水文過程模擬與土壤水分動態(tài)變化試驗

加曉軍+高藝嘉+張雯

摘要：通過流域水文循環(huán)實驗?zāi)M，觀測小區(qū)域降水量、徑流量等水文要素，同時獲得不同土壤質(zhì)地水分特征參數(shù)及土壤物理參數(shù)，概化小區(qū)域產(chǎn)匯流過程，建立小尺度水文循環(huán)模型，進行小區(qū)域降水徑流模擬，并探究土壤水分的資源屬性。以不同條件下的土壤水動態(tài)分布情況為主題，以小區(qū)域為對象，通過流域降水——地表水——土壤水——地下水轉(zhuǎn)換的水循環(huán)機理研究，建立小區(qū)域的水循環(huán)模型，研究不同下墊面條件下土壤水分動態(tài)變化機理，為缺水地區(qū)的水資源總量評價和高效利用提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤水分含量；下墊面條件；動態(tài)變化模擬

中圖分類號： S152.7 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.12.036

土壤水是指地表面以下，地下水面（潛水面）以上土壤層中的水分，也稱為非飽和帶土壤水[1]。在水文循環(huán)中，非飽和帶土壤水的運移被認為是最重要最復(fù)雜的部分[2]。土壤水研究是水科學(xué)研究中的重要內(nèi)容，過去的研究主要集中在土壤水分含量及水分利用[3]、土壤水鹽分及其運移規(guī)律[4]、土壤水動力學(xué)及數(shù)值模擬模型研究[5]、土壤水水量計算及水平衡研究[6]、土壤水資源評價[7-12]等方面。

本研究考慮下墊面的條件差異，即流域內(nèi)不同地貌單元、不同土壤質(zhì)地、不同植被覆蓋條件下，土壤水資源量分布特征。對土壤水分變化規(guī)律進行深入研究，建立土壤水分動態(tài)模擬模型，模擬土壤水分在不同下墊面條件下的動態(tài)變化規(guī)律，預(yù)報土壤水分動態(tài)變化及區(qū)域的水文循環(huán)變化過程。

1 研究地區(qū)概況

實驗研究區(qū)位于江蘇省徐州市銅山區(qū)南郊，屬于黃泛沖積平原地帶，平均坡降萬分之一。流域面積1877平方公里，位于東經(jīng)116°43′～117°42′、北緯34°01′～34°35′之間（圖1）。屬暖溫帶濕潤和半濕潤季風(fēng)氣候，多年平均年降水量868.6毫米。6～9月的降水量占全年降水量的70%～90%。該區(qū)地貌類型以平原為主，兼有低山丘陵，土壤類型有黏土、砂質(zhì)黏土及少部分沙土等。在研究區(qū)內(nèi)，緩斜的坡度、坡向等地形因子對土壤水分含量有一定的影響，但不是主要因素；土壤質(zhì)地，地表植被類型成為決定土壤持水能力的主要影響因素。研究區(qū)主要以居民區(qū)和耕地組成，其中95%以上為耕地。由于退耕還林政策，有15%的區(qū)域變成林地，主要有果園、楊樹林；耕地仍占較大部分，有蔬菜類和稻田等。

2 實驗內(nèi)容

2.1 代表點的設(shè)計

結(jié)合黃泛沖積平原地帶的具體情況，根據(jù)該流域下墊面條件特點，在該地區(qū)取兩個實驗點：林區(qū)（梨園），非耕作區(qū)（砂土堰），如表1。

說明：試驗期間，該地區(qū)地下潛水面較高，部分觀測點埋深 1米處可見水。

2.2降雨模型實驗設(shè)計

在5個試驗點分別設(shè)置降雨模型，該降雨模型應(yīng)保證在1米×1米的范圍內(nèi)實現(xiàn)平均降水，并能實時監(jiān)測、控制流速流量。利用PVC管制作9厘米×90厘米方格管網(wǎng)，利用鋼針頭刺穿PVC管，使水能在壓力作用下向上噴出，平均降落在1米×1米的實驗區(qū)上。同時在管網(wǎng)入口處連接閥門、水表，利用閥門來控制流速，利用水表實時監(jiān)測降水量。進行降雨實驗時，應(yīng)控制并記錄降雨時間，以計算降雨強度。

2.3產(chǎn)匯流模擬實驗

在5個試驗點分別設(shè)置產(chǎn)匯流模型，該模型需要一定的自然坡度以保證流域匯水方向一致，且只形成一個流域出口。在實驗點建立1米×1米實驗區(qū)，用20厘米×100厘米鋼板將區(qū)域邊界封閉，并在其中一邊留出20厘米×20厘米斷面，作為流域出口斷面。盡量保持原狀土，為形成地形可適當(dāng)人工制造坡度，并覆蓋以表層土。坡面匯流邊界設(shè)置水槽，通向流域出口斷面。在出口斷面制造堰和匯水溝。

2.4土壤水分的測定

用土鉆法對實驗點每隔0.1米分層取土樣，所取土樣深度h≤1米，每個實驗點取三個平行樣，然后用實驗室烘干法（105±2）℃，測定土壤的質(zhì)量含水量；降水量的觀測采用雨量計實測。

3 結(jié)果

實驗前測得前期土壤含水率，如表2。

通過控制變量：實驗點土質(zhì)、前期土壤含水率、降雨歷時、平均雨強等條件，測得如下出流結(jié)果，見表3。

4 結(jié)語

將不同深度、不同時間土壤的水分含量進行統(tǒng)計，得到不同前期土壤含水量、不同土壤質(zhì)地、不同雨強下代表實驗點各層深度的土壤水分動態(tài)變化過程，分析得出以下結(jié)論。

一是土壤含水量隨著深度的增加，土壤含水量變化幅度減小。不同前期土壤含水量的試驗點，對降水的響應(yīng)滯后時間不同，但最后土壤含水量都逐漸趨于某一穩(wěn)定值。

二是不同土壤質(zhì)地的土壤含水量對降雨的響應(yīng)不同，砂質(zhì)黏土較沙土不易下滲和蒸發(fā)，退水變化相對平穩(wěn)。不同土壤質(zhì)地的持水性也有較大差異，沙土地表到50厘米處土壤水分明顯小于砂質(zhì)黏土試驗點的土壤水含量。

三是單位時間內(nèi)不同降雨強度形成土壤含水量及產(chǎn)流量不同。雨強越大出流時間越早，出流歷時越長，單位時間內(nèi)形成的徑流量越大。

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