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《西北农林科技大学》 2001年
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黄土沟壑区不同下垫面条件对农田降雨入渗及产流关系影响的研究

宋孝玉  
【摘要】: 水土资源短缺和生态环境恶化已成为全世界普遍关注的严重问题,这使人们认识到节约用水和保护环境的重要性。为确保粮食安全和生态环境良性发展,必须加强农田水土资源的管理和生态系统重建的研究,处理好水资源利用和生态重建之间的关系,大力推广节水灌溉技术和雨水资源利用技术,以水资源作为主要约束条件,调整农业产业结构布局 ,由传统的丰水高产型灌溉转向节水增产型灌溉,以提高农业用水的生产效率,实施水资源可持续利用和生态环境良性发展战略。 土壤侵蚀和干旱缺水同时存在于黄土高原地区,年平均降水量多在400mm~600mm之间,自然降水少、地下水埋藏极深,大量坡地无法耕种而形成荒坡,一遇暴雨则形成严重的水土流失,对当地生产和生态环境造成严重的影响,极大地增加了下游河道治理与水资源利用的难度。因此,研究黄土沟壑区不同下垫面农田降雨入渗、产流的转化机理和影响因素,并对其水量转化过程进行定量模拟,这为摸清该地区降雨入渗、产流规律,进而探求人工调控的方式和机制、增加入渗和土壤蓄水、减少径流和土壤侵蚀,为有针对性地防止水土流失,充分合理地利用当地雨水资源发展农业生产,改善生态环境提供科学依据。基于上述研究背景,本文针对黄土区的特点,采用目前国际上最先进的土壤水分测定仪—时域发射仪(TDR)进行野外观测,通过大量的田间试验和室内实验,对不同下垫面条件农田降雨入渗、产流规律进行了较为深入的探讨,建立了定量描述坡地降雨—入渗—产流关系的数学模型,得到以下主要结论: 1.本论文野外试验是在中国科学院长武农业生态试验站进行,室内实验是在西北农林科技大学干旱半干旱研究中心进行。在对试验区的土壤机械组成,土壤水分常数和土壤水分运动参数进行室内测定的基础上,对试区1996、1997两年不同下垫面条件8个径流小区,(面积有5m(20m和5m(50m两种,坡度有00、30'、10、30等,作物有小麦、玉米、糜子及裸地等,各小区土壤容重均为1.3g/cm3)降雨前及降雨过程中的土壤水分动态、降雨后土壤水分再分布、蒸发条件下土壤水分动态,采用先进的土壤水分测定仪—时域反射仪(TDR)进行较为系统的田间观测(田间土壤水分观测,沿坡自上而下,每隔5米分层埋一组波导线,测深为10~70cm);同时对降雨过程中不同径流小区的产流、产沙量进行野外观测(产流、产沙量观测在各径流小区的集水池内进行,降雨后根据产流情况,不定时用直尺测量集水池中水深,并在测每一水深的同时,搅浑池中水,用量筒取几个样,以测量相应产流量下的产沙量),为系统进行不同下垫面农田水量转化规律研究收集了较为重要的基础资料。 2.对1996、1997两年野外实测农田降雨、入渗、产流资料进行整理分析,从产流条件、不产流条件对不同下垫面农田降雨入渗及产流规律进行研究,并对久旱无雨的蒸发条件下的田间土WP=4壤水分变化动态进行了系统的分析研究。 3.通过对试验区不同下垫面条件农田产流产沙规律及其影响因素分析研究,指出:降雨强度是影响产流、产沙量的最主要因素,降雨强度对于产流量和产沙量的影响占绝对优势;在降雨强度作为主要影响因素的前提下,降雨历时也影响着产流、产沙量,历时越长,产流量、产沙量越多;在各次降雨产流、产沙中,覆盖条件越好,产流量越少,产沙量也越少;在覆盖条件相同时,同一降雨,坡度越大,产流量越大,而产沙量规律并不明显。影响产流、产沙的条件还有前期土壤含水量和坡长等,但在试验区,对产流、产沙总量影响并不很大,前期土壤含水量对产流起迄时间影响较大,一般为土壤含水量越高,则产流、产沙越早,而产流总量和产沙总量并无明显变化规律。 4.系统地分析了农田坡地水量转化过程和机理,建立了二维的坡地土壤水分运动基本方程,并分别给出了考虑与不考虑地下水影响、地表蒸发、积水入渗、非积水入渗等情况下的定解条件;建立了以土壤水动力学和运动波理论为基础,充分反映水量转化机理的坡地水量转化数值模型。 5.编制了计算软件,经对模拟值与实测值进行比较表明模型有较高的精度,模型可以模拟降雨过程中坡面不同位置的实际入渗过程、产流过程、坡面水深、流速变化过程、各深度处的土壤水分动态变化过程等。模型考虑了植被覆盖的影响,提出了综合反映下垫面因素的有效糙率的确定方法。模型求解过程中采用CSMP(Continuous System Modeling Program)软件编制程序,能自动调整步长并能自动识别运算顺序。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:S152.7

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