入渗林芝森林火场进行人工降雨

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net第24卷第1期2010年2月水土保持学报JournalofSoilandWaterConservationVol.
24No.
1Feb.
,2010太行山区侧柏林地人工降雨下的入渗特性3闵雷雷1,2,于静洁1,宋闰柳1,2,胡珊珊1,2,胡堃1,2,张广英3(1.
中国科学院地理科学与资源研究所,陆地水循环及地表过程重点实验室,北京100101;2.
中国科学院研究生院,北京100049;3.
河北省保定市水土保持试验站,河北保定071000)摘要:对降雨入渗的研究是揭示华北地区水源地来水量变化研究的基础.
运用人工模拟降雨,在2个2m2的径流小区(编号为P1、P2,坡度分别为19.
6°,11.
7°)上研究了太行山区侧柏林地的入渗特性,分析了雨强、土壤前期含水量和坡度对入渗的影响.
结果表明:(1)入渗过程经历了供水控制阶段和剖面控制阶段,在供水控制阶段,降雨全部入渗,雨强越大,初始入渗率越大;在剖面控制阶段,表观入渗率逐渐降低并直至稳定,而P2小区的首场降雨中表观入渗率却呈现出"先降低后升高"的特点且供水控制阶段时间更短;(2)雨强越大,初始入渗率越大.
在P1小区,表观稳定入渗率随雨强增大而增大,这一现象并没有在P2小区出现;(3)土壤前期含水量越大,供水控制阶段的时间越短;对比场次降雨下的土壤负压势变化表明湿润锋运动速度随土壤前期含水量的增加而增快;(4)坡度较大的P1小区(19.
6°),其平均表观稳定入渗率较大(0.
57mm/min),P2小区(11.
7°)的平均表观稳定入渗率较小(0.
35mm/min).
关键词:人工模拟降雨;入渗特性;表观入渗率;土壤斥水性中图分类号:S157.
1文献标识码:A文章编号:100922242(2010)0120028205InfiltrationCharacteristicsunderSimulatedRainfalloverPlatycladusOrientalisLandinTaihangMountainousRegionMINLei2lei1,2,YUJing2jie1,SONGRun2liu1,2,HUShan2shan1,2,HUKun1,2,ZHANGGuang2ying3(1.
KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101;2.
GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049;3.
SoilandWaterConservationExperimentalStationofBaoding,Baoding,Hebei071000)Abstract:Thepaperhasappliedsimulatedrainfallovertworunoffplotstoinvestigatetheinfiltrationcharac2teristicsunderPlatycladusorientalis,whichcanprovideatheoreticalbasisforthevariationofmountainin2flowflowedtothenorthChinaplain.
Thetworunoffplotshaveaidenticalareaof2m2,numberedP1andP2,whichhaveslopegradientsof19.
6°and11.
7°respectively.
Resultsindicatedthat:(1)Infiltrationratesex2periencedtwostages:supplycontrolstageandprofilecontrolstage.
Infiltrationratesdeclinedandreachedtoasteadystageduringthecourseofprofilecontrolstage.
TheinfiltrationprocessofthefirstrainfalleventonP2plotpresentedacourseof"decrease2increase";(2)Theinitialinfiltrationrateincreasedwithincreasingrainfallintensity.
OntheP2plot,apparentsteadyinfiltrationrateofeachrainfalleventwasnotafixedvaluewhichwasaffectedbyrainfallintensity,whileapparentsteadyinfiltrationratedecreasedwithrainfalleventsonP1plot;(3)Antecedentsoilmoistureinfluencedthemovementofwetfrontnoticeably:thegreateranteced2entsoilmoisture,thefasterwetfrontmoved;(4)Theinfluenceofslopegradientoninfiltrationwasthatmeanappar2entinfiltrationratewaslargerandtheinfiltrationratereachedtosteadystatefasterwhenslopegradientwaslarger.
TheresearchisapreliminarystudyofwatertransformationinTaihangmountainousregion.
Keywords:simulatedrainfall;infiltrationcharacteristics;apparentinfiltrationrate;soilwaterrepellency入渗过程受到众多因素的影响,如降水特性(雨强、雨量、雨型)、坡度、植被覆盖、土壤特性等.
从降雨的角度来看,室外人工模拟降雨的由于具有可控制性,成为国内外研究坡面入渗的常用的方法[1],如利用野外模拟降雨试验研究植被类型、降雨强度、地表结皮、覆盖杂草等对不同植被类型覆盖下的土壤的降雨入渗的影响[2],石生新等[3]研究高强度的人工降雨对坡面入渗率的影响,Kato等[4]利用人工降雨研究不同放牧程度对牧区草3收稿日期:2009210209基金项目:国家自然科学基金面上项目(40371025)作者简介:闵雷雷(1985-),男,安徽宿州人,硕士,从事坡面水文过程研究.
E2mail:minll.
07s@igsnrr.
ac.
cn通讯作者:于静洁(1964-),女,吉林四平人,研究员,主要从事流域水循环研究.
E2mail:yujj@igsnrr.
ac.
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net地入渗率的影响,等.
林地土壤入渗规律的研究是探讨森林流域产流机制的基础和前提[5].
太行山区是华北平原的主要补给区,对研究区典型林地的入渗规律的研究,是华北地区水资源安全的研究的基础,对于揭示华北平原水源地近年来来水量减少的机制具有重要意义.
由于华北土石山区坡地入渗规律的研究相对较少[6],而本研究区由于观测年限短,降雨径流次数少,数据量有限,通过野外人工降雨实验还可弥补数据量的不足.
本文在对研究区土壤物理性质进行调查分析的基础上,利用人工降雨方法,探讨典型林地人工降雨下的入渗特性,分析雨强、土壤前期含水量、土壤物理性质及坡度对太行山土石山区典型人工林地坡面入渗的影响.
1研究区概况人工降雨在中国科学院地理科学与资源研究所崇陵流域实验基地进行,基地位于河北省易县境内(39°23′N,115°21′E),地处太行山脉北端,属于白洋淀流域的大清河水系.
研究区海拔85~300m,多年平均降雨量为641.
2mm,坡地土壤类型以砂壤土为主,土层厚度约为20cm.
流域详细情况见文献[7].
于20世纪50年代末种植的侧柏人工林是该区域的典型植被类型之一.
2研究方法2.
1人工降雨试验2005年10-11月,实施了人工降雨试验,选取了两个(1m*2m)小区,编号分别为P1、P2小区,坡度分别为19.
6°和11.
7°;在每个小区降雨7场,以P1-1、P1-2……P1-7、P2-1、……、P2-7的规则分别编号.
降雨系统采用水箱供水,通过供水阀门控制流量,分别在每个小区上模拟了雨强为0.
5mm/min,0.
9mm/min,1.
14mm/min,1.
35mm/min,1.
56mm/min,2.
1mm/min的降雨.
降雨总量控制在70~95mm之间.
降雨器可提供降雨面积为2.
2m*2m,在小区上边和两道侧边用PVC隔板插进土层10cm,以减小土壤水分侧渗对实验结果的影响.
地表径流由导流槽引出,用翻斗式流量计记录出流过程.
考虑到基岩风化层中碎石含量大、碎石块体积较大,在深层安装负压计将会严重破坏坡面的自然状况,因此只在10cm,20cm,30cm的深度处埋设了电测负压计(ModleHX1011J),来监测降雨过程中土壤水分的运动状况.
利用CR10X数据采集器采集坡面流数据和负压计数据,时间步长为1min.
每个小区每天进行一场降雨.
两个径流小区土壤层厚约20cm,土层内石块较少,下伏为风化砂质岩层(大量石块与黄色土混杂).
由于两个小区处于同种植被下,且位置较为接近,因此不考虑两个小区土壤物理性质的差异.
但两个小区枯落物覆盖稍有区别:P1小区枯落物很少;而P2小区枯落物厚约1cm,以分解的针叶为主.
2.
2表观入渗率的计算本文中的表观入渗率[8]是指在次降雨入渗过程中,用水量平衡法(雨强与产流强度的差值)计算得出的入渗率.
因此,并没有考虑坡面蓄水对计算入渗率的影响.
2.
3土壤物理性质测定粒径分析用的土样采取、饱和导水率的测定以及斥水性试验的地点均设置在研究小区附近,依此代表两个小区的土壤物理性质.
土壤分为10cm,20cm,30cm进行采样,并过筛,去除大于2mm的砾石,进行粒径分析;采用Model2800k1GuelphPermeater入渗仪进行田间土壤饱和导水率的测定,分别测定0-5cm,0-10cm,10-20cm,20-30cm和30-50cm土层及风化层的饱和导水率,每一层重复测定3次,最后取平均值进行分析.
土壤斥水性是指土壤不能或者很难被水分湿润的现象[9],土壤斥水性于2009年5月9-10日进行.
土壤斥水性的调查方法参考Leighton2Boyce等[10]提出的原地测定土壤斥水性的方法:选取一个10cm*10cm的样地,把表层枯落物和腐殖质层去除,利用水滴穿透时间法(WDPT)来测定土壤斥水性的持续时间,并用实验的方法测定斥水性土壤层的厚度.
WDPT法是用一组(本试验采用10滴为一组)蒸馏水滴(每滴约0.
05ml),轻轻的滴在土壤表面,测定完全渗入土壤所需要的时间,即为土壤斥水性持续的时间.
分别选择了3个枯落物厚度约为2cm的地点和3个基本无枯落物覆盖的地点进行试验.
3结果与分析3.
1侧柏林地的土壤物理性质通过野外的土壤剖面的调查,土壤层与基岩风化层界线明显.
各深度土壤物理性质见表1.
侧柏林地的土壤均显示出容重随深度而递增、田间饱和导水率均随深度而逐渐减小的趋势,并且这种趋势基本与土壤质地分析结果一致.
这种规律与余新晓等[5]研究结果一致.
92第1期闵雷雷等:太行山区侧柏林地人工降雨下的入渗特性1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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net表1侧柏林地不同层次的土壤物理性质土层深度/cm容重/(g·cm-3)饱和导水率/(mm·min-1)砂粒0.
05~2mm粉砂0.
002~0.
05mm粘粒45mm/h>130mm/h.
试验结果表明,草被措施坡面对于控制暴雨侵蚀的效果不很理想,因而采取工程与生物措施的综合治理很有必要.
3结论(1)试验条件下,农耕地产沙量是草地产沙量的21.
4~131.
5倍,裸地产沙量是草地产沙量的18.
3~182.
5倍.
在45mm/h和87mm/h降雨强度下,农耕地的产沙量少于裸地,但在降雨强度127mm/h时,农耕地的产沙量多于裸地.
(2)在不同降雨强度下,草地相对于农耕地和裸地的蓄水效益为30.
8%~71.
8%,保土效益高达94.
5%~99.
4%,不同下垫面条件下的蓄水保土效益从大到小的顺序为草地>农耕地>裸地.
在45mm/h和87mm/h降雨强度下,农耕地相对于裸地的蓄水保土效益达到了5.
2%~27.
9%,但在127mm/h降雨强度下,裸地的蓄水保土效果要好于农耕地.
(3)试验条件下,20%草地覆盖度的坡面产沙量分别是40%,60%和80%草被覆盖度坡面产沙量的1.
1~1.
5倍、1.
2~2.
9倍和1.
3~6.
1倍,不同覆盖度的草地蓄水保土效益随着覆盖度的增加呈增加的趋势.
(4))在不同降雨强度下,相对于20%草被覆盖度草地,40%,60%和80%草被覆盖度坡面的蓄水效益和保土效益分别为6.
0%~80.
0%和11.
4%~83.
5%,不同草地的蓄水保土效益从高到低的降雨强度顺序为87mm/h>45mm/h>130mm/h.
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