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黄土丘陵区草、灌地不同经营方式下的降雨—入渗—产流研究

作　者: 赵鹏宇
导　师: 徐学选
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 模拟降雨土壤物理性质产流入渗黄土丘陵区
分类号: S157
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本学位论文以地处黄土丘陵区的延安燕沟流域不同土地经营方式的陡坡和缓坡草地、灌木地(原状、刈割、翻耕)为研究对象,对模拟降水条件下不同处理小区的土壤水分剖面、坡面产流、入渗性能及其试验小区表层土壤容重、水稳性团聚体含量进行了系统监测;系统分析了不同土地经营方式的产流、入渗规律及影响因素;并结合天然降雨径流小区资料初步分析了不同植被格局对产流产沙影响,主要结果如下:(1)依据土壤水分的标准差和变异系数指标,在多次降雨补充下的0～100cm土壤水分剖面受土地经营方式影响表现为:原状草灌地土壤水分可划分为活跃层、次活跃层和相对稳定层;刈割地全剖面为相对稳定层,翻耕地可分为活跃层和相对稳定层;单次降雨事件则随降雨量增加,各经营方式下的水分活跃层逐渐变薄或消失,次活跃层变厚,而相对稳定层变薄,整个土壤剖面水分变化趋于一致;对于受高强度降雨补充的土壤水分变异性分层,建议采用更加灵敏的土壤水分标准差和变异系数判别标准:活跃层,标准差大于1.4,变异系数大于0.12;次活跃层,标准差1.4～0.9,变异系数0.12～0.08;相对稳定层,标准差小于0.9,变异系数小于0.08。坡度越小土壤水分越高,坡度对草灌木地、刈割地土壤水分的影响较翻耕地显著,且对50～100cm土层水分影响远大于对表层0～50cm的影响。(2)表层0～5cm、0～20cm土壤容重随深度的增加而增加,且0～20cm较0～5cm变化趋势明显。与草地相比灌木地0～20cm平均容重相对较小,孔隙度相对较大;灌木地不同土层的土壤容重表现为上层0～5cm小于下层15～20cm,上层的孔隙度大于下层,而草地上下层变化不太明显;经过人为翻耕扰动0～20cm容重值趋于同一数值1.00 g·cm-3。0～20cm土层中>0.25mm的水稳性团聚体含量草地较灌木地大,与翻耕地相比,草地含量大于翻耕草地,而灌木地含量与翻耕灌木地相近;草地结构体破坏率最高在5～2mm粒径范围,灌木地和翻耕地在>2mm粒径范围。(3)随着降雨历时的增加,入渗率逐渐下降,就平均入渗率而言,草地>刈割草地>翻耕草地,灌木地>刈割灌木地>翻耕灌木地;降雨强度为1.72mm/min时,原状处理地平均入渗率是刈割处理地的1.2倍,是翻耕处理地的2.0倍。坡面平均入渗率与降雨强度具有极显著的抛物线函数关系;在相同雨强下,随着地面坡度的增大,土壤入渗率减小,在草灌地和刈割地中表现较明显;草地、刈割草地、灌木地和刈割灌木7°缓坡平均入渗速率较26°陡坡分别高1.2倍、1.1倍、2.6倍和2.9倍;而在翻耕地中,7°缓坡平均入渗速率与26°陡坡相近,其坡度作用并不明显。(4)相同雨强下,草灌地较刈割地和翻耕地需要经历更长的初始产流历时,其径流深也小于刈割地和翻耕地;雨强增加可减少初始产流时间,降低入渗比率,增大径流深,翻耕后径流急剧上升,且上升的幅度远大于草灌地;随降雨强度的增加,径流强度增大。在相同雨强下,不同处理产流过程明显不同,翻耕灌木地径流强度曲线波动最剧烈,峰值出现最早;平均产流强度大小关系为:翻耕灌木地>翻耕草地>刈割草地>草地>刈割灌木地>灌木地;累计产流量的大小关系为:翻耕地>刈割地>草灌地;坡度增大产流时间提前,径流峰值提前,径流量增大。26°陡坡的累计径流量较7°缓坡大,坡度的作用在原状处理和刈割处理中较翻耕处理中明显。(5)人工神经网络模型预报土壤水分较基于最小方差法统计模型精度有所提高。引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地经营方式径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量,与实测数据比较平均误差不超过10%。并与传统回归统计方法进行了误差比较。结果表明,该模型的预测精度更高。与Kostiakov和Philip相比,Horton入渗公式能较好地模拟不同土地经营方式下降雨入渗过程。(6)坡面植被在坡中上部、坡的两边、坡的中下部三种格局下产流量变化不明显,但产沙量较明显,植被在坡的中上部产沙量比中下部大17.8%,植被覆盖面积减小1/2,产流产沙量分别增加7.4%,28%。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-21
  1.1 研究背景与意义  12-13
  1.2 研究进展  13-21
    1.2.1 土壤物理性质对坡面降雨产流入渗的影响  13-14
    1.2.2 黄土区产流规律研究概述  14-16
    1.2.3 黄土区入渗规律研究概述  16-19
    1.2.4 植被的空间格局对产流产沙作用研究  19-21
第二章研究区概况与研究方法  21-29
  2.1 试验区概况  21-23
    2.1.1 自然地理概况  21-22
    2.1.2 流域降雨  22
    2.1.3 土壤及土地利用  22-23
    2.1.4 植被状况  23
  2.2 研究内容和方法  23-29
    2.2.1 试验设计和处理  23-24
    2.2.2 观测内容及方法  24-27
    2.2.3 研究内容和技术路线  27-29
第三章模拟降雨下草、灌地土壤水分空间变化规律  29-35
  3.1 不同经营方式下土壤水分垂直变化  29-30
  3.2 不同经营方式对土壤剖面水分变化的影响  30-31
  3.3 降雨量对土壤水分空间变化的影响  31-32
  3.4 坡度对土壤水分空间变化的影响  32-33
  3.5 小结  33-35
第四章不同经营方式对草、灌地表层土壤物理性质的影响  35-40
  4.1 草地、灌木地基本情况简要描述  35-36
  4.2 表层0～20CM 土壤容重及孔隙度变化  36-38
  4.3 表层0～20CM 土壤水稳性团聚体变化  38-39
  4.4 小结  39-40
第五章不同经营方式下的土壤入渗规律  40-51
  5.1 土壤水分入渗规律及影响因素分析  40-48
    5.1.1 降雨强度对入渗率的影响  40-43
    5.1.2 土地经营方式对入渗率的影响  43-46
    5.1.3 地面坡度对入渗率的影响  46-48
  5.2 土壤水分入渗数学模型拟合  48-49
  5.3 小结  49-51
第六章不同经营方式下的降雨产流规律  51-65
  6.1 产流特征及影响因素分析  51-61
    6.1.1 降雨强度对产流的影响  51-54
    6.1.2 土地经营方式对产流的影响  54-58
    6.1.3 坡度对产流的影响  58-61
  6.2 径流量的神经网络模拟  61-64
    6.2.1 网络结构的的选择  61-62
    6.2.2 坡面降雨径流量的BP 网络模型  62-63
    6.2.3 BP 网络模型与回归模型对比分析  63-64
  6.3 小结  64-65
第七章坡面植被空间格局对降雨侵蚀的影响  65-71
  7.1 不同坡位植被对产流产沙的影响  65-66
  7.2 与其它同类研究的比较分析  66-70
  7.3 小结  70-71
第八章主要结论及研究展望  71-75
  8.1 主要结论  71-73
    8.1.1 模拟降雨下土壤水分垂直变化  71
    8.1.2 经营方式对草、灌地表层土壤物理性质的影响  71-72
    8.1.3 不同经营方式土壤入渗规律  72
    8.1.4 不同经营方式降雨产流规律  72-73
    8.1.5 植被格局对降雨侵蚀的影响  73
  8.2 研究展望  73-74
  8.3 试验存在的问题  74-75
参考文献  75-81
致谢  81-82
作者简介  82

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