黑河上游八宝河流域土壤特性及入渗模拟研究

发布时间：2018-02-25 22:02

本文关键词： 八宝河流域土壤特性土壤水分入渗土壤转换函数斑块状分布特征　出处：《陕西师范大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：黑河流域涉及青海、甘肃、内蒙古三省区,处于西北内陆,水资源尤为重要。但由于对黑河水资源开发利用缺乏科学的管理,加之全球气候变化,黑河生态环境,特别是中下游有逐步恶化的趋势。处于祁连山区的黑河上游不仅是中下游甘肃河西走廊中段张掖市的重要水源地,而且还是黑河下游内蒙古额济纳旗绿洲的水源地。如何利用好黑河流域的水,不仅关系到中游张掖市经济可持续发展,还关系到下游河道两侧荒漠的演变。针对黑河流域的水源地进行研究,对流域生态-经济-社会环境的可持续发展就显得尤为重要。土壤水分入渗是降雨—径流循环过程中的关键一环,是四水相互转化过程的一个重要环节。针对黑河流域上游土壤水分入渗研究不仅有利于促进非饱和带土壤水分入渗研究,提升八宝河流域水源涵养能力,而且可推动土壤水迁移基础理论研究的发展,为综合评价地表、地下水资源,减缓自然灾害,加强黑河流域生态建设提供科学依据。本文以西北地区重要内陆河水源区——黑河上游八宝河流域为研究对象,收集与处理气象、植被、土壤、入渗等多源数据,系统分析了研究区内土壤性质特征以及土壤入渗过程,基于原位测试所得的第一手入渗资料,对入渗过程进行不同模型拟合,并分析了土壤性质指标与入渗率的关系。在SSE,RMSE,R,ME,EF和W等指数定量评估拟合状况基础上,得出最优模型并建立土壤转换函数,实现点到面的转换,继而分析了研究区入渗率的空间分布特征。主要结论如下:(1)研究区生物量高值分布在流域中部,并且在河流南岸较集中,在河流干流沿岸生物量低值成斑块状分布。说明流域中部植被生长较好,在其中由于地形等原因出现植被覆盖度较低区域。研究还发现,流域内高寒草地生物量随海拔高度的不同有所差异。研究区降水未发生较明显的变化,而气温自1997年之后持续上升,使得区内土壤植被蒸散发量加剧,在阴坡、半阴坡、坡度较缓的地区生物量呈现最大值,植被长势较好。(2)研究区土壤含水量由表层向下呈幂函数趋势递减,含水率在20.35-47.55%之间变化。灌丛草地土壤含水量均高于草甸和草地植被类型。整个阴坡半阴坡土壤含水量较大。土壤表层富含有机质,可达11.87g/kg。从土壤表层向下呈幂函数递减趋势。整个土壤剖面,灌丛有机质高于草甸和草地。60cm深度内,坡顶土壤有机质较大。有机质空间分布,阴坡、半阴坡有机质含量较高。研究区土壤含水量变化与土壤有机质变化表现出一致性。(3)研究区土壤大部分属于粉土或粉壤土。粘粒含量大部分分布在5%～12%之间,平均8.28%,含量比较稳定,这也使得与之密切关联的土壤粒径分形维数变化较小,平均2.669,极差值为0.161,变异系数1.37%,在2.556～2.717间变化。结合土壤分形维数与草地退化关系研究结果判断,研究区内植被覆盖良好,未有明显的植被退化。研究区土壤水分特征曲线均呈幂函数曲线,曲线高低差别较大,说明区内土壤持水性差异大。(4)八宝河流域各样点间土壤初始入渗率和稳渗率变化较大,5cm水头下初渗率在 0.057cm/min～0.74cm/min 之间;稳渗率在 0.033cm/min～0.356cm/min 之间。10cm水头下初渗率由0.063cm/min变化到1.150cm/min,稳渗率也从0.040cm/min变化到0.671cm/min。对比不同深度同水头下入渗率变化,除个别样点40cm深度入渗率大于20cm深度外,大部分是20cm深度入渗率大于40cm深度。八宝河流域土壤初始入渗率平均在0.287cm/min～0.446cm/min之间,稳定入渗率平均在0.15cm/min～0.222cm/min之间;无论在不同深度还是不同水头下,整个入渗过程表现出如下特征:0～1Omin 土壤入渗率呈现明显减小过程;10～30min土壤入渗率减小缓慢;30min以后入渗速逐渐达到稳定,故此我们将八宝河流域土壤入渗划分为:0～10min快速变化阶段;10～30min缓慢变化阶段;30min以后稳定阶段三个阶段。(5)在5cm水头20cm深度上,初始入渗率和稳定入渗率随含水率的增加有增大的趋势;而40cm深度上,二者随含水率增大呈现出减小趋势。在10cm水头20cm深度和40cm深度上入渗率和含水率相关关系较一致,整体表现出入渗率随含水率的增加而减小的趋势。入渗率与有机质进行相关分析,结果显示:20cm深度和40cm深度,入渗率随有机质增大呈现出减小趋势。不同深度上,入渗率与粘粒和粉粒成负相关关系,与砂粒呈现出正相关关系。(6)对Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型进行入渗过程拟合。5cm水头下,Kostiakov模型拟合参数a变化于0.07～0.63之间,40cm深度处各样点初渗率与稳渗率差值较20cm深度小,相对比较稳定。拟合参数b变化在0.15～0.34之间,40cm深度较20cm深度各样点入渗率随时间减小变化幅度较小。10cm水头下,拟合参数a变化于0.07～1.069之间,b变化在0.16～0.40之间。同样有40cm深度各样点初渗率与稳渗率差值较稳定,入渗率随时间减小变化幅度较小的规律。5cm水头下,Horton模型拟合参数k变化于0.032～0.328之间。20cm深度上,土壤入渗速率有的减小很快,有的减小很慢,而40cm深度上各样点入渗速率减小相对较为稳定。10cm水头下,参数k变化于0.034～0.420之间,同样说明40cm深度上,土壤入渗速率减小相对20cm深度较为稳定。在不同水头和不同深度下,模型拟合参数所反映的入渗率的变化规律表现出了高度的一致性。土壤各特性因子对入渗模型参数有一定的关系,Horton模型参数k随着土壤有机质、粘粒、粉粒含量的增加而减小,而随着砂粒含量的增加而增大,与土壤含水量关系不密切。Philip模型参数s与土壤有机质、含水量、粘粒、粉粒砂粒含量等指数没有明显的相关性。Kostiakov模型参数a值与土壤有机质、粘粒含量呈现出成幂函数式负相关关系,b值与土壤有机质含量、含水量呈现出负相关关系,与粉粒含量表现出正相关关系。同时,Philip模型参数s、Horton模型参数k与土壤初渗率、稳渗率表现出较好的正相关关系。而Kostiakov模型参数a与土壤初渗率、稳渗率表现出高度的正相关关系。通过对不同水头、不同深度各入渗模型拟合值进行SSE,RMSE,R,ME,EF和W评估分析,最终我们得出结论Kostiakov模型在研究八宝河流域草地土壤入渗中拟合程度最好。建立了初渗率和稳渗率与粘粒、粉粒、有机质、含水量等因子的土壤转换函数模型,并做了评价分析。通过模型实现八宝河流域土壤入渗率由点到面的转换,得出流域土壤入渗率的空间分布呈斑块状分布特征。
[Abstract]:In this paper , it is very important to study the soil moisture infiltration in the middle and lower reaches of the river basin . The soil water content in the study area is higher than that of meadow and grass . The soil moisture content in the study area is higher than that of meadow and grass . The soil moisture content in the study area is higher than that of meadow and grass . The soil moisture content in the study area is higher than that of meadow and grass . ( 5 ) At the depth of 20 cm , the initial infiltration rate and the stable infiltration rate increased with the increase of water content . The infiltration rate and the water content increased with the increase of water content at the depth of 20 cm and the depth of 40 cm . The results showed that the infiltration rate decreased with the increase of water content . The results showed that the infiltration rate decreased with the increase of organic matter . ( 6 ) For the Kostiakov model , the infiltration rate of the Kostiakov model and the soil organic matter , the water content , the clay grain and the grain size of the soil in the depth of 40 cm were more stable than that of the soil organic matter , the water content , the clay grain and the content of soil moisture . It is concluded that the spatial distribution of infiltration rate of soil in the basin is characterized by patch - like distribution .

【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S152.7

【参考文献】