这为用区域遥感数据反演主要生育期冬小麦的冠气温差进而监测区域40cm土壤含水量提供了实验性的依据;拔节期和灌浆期,用14:00冠气温差来拟合各土壤层的土壤含水量有较高的精度,从而为用区域遥感数据监测区域土壤含水量提供了经验性的模型。     

贵州喀斯特区域土壤水分时空分布特征

基于贵州喀斯特区域2011-2015年53个自动土壤水分观测站0~100 cm的逐日土壤水分、降水、气温资料,分析了不同农业气候区土壤水分时空分布特征、变异系数以及土层之间的相关关系。得出以下主要结论:（1）各区土壤水分的范围总体相差较小,据 0~100 cm层土壤水分相对小值区的分布形态,可分为持续性土壤干旱区、季节性土壤干旱区、土壤湿润区。（2）依据各区土壤水分的变异系数相对大值区的时空分布形态类似可分为变异一致区、季节变异区及持续变异区。（3）通过10~50 cm对其下层土壤水分的关系研究发现,温暖湿润区、温和湿润区、高寒区研究土层（10~50 cm）与其下层（20~90 cm）土壤水分相关系数均>0.60,其余各区土层只与其下20~40 cm土层相关系数较大,而对其下更深土层相关系数较小;从滑动日数来看,各区10~50 cm土层与其下10~20 cm、30~50 cm、60~100 cm层最大相关系数的滑动日数随深度的增加而增加,分别为3~10日、10~20日、20~30日。（4）通过对比各区土壤水分与其变异系数分布特征发现,土壤水分的低值区发生的层次及时间与变异系数大值区基本相对应,土壤水分的变化除与降水、气温直接关系外,还可能与土质及环境等其他要素有关。      

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。     

垃圾填埋场斑脱土衬里可行性评价

首先对斑脱土衬里(粘土-斑脱土、砂-斑脱土) 进行变水头实验, 得粘土-斑脱土的渗透系数为6.0×10-9~3.0×10-8cm/s, 砂-斑脱土的渗透系数为1.0×10-9~3.0×10-9cm/s.从防渗角度分析, 2种斑脱土混合物均适合作垃圾填埋场的底层衬里.然后对斑脱土衬里进行持水与水迁移实验, 评价斑脱土衬里水的迁移特性.以水迁移实验为基础, 模拟斑脱土衬里与地基5种不同含水量的条件, 对斑脱土衬里进行直接剪切实验, 测定斑脱土衬里的剪切强度及斑脱土衬里与地基接触面的剪切强度.再对斑脱土衬里进行三轴固结不排水实验, 测定其总剪切强度与有效剪切强度.实验结果表明: 地下水具有很大的潜力从地基流向斑脱土衬里, 从而大大提高斑脱土衬里的含水量; 随着含水量的增加, 粘土-斑脱土、砂-斑脱土衬里的抗剪强度逐渐减小.根据实验所获得的抗剪强度参数, 选择日本山谷型垃圾填埋场典型剖面, 对山谷型垃圾填埋场进行稳定性评价.结果表明: 对于角度小于20°的缓倾角山谷型垃圾填埋场, 使用粘土-斑脱土、砂-斑脱土作为底层衬里是稳定的.因此, 2种斑脱土混合物适合作山谷型垃圾填埋场的底层衬里.      

不同滤波算法在土壤湿度同化中的应用

为研究不同滤波算法在土壤湿度同化中的有效性,以及土壤湿度模拟结果对模型参数的敏感性,结合简单生物圈模型SiB2,设置敏感性实验,探求土壤饱和水力传导度对土壤湿度模拟结果的影响;并在此基础上,采用集合卡尔曼滤波（EnKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）和无迹粒子滤波（UPF）开展土壤湿度实时同化实验。结果表明：土壤饱和水力传导度能显著影响土壤湿度模拟精度;利用EnKF、UKF、UPF同化站点观测数据,均能改善土壤湿度模拟结果;3种同化方法在不同土壤层的同化效果不同,在土壤表层,EnKF的有效性优于UKF和UPF,在根域层和土壤深层,3种滤波方法有效性在降雨前后相差较大。因此,针对性地选择同化方法,是提高土壤湿度模拟精度的有效手段。     

滨海湿地不同密度柽柳林土壤调蓄水功能

为探求黄河三角洲湿地土壤调蓄水功能的合理柽柳林密度,采用测量土壤入渗过程和水分物理参数相结合的方法,对不同密度柽柳林的土壤蓄水功能和水分调节能力进行研究。结果表明:①柽柳林随密度的增大具有显著提高细砂粒和降低粉黏粒含量的作用;中密度林分降盐抑碱效应明显,各密度林分表层盐碱含量低于20~40 cm土层;②土壤容重随林分密度增大表现为先减小后增大,孔隙度状况则与之相反,中密度、高密度、草地总孔隙度均值分别比低密度林分高12.9%、6.2%、4.4%;对表层的改良效果好于20~40 cm土层;③Horton模型可较好地模拟柽柳林的土壤入渗过程,中密度林分渗透性能最好,高密度次之,低密度最差;④饱和蓄水量、吸持蓄水量、滞留蓄水量及涵蓄降水量均表现为中密度>高密度>草地>低密度,表土层的水分调蓄功能好于下层;中密度、高密度、草地涵蓄降水量分别比低密度林分高28.4%、23.8%、14.1%。中密度柽柳林具有巨大的水分调蓄空间,其次为高密度,而低密度林分较差。     

Effect of fines content and void ratio on the saturated hydraulic conductivity and undrained shear strength of sand–silt mixtures

The hydraulic conductivity represents an important indicator parameter in the generation and redistribution of excess pore pressure of sand–silt mixture soil deposits during earthquakes. This paper aims to determine the relationship between the undrained shear strength (liquefaction resistance) and the saturated hydraulic conductivity of the sand–silt mixtures and how much they are affected by the percentage of low plastic fines (finer than 0.074 mm) and void ratio of the soil. The results of flexible wall permeameter and undrained monotonic triaxial tests carried out on samples reconstituted from Chlef river sand with 0, 10, 20, 30, 40, and 50 % non-plastic silt at an effective confining pressure of 100 kPa and two initial relative densities (D _r = 20, 91 %) are presented and discussed. It was found that the undrained shear strength (liquefaction resistance) can be correlated to the fines content, intergranular void ratio and saturated hydraulic conductivity. The results obtained from this study reveal that the saturated hydraulic conductivity (k _sat) of the sand mixed with 50 % low plastic fines can be, in average, four orders of magnitude smaller than that of the clean sand. The results show also that the global void ratio could not be used as a pertinent parameter to explain the undrained shear strength and saturated hydraulic conductivity response of the sand–silt mixtures.     

露天煤矿排土场土层重构及接菌对植物根系提水作用试验研究

露天煤矿排土场土层重构对于生态重建具有重要意义,为研究接种深色有隔内生真菌(dark septate endophytes, DSE)对不同重构土层模式下玉米根系水分的利用效应,采用土柱模拟培养试验,设置4种类型土层处理,每种土层类型下设置接菌及对照处理,共8组处理。结果表明:掺黄土20%处理下玉米根长密度最大,分别为掺黄土0%、10%和40%的3.2、2.4、2.8倍,水分胁迫后根系具有向下生长、吸取深层水分的能力;基于δ18O值的MixSIAR模型水源分析,掺黄土0%处理下玉米主要利用0~25 cm处的水分,水分利用效率达到80%;掺黄土10 %处理下玉米主要利用15~35 cm处的水分,水分利用效率达到64%;而掺黄土20%处理下玉米对0~25 cm处的水分利用效率仅为36%,对25~45 cm处水分利用率达到64%,说明掺黄土20%处理下玉米主要利用土壤深层水分。接种DSE提高了植物吸收更深层水的能力,掺黄土20%处理下水分利用深度向下增加了5 cm,掺黄土20%基质中接菌处理在干旱胁迫后植物根系提水量达到最大,生长期总提水量较不接菌处理提升了45%;在不接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量是掺黄土0%的1.45倍,而在接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量可达到掺黄土0%的1.72倍。综上认为,接种DSE及土层重构均对提升植物提水能力具有显著作用。此外,本研究结果对露天矿区排土场土层重构过程中土壤改良及植物的水分利用效率提供实验参考依据。      

Improved hydrograph prediction through subsurface characterization: conditional stochastic hillslope simulations

Subsurface heterogeneity is one of the largest sources of uncertainty associated with saturated hydraulic conductivity. Recent work has demonstrated that uncertainty in hydraulic conductivity can impart significant uncertainty in runoff generation processes and surface-water flow. Here, the role of site characterization in reducing hydrograph prediction bias and uncertainty is demonstrated. A fully integrated hydrologic model is used to conduct two sets of stochastic, transient simulation experiments comprising different overland flow mechanisms: Dunne and Hortonian. Conditioning hydraulic conductivity fields using values drawn from a simulated synthetic control case are shown to reduce both mean bias and variance in an ensemble of conditional hydrograph predictions when compared with the control case. The ensemble simulations show a greater reduction in uncertainty in the hydrographs for Hortonian flow. The conditional simulations predict surface ponding and surface pressure distributions with reduced mean error and reduced root mean square error compared with unconditional simulations. Uncertainty reduction in Hortonian and Dunne flow cases demonstrates different temporal signals, with more substantial reduction achieved for Hortonian flow.     

云南压实黏土层对油类污染物的防渗性能实验研究

目前在压实黏土层(CCL)应用于油类污染物的防渗工程设计中,以水在CCL中的渗透系数低于10-7 cm/s为依据,该依据可能存在偏颇。文中以0#柴油和93#汽油作为典型油类污染物,在云南CCL中进行油相水相交替渗流实验。结果表明：(1)不同渗透压力下,水在云南CCL中的渗透系数为(0.41~2.52)×10-8 cm/s,云南黏土压实后可作为天然防渗衬层。(2)0#柴油和93#汽油穿透饱水的云南CCL时,存在临界水力梯度,分别为0.05和0.02 MPa;一旦突破临界水力梯度,CCL的渗透性急剧增大,0#柴油和93#汽油在CCL中的渗透系数较水在CCL中的高出1~3个数量级。(3)水相驱替0#柴油和93#汽油的过程中,CCL的渗透系数为10-7～10-6 cm/s;被油浸透过的CCL不能继续作为防渗衬层使用。(4)针对油类污染物的CCL防渗工程设计,以水在CCL中的渗透系数低于1.0×10-7 cm/s为标准是不适用的,需要提高CCL防渗的设计等级。     

随机单裂隙饱和/非饱和渗透系数研究

裂隙易在降雨作用下诱发滑坡等灾害,裂隙的饱和/非饱和渗透特性是研究此类问题的关键。利用精密数控机床制作随机粗糙裂隙面,并研制了一套仪器进行此随机粗糙裂隙的渗流试验,得到了裂隙的饱和渗透系数,然后通过间接方法预测此裂隙的非饱和渗透系数。研究发现,当裂隙平均开度为0.4 mm时,其饱和渗透系数为0.1 m/s。通过立方定律得到的水力等效隙宽为0.35 mm,小于其平均隙宽。同时裂隙的渗透系数与平均隙宽的平方成正比,这与立方定律的趋势相一致。研究得到了不同隙宽裂隙的非饱和渗透系数函数,当基质吸力小于进气值时,渗透系数为一常数,即为饱和渗透系数;当基质吸力大于进气值时,裂隙板的渗透系数急剧减小。当裂隙板的基质吸力达到其残余含水率对应的吸力值时,裂隙板的渗透系数基本稳定。在此情况下,基质吸力的继续增加对渗透系数的影响非常小,很难使渗透系数减小。