黄土坡面土壤溶质随地表径流迁移特征与数学模型

论文摘要

黄土地区水土养分流失严重,导致土地质量下降和农业环境面污染严重,本论文采取试验研究、理论分析和数学模型相结合方法,对土壤溶质随地表径流迁移特征及数学模型进行研究,为水土养分流失控制提供参考。取得的主要结论如下：1土壤溶质随地表径流迁移是一个复杂的物理化学过程,利用室内外试验资料,深入分析了土壤特征、降雨特征、坡度和坡长、施肥方式、植被特性和地下供水对土壤溶质随地表径流影响程度,探讨了土壤溶质随地表径流迁移机制,为建立相关过程数学模型奠定了基础。2以土壤水分运动物理过程为基础,通过分析降雨条件下土壤水分运动特征,以及描述积水入渗过程Philip公式、Green-Ampt公式和一维代数入渗公式特点,建立了描述降雨入渗、产流过程的三个具有明确物理意义的数学模型。比较分析了三个模型特点,并给出了三个模型参数间关系。利用实验资料对模型进行了初步的检验,结果显示所建立的模型可以描述黄土坡面降雨入渗产流过程。3在分析黄土坡面溶质随地表径流迁移特征的基础上,建立了适合侵蚀环境的描述土壤溶质随地表径流迁移的完全混合模型、部分混合模型、不完全混合模型及等效对流传递模型,分析了各模型的特点,以及参数变化特征。利用实验资料对模型进行了检验,结果显示等效对流传递模型能很好描述径流溶质浓度变化过程,不完全混合模型比完全混合模型所描述径流溶质浓度变化过程更符合实际。但完全混合模型形式简单,参数便于获得,应用方便。4田间小区试验结果显示在降雨量一定条件下,径流量、土壤侵蚀量、溶质流失量随坡度增加均呈先增加后减少变化趋势,坡度为30°时溶质流失量最大；径流量、土壤侵蚀量和溶质流失量随着植被种植密度增大均呈减少趋势。荒草地减缓坡地径流、增加降雨入渗、减少土壤和养分流失效果明显优于灌木类（钙果）；不同坡度和植被种植密度下坡地土壤溶质（溴、硝态氮、钾和磷）随径流流失过程均符合幂函数衰减过程。5分析了小流域土壤侵蚀和养分流失特点及影响因素,探讨了小流域治理的控制水土养分流失功效,提出了最优淤地坝坝高的确定方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 土壤水与溶质迁移总体特征
• 1.2.2 土壤溶质随地表径流迁移主要影响因素
• 1.2.3 土壤溶质随径流迁移数学模型
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究方法
• 1.4.1 供试材料
• 1.4.2 室内模拟降雨试验方法
• 1.4.3 野外模拟降雨试验方法
• 2 土壤溶质随径流迁移基本特征分析
• 2.1 影响土壤溶质随地表径流迁移主要物理过程
• 2.2 土壤溶质随地表径流迁移总体特征
• 2.3 土壤物理特征对土壤溶质随地表径流迁移的影响
• 2.4 坡度和坡长对土壤溶质随地表径流迁移的影响
• 2.4.1 坡度对土壤溶质随地表径流迁移的影响
• 2.4.2 坡长对土壤溶质随地表径流迁移的影响
• 2.5 降雨特征对土壤溶质随地表径流迁移的影响
• 2.6 施肥方式对土壤溶质随地表径流迁移的影响
• 2.7 植被类型和覆盖度对土壤养分迁移影响
• 2.8 地下供水对土壤溶质随地表径流迁移影响
• 3 降雨入渗、产流数学模型
• 3.1 土壤入渗基本特征
• 3.2 基于Philip积水入渗公式的产流模型
• 3.2.1 Philip积水入渗公式
• 3.2.2 基于Philip入渗公式的降雨入渗模型
• 3.2.3 基于Philip入渗公式的产流模型
• 3.3 基于Green-Ampt积水入渗公式的产流模型
• 3.3.1 Green-Ampt积水入渗公式
• 3.3.2 基于Green-Ampt入渗公式的降雨入渗模型
• 3.3.3 基于Green-Ampt入渗公式的产流模型
• 3.4 基于一维代数模式的降雨、入渗、产流模型
• 3.4.1 积水入渗条件下一维非饱和土壤水分运动代数模式
• 3.4.2 基于代数入渗公式的降雨入渗模型
• 3.4.3 基于代数入渗公式的产流模型
• 3.5 模型参数关系分析
• 3.5.1 Green-Ampt公式与Philip公式参数关系
• 3.5.2 Green-Ampt入渗公式与一维代数模型参数间关系
• 3.6 降雨产流模型检验
• 3.6.1 基于短历时降雨产流模型
• 3.6.2 基于长历时降雨产流模型检验
• 4 坡面土壤溶质随径流迁移数学模型
• 4.1 完全混合与不完全混合模型
• 4.1.1 产流时有效混合深度内溶质浓度
• 4.1.2 产流过程中有效混合深度内溶质浓度
• 4.1.3 下渗水溶质浓度
• 4.1.4 径流溶质浓度
• 4.1.5 模型特点分析
• 4.1.6 模型参数分析
• 4.2 等效对流传递模型
• 4.3 描述非饱和土壤溶质随地表径流迁移模型检验
• 4.3.1 实验资料获取基本条件
• 4.3.2 模型检验
• 5 黄土丘陵沟壑区小流域水土养分流失特征
• 5.1 流域基本情况及水土养分流失定位观测概况
• 5.1.1 流域基本情况
• 5.1.2 降雨观测
• 5.1.3 径流泥沙定位观测
• 5.1.4 土壤溶质随地表径流迁移小区试验
• 5.2 影响水土流失的主要因素分析
• 5.2.1 降雨特点及其与水土流失关系
• 5.2.2 前期土壤含水率对水土流失的影响
• 5.2.3 地形对水土流失的影响
• 5.2.4 植被对水土流失的影响
• 5.2.5 土质与水土流失关系
• 5.3 坡度和植被种植密度对径流溶质迁移的影响
• 5.3.1 坡度、覆盖度对径流总量和土壤流失量的影响
• 5.3.2 坡度对径流养分迁移过程的影响
• 5.3.3 种植密度对径流总量和侵蚀量的影响
• 5.3.4 种植密度对径流溶质迁移的影响
• 5.3.5 坡度与种植密度对坡地土壤剖面水分再分布过程影响
• 5.3.6 坡度与种植密度对坡地土壤溶质淋溶过程影响
• 5.4 小流域水土流失特征
• 5.4.1 小流域水土流失基本特点
• 5.4.2 小流域水土流失模型分析
• 5.4.3 小流域水土流失对土壤养分的影响
• 5.5 淤地坝最优坝高的确定方法研究
• 5.5.1 经济指标确定方法
• 5.5.2 实例计算
• 5.5.3 分析与讨论
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录