长江三峡花岗岩区林地坡面优先流模型研究

论文题目: 长江三峡花岗岩区林地坡面优先流模型研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水土保持与荒漠化防治

作者: 程金花

导师: 张洪江

关键词: 三峡库区,优先流,土壤物理特性,降雨特性,优先流模型

文献来源: 北京林业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 优先流是一种快速非平衡的土壤水分运动,优先流现象极大地影响了坡面地表径流及地下径流的形成和运动过程,作为土壤水分一种特殊运动形式,优先流是当今世界水文学研究的重点和难点问题之一。本文主要以长江三峡库区林地坡面优先流为研究对象,以湖北省秭归县曲溪小流域为试验基地,选择曲溪小流域内典型林地坡面,采用剖面灌水法分析了优先路径在土壤剖面上的水平分布和垂直分布特性、优先流运动特征、影响优先流的因子、优先流对剖面渗流和地表径流的影响。在此基础上,修正了优先流模型。得出主要结论如下: (1)优先流是长江三峡花岗岩区林地坡面的一种普遍现象,观测的优先流雷诺数均大于10,说明优先流运动不遵从达西定律。在该地区存在两种类型的优先路径,即地质型优先路径(原生型优先路径)和生物型优先路径(次生型优先路径)。优先路径主要分布在距地表以下0.8～1.0m范围内,在土层中的分布呈聚集状分布,其拥挤度为6.0～19.0,优先路径的平均密度为5～7个/m。 (2)优先流产流过程表现为明显的涨水、峰值和退水3个阶段。涨水历时较短,退水历时较长。长江三峡花岗岩地区优先流产流滞后降雨时间为5～95.5h,优先流历时为7～170h。优先流产生后,峰值流量出现时间为产流后1～13h,大部分场降雨产生的优先流在产流后1～2h就达到峰值流量。当前期降雨(3～7日降雨量)充分后,只要再有较小的降雨,都可能产生优先流。 (3)降雨和土壤物理特性是影响优先流的重要因子,影响优先流流量的主要降雨因子是降雨总量,两者呈现出极显著的正相关关系;影响优先流历时的主要降雨因子是降雨历时和降雨总量,优先流历时与降雨历时为极显著正相关关系,与降雨总量为显著正相关关系;影响优先流峰值流量的主要降雨因子是降雨总量,两者为显著正相关关系。优先流滞后降雨的时间与降雨各因子线性关系均不显著。>20mm/h降雨量和最大降雨强度与优先流各因子均不存在显著性相关关系。试验地不同土层之间土壤物理性质差异较大,不同土层土壤物理性质的显著差异导致土壤水分运动中产生侧向优先流。 (4)优先流流量占剖面渗流总量的比例可达2.40%～48.72%,其水分通量最大可达剖面渗流水分通量的17200倍。这说明优先流对降雨的快速入渗有较大作用,能够加速渗流流动速度,会在很大程度上增加土壤水分运动通量。该结果与国外研究结果较为一致。 (5)同等降雨及下垫面条件下,受降雨量影响,对应的优先流总量和坡面径流总量呈一元线性正相关关系,回归方程为:

论文目录:

摘要

Abstract

1 .引言

1 .1 研究目的与意义

1 .2 优先流现象认识及其研究史

1 .3 优先流基本内涵

1 .3 .1 优先流定义

1 .3 .2 优先流分类

1 .3 .2 .1 按位置分类

1 .3 .2 .2 按空间尺度分类

1 .3 .2 .3 按成因分类

1 .3 .2 .4 按水力学特性分类

1 .4 优先流研究进展

1 .4 .1 优先流研究方法及其技术手段

1 .4 .1 .1 田间土壤开挖法

1 .4 .1 .2 示踪物分析法

1 .4 .1 .3 地透雷达法

1 .4 .1 .4 CT扫描法

1 .4 .1 .5 土柱浸泡方法

1 .4 .1 .6 土壤水穿透曲线法

1 .4 .1 .7 张力渗透仪法

1 .4 .1 .8 磁共振影像

1 .4 .1 .9 扫描显微法

1 .4 .1 .10 优先流模型研究

1 .4 .2 优先流作用研究

1 .4 .2 .1 优先流对地表径流的影响

1 .4 .2 .2 优先流对水质的影响

1 .4 .2 .3 优先流对地质灾害的影响

1 .4 .3 优先流研究中存在问题及其展望

1 .4 .3 .1 优先流研究中存在问题

1 .4 .3 .2 优先流研究展望

2 .研究区自然环境状况

2 .1 研究区域概况

2 .1 .1 地形地质地貌

2 .1 .2 气候

2 .1 .3 土壤

2 .1 .4 植被

2 .2 试验区概况

2 .2 .1 地形地貌

2 .2 .2 地质与土壤

2 .2 .3 气候特征

2 .2 .4 植被

2 .3 优先流观测实验集水区

3 .研究内容和研究方法

3 .1 研究内容

3 .2 研究技术路线

3 .2 .1 优先路径观测试验设计

3 .2 .2 优先流及渗流观测试验设计

3 .2 .3 流域地表径流观测

3 .2 .4 降雨观测方法

3 .2 .5 土壤物理性质测定方法

3 .2 .5 .1 土壤粒径分析

3 .2 .5 .2 土壤含水量及土壤孔隙测定

3 .2 .5 .3 土壤渗透性的测定

3 .2 .5 .4 土壤水分特征曲线

3 .2 .6 优先流模型适应性评价

4 优先路径分布及其成因

4 .1 优先路径分布特征

4 .2 分布类型检验

4 .3 优先路径成因

5 优先流特征及其影响因子

5 .1 优先流产流机制

5 .2 优先流特征值

5 .2 .1 水力学特性

5 .2 .1 .1 基本参数计算依据

5 .2 .1 .2水力学参数

5 .2 .2产流及其过程特征

5 .2 .3 空间颁布特征

5 .2 .4 流量特征

5 .3 降雨对优先流的影响

5 .3 .1三峡库区降雨特性分析

5 .3 .1 .1资料来源及分析方法

5 .3 .1 .2三峡库区降雨特征

5 .3 .2试验流域降雨特征

5 .3 .2 .1试脸流域降雨分布

5 .3 .2 .2降雨年际变化

5 .3 .2 .3降雨过程特征

5 .3 .3降雨影响优先流过程

5 .3 .3 .1降雨量

5 .3 .3 .2降雨强度

5 .3 .3 .3降雨过程

5 .3 .3 .4降雨因子评价

5 .4土壤特性对优先流的影响

5 .4 .1土壤物理特性

5 .4 .1 .1土壤孔隙度

5 .4 .1 .2土壤粒径组成

5 .4 .2土壤渗透特性

6 优先流在剖面渗流中作用

6 .1 优先流与渗流过程比较

6 .1 .1出流时间

6 .1 .2峰现时间

6 .2优先流在渗透总量中所占比重

6 .3优先流对渗流流速影响

7优先流对坡面地表径流影响

7 .1 优先流对地表径流产流机制影响

7 .1 .1 地表径流产流机制

7 .1 .1 .1 超渗产流

7 .1 .1 .2 饱和地面径流产流(蓄满产流)

7 .1 .2 优先流影响

7 .2 优先流对坡面径流量的影响

7 .3 优先流对地表径流过程的影响

7 .4 优先流对地表径流历时的影响

8 优先流运动过程模拟

8 .1 模型概述

8 .2 相关过程模拟

8 .2 .1 植被生长过程

8 .2 .2 潜在蒸发散

8 .2 .3 植被截留和冠层蒸发过程

8 .2 .4 土壤温度

8 .2 .4 .1 数值解

8 .2 .4 .2 边界条件

8 .3 土壤水分运动过程

8 .3 .1 水力特征值

8 .3 .2 优先路径和小孔隙之间水分交换

8 .3 .3 土壤排水

8 .3 .4 根系吸水

8 .4 土壤水分数值解

8 .4 .1 小孔隙水流

8 .4 .1 .1 迭代过程

8 .4 .1 .2 地表边界条件

8 .4 .1 .3 底部边界条件

8 .4 .1 .4 水流及储量变化

8 .4 .1 .5 优先流产生

8 .4 .2 优先水流

8 .5 模型建立及其评价

8 .5 .1 相关分模型建立

8 .5 .1 .1 植被生长过程

8 .5 .1 .2 优先路径中水分运动

8 .5 .2 模型参数设置

8 .5 .2 .1 驱动变量

8 .5 .2 .2 边界条件设定

8 .5 .2 .3 管理条件设定

8 .5 .2 .4 土壤物理特性参数设定

8 .5 .3 模型评价

8 .5 .3 .1 模拟结果与实测结果比较

8 .5 .3 .2 模型评价

8 .5 .4 模拟结果分析

9 结论与讨论

9 .1 结论

9 .2 讨论

参考文献

个人简介

导师简介

发表论文清单

致谢

发布时间: 2005-07-12

参考文献

[1].露天煤矿排土场植被恢复的土壤水文效应研究[D]. 吕刚.沈阳农业大学2017
[2].长江上游暗针叶林生态系统优先流机理研究[D]. 牛健植.北京林业大学2003

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