水文过程模拟与土壤水分动态变化试验

加晓军+高艺嘉+张雯

摘要：通过流域水文循环实验模拟，观测小区域降水量、径流量等水文要素，同时获得不同土壤质地水分特征参数及土壤物理参数，概化小区域产汇流过程，建立小尺度水文循环模型，进行小区域降水径流模拟，并探究土壤水分的资源属性。以不同条件下的土壤水动态分布情况为主题，以小区域为对象，通过流域降水——地表水——土壤水——地下水转换的水循环机理研究，建立小区域的水循环模型，研究不同下垫面条件下土壤水分动态变化机理，为缺水地区的水资源总量评价和高效利用提供理论基础和科学依据。

关键词：土壤水分含量；下垫面条件；动态变化模拟

中图分类号： S152.7 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.12.036

土壤水是指地表面以下，地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分，也称为非饱和带土壤水[1]。在水文循环中，非饱和带土壤水的运移被认为是最重要最复杂的部分[2]。土壤水研究是水科学研究中的重要内容，过去的研究主要集中在土壤水分含量及水分利用[3]、土壤水盐分及其运移规律[4]、土壤水动力学及数值模拟模型研究[5]、土壤水水量计算及水平衡研究[6]、土壤水资源评价[7-12]等方面。

本研究考虑下垫面的条件差异，即流域内不同地貌单元、不同土壤质地、不同植被覆盖条件下，土壤水资源量分布特征。对土壤水分变化规律进行深入研究，建立土壤水分动态模拟模型，模拟土壤水分在不同下垫面条件下的动态变化规律，预报土壤水分动态变化及区域的水文循环变化过程。

1 研究地区概况

实验研究区位于江苏省徐州市铜山区南郊，属于黄泛冲积平原地带，平均坡降万分之一。流域面积1877平方公里，位于东经116°43′～117°42′、北纬34°01′～34°35′之间（图1）。属暖温带湿润和半湿润季风气候，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%。该区地貌类型以平原为主，兼有低山丘陵，土壤类型有黏土、砂质黏土及少部分沙土等。在研究区内，缓斜的坡度、坡向等地形因子对土壤水分含量有一定的影响，但不是主要因素；土壤质地，地表植被类型成为决定土壤持水能力的主要影响因素。研究区主要以居民区和耕地组成，其中95%以上为耕地。由于退耕还林政策，有15%的区域变成林地，主要有果园、杨树林；耕地仍占较大部分，有蔬菜类和稻田等。

2 实验内容

2.1 代表点的设计

结合黄泛冲积平原地带的具体情况，根据该流域下垫面条件特点，在该地区取两个实验点：林区（梨园），非耕作区（砂土堰），如表1。

说明：试验期间，该地区地下潜水面较高，部分观测点埋深 1米处可见水。

2.2降雨模型实验设计

在5个试验点分别设置降雨模型，该降雨模型应保证在1米×1米的范围内实现平均降水，并能实时监测、控制流速流量。利用PVC管制作9厘米×90厘米方格管网，利用钢针头刺穿PVC管，使水能在压力作用下向上喷出，平均降落在1米×1米的实验区上。同时在管网入口处连接阀门、水表，利用阀门来控制流速，利用水表实时监测降水量。进行降雨实验时，应控制并记录降雨时间，以计算降雨强度。

2.3产汇流模擬实验

在5个试验点分别设置产汇流模型，该模型需要一定的自然坡度以保证流域汇水方向一致，且只形成一个流域出口。在实验点建立1米×1米实验区，用20厘米×100厘米钢板将区域边界封闭，并在其中一边留出20厘米×20厘米断面，作为流域出口断面。尽量保持原状土，为形成地形可适当人工制造坡度，并覆盖以表层土。坡面汇流边界设置水槽，通向流域出口断面。在出口断面制造堰和汇水沟。

2.4土壤水分的测定

用土钻法对实验点每隔0.1米分层取土样，所取土样深度h≤1米，每个实验点取三个平行样，然后用实验室烘干法（105±2）℃，测定土壤的质量含水量；降水量的观测采用雨量计实测。

3 结果

实验前测得前期土壤含水率，如表2。

通过控制变量：实验点土质、前期土壤含水率、降雨历时、平均雨强等条件，测得如下出流结果，见表3。

4 结语

将不同深度、不同时间土壤的水分含量进行统计，得到不同前期土壤含水量、不同土壤质地、不同雨强下代表实验点各层深度的土壤水分动态变化过程，分析得出以下结论。

一是土壤含水量随着深度的增加，土壤含水量变化幅度减小。不同前期土壤含水量的试验点，对降水的响应滞后时间不同，但最后土壤含水量都逐渐趋于某一稳定值。

二是不同土壤质地的土壤含水量对降雨的响应不同，砂质黏土较沙土不易下渗和蒸发，退水变化相对平稳。不同土壤质地的持水性也有较大差异，沙土地表到50厘米处土壤水分明显小于砂质黏土试验点的土壤水含量。

三是单位时间内不同降雨强度形成土壤含水量及产流量不同。雨强越大出流时间越早，出流历时越长，单位时间内形成的径流量越大。

参考文献

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