長江三峽紫色砂頁巖區(qū)優(yōu)先流形成及其運(yùn)動(dòng)機(jī)理
《長江三峽紫色砂頁巖區(qū)優(yōu)先流形成及其運(yùn)動(dòng)機(jī)理》對(duì)優(yōu)先流的基本內(nèi)涵和研究進(jìn)展進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié)和歸納，并以長江三峽紫色砂頁巖區(qū)優(yōu)先流為研究對(duì)象，以重慶市江津區(qū)為試驗(yàn)基地，選擇林地和農(nóng)地典型坡面，采用染色法和點(diǎn)格局法分析了優(yōu)先路徑在土壤剖面上的水平分布和垂直分布特性，并分析了優(yōu)先流形態(tài)的空間異質(zhì)性。基于染色路徑寬度，對(duì)優(yōu)先流進(jìn)行了分類，并探討了優(yōu)先流對(duì)水分條件的響應(yīng)。從影響優(yōu)先流的外部因素和內(nèi)部因素出發(fā)，研究了優(yōu)先流形成的機(jī)理，并以野外和室內(nèi)測定原狀土的基本參數(shù)為基礎(chǔ)，借鑒國外在優(yōu)先流研究方面的方法及部分成果，修正了長江三峽紫色砂頁巖區(qū)優(yōu)先流模型。
《長江三峽紫色砂頁巖區(qū)優(yōu)先流形成及其運(yùn)動(dòng)機(jī)理》可供從事水土保持、森林水文及土壤物理環(huán)境科學(xué)等方面的科技工作者使用，也可作為水土保持、環(huán)境科學(xué)、水利和林業(yè)等專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生和相關(guān)教師的參考書。
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作為土壤水分運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，優(yōu)先流能夠在土壤中快速運(yùn)動(dòng)，對(duì)溝道徑流乃至河川洪水過程（包括洪水歷時(shí)和洪峰流量等）均可能產(chǎn)生較大影響。由于其成因和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性，優(yōu)先流成為世界水文學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。優(yōu)先流的成因主要受外部因素和內(nèi)部因素共同作用：外部因素主要為土壤初始含水量、水分梯度、降水過程等水分條件；內(nèi)部因素一般認(rèn)為是與“植物一土壤”相關(guān)的環(huán)境因子，主要包括土壤密度、有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)，以及植物的根重密度、根長密度等植物根系特征。優(yōu)先流對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)具有重要影響，它不僅影響水分入滲速度，還影響壤中流的水分通量、水力性質(zhì)等。同時(shí)，通過使土壤水分快速運(yùn)動(dòng)，優(yōu)先流還可能是導(dǎo)致小流域洪峰流量陡起陡落的原因之一。
本研究團(tuán)隊(duì)于1992年開始在張洪江先生帶領(lǐng)下進(jìn)行優(yōu)先流的資料收集及準(zhǔn)備工作，首先在湖北省秭歸縣建立了固定的觀測試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)長江三峽花崗巖地區(qū)優(yōu)先流進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，獲得了包括國家自然科學(xué)基金、瑞典國際科學(xué)基金、國家科技支撐計(jì)劃在內(nèi)的多個(gè)項(xiàng)目資助。
目錄
前言
第1章優(yōu)先路徑及優(yōu)先流研究進(jìn)展1
1.1優(yōu)先流及優(yōu)先路徑定義1
1.1.1優(yōu)先流定義1
1.1.2優(yōu)先路徑定義2
1.2優(yōu)先流觀測方法2
1.2.1直接測定法2
1.2.2間接描述法4
1.3優(yōu)先路徑及優(yōu)先流形成機(jī)理5
1.3.1優(yōu)先路徑成因5
1.3.2優(yōu)先流產(chǎn)生的機(jī)理7
1.4土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬研究現(xiàn)狀8
1.4.1土壤水分運(yùn)動(dòng)概念模型8
1.4.2計(jì)算機(jī)模型12
1.4.3模型模擬13
1.5存在問題與研究展望16
1.5.1存在問題16
1.5.2研究展望16
第2章研究區(qū)概況及研究方法18
2.1三峽庫區(qū)概況18
2.1.1地質(zhì)地貌18
2.1.2氣象18
2.1.3水文19
2.1.4土壤19
2.1.5植被20
2.2研究地區(qū)概況20
2.2.1地質(zhì)地貌21
2.2.2氣象23
2.2.3水文23
2.2.4土壤23
2.2.5坡面土地利用概況25
2.3研究內(nèi)容與研究方法25
2.3.1研究內(nèi)容25
2.3.2研究方法26
第3章土壤優(yōu)先流形態(tài)特征及其空間異質(zhì)性38
3.1林地壤中流過程與優(yōu)先流形態(tài)特征39
3.1.1闊葉林土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征39
3.1.2針葉林土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征41
3.1.3針闊混交林土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征42
3.1.4灌叢土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征43
3.2林地土壤優(yōu)先流形態(tài)變化規(guī)律44
3.2.1林地土壤優(yōu)先流形態(tài)的縱向變化規(guī)律45
3.2.2林地土壤優(yōu)先流形態(tài)的橫向變化規(guī)律51
3.3林地土壤優(yōu)先流形態(tài)的空間異質(zhì)性57
3.3.1林地壤中流過程及優(yōu)先流形態(tài)的空間變化58
3.3.2滲透水量對(duì)土壤優(yōu)先流空間異質(zhì)性的影響59
3.4農(nóng)地土壤優(yōu)先流形態(tài)特征60
3.4.1水平染色剖面優(yōu)先流形態(tài)特征60
3.4.2豎直染色剖面優(yōu)先流形態(tài)特征66
3.5農(nóng)地土壤優(yōu)先流形態(tài)變化規(guī)律67
3.5.1水平染色剖面優(yōu)先流形態(tài)變化規(guī)律67
3.5.2豎直染色剖面優(yōu)先流形態(tài)變化規(guī)律82
3.5.3優(yōu)先流形態(tài)變化及其影響因素85
第4章優(yōu)先流發(fā)生類型及其對(duì)水分條件的響應(yīng)87
4.1垂直染色剖面表面積密度與染色路徑寬度分布88
4.1.1林地土壤垂直染色剖面的表面積密度88
4.1.2林地土壤染色路徑數(shù)量的垂直變化規(guī)律93
4.1.3林地土壤染色路徑寬度分布特征94
4.2壤中流過程中的優(yōu)先流發(fā)生類型判定98
4.2.1基于染色路徑寬度的壤中流類型劃分標(biāo)準(zhǔn)98
4.2.2不同類型林地土壤優(yōu)先流的發(fā)生類型98
4.3土壤優(yōu)先流類型對(duì)林地水分條件的響應(yīng)104
4.3.1土壤優(yōu)先流類型對(duì)初始含水量的響應(yīng)104
4.3.2土壤優(yōu)先流類型對(duì)水分梯度的響應(yīng)105
4.3.3土壤優(yōu)先流類型對(duì)滲透水量的響應(yīng)106
第5章土壤優(yōu)先路徑的空間分布規(guī)律108
5.1林地水平染色剖面內(nèi)優(yōu)先路徑數(shù)量109
5.1.1林地水平染色剖面優(yōu)先路徑信息提取方法109
5.1.2不同類型林地土壤優(yōu)先路徑的水平空間分布數(shù)量110
5.2農(nóng)地優(yōu)先路徑位置及數(shù)量115
5.2.1水平染色剖面優(yōu)先路徑分布位置及數(shù)量115
5.2.2豎直染色剖面優(yōu)先路徑分布位置及數(shù)量121
5.3林地優(yōu)先路徑的水平空間分布狀態(tài)122
5.3.1點(diǎn)格局分析方法及其原理123
5.3.2低滲透水量下林地優(yōu)先路徑的水平空間分布狀態(tài)124
5.3.3高滲透水量下林地優(yōu)先路徑的水平空間分布狀態(tài)127
5.4農(nóng)地優(yōu)先路徑的空間分布狀態(tài)132
5.4.1水平染色剖面優(yōu)先路徑分布狀態(tài)132
5.4.2豎直染色剖面優(yōu)先路徑分布狀態(tài)139
第6章紫色砂頁巖區(qū)土壤優(yōu)先流形成機(jī)理141
6.1土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤優(yōu)先流形成的影響141
6.1.1優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的土壤密度142
6.1.2優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的土壤質(zhì)地143
6.1.3優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量144
6.2植物根系對(duì)林地土壤優(yōu)先流形成的影響146
6.2.1根長密度與土壤優(yōu)先流的關(guān)系146
6.2.2根重密度與土壤優(yōu)先流的關(guān)系147
6.2.3植物根孔與土壤優(yōu)先流的關(guān)系148
6.3紫色砂頁巖林地土壤優(yōu)先流發(fā)生的影響因素149
6.4土壤優(yōu)先路徑形成的影響因素152
第7章優(yōu)先路徑對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)影響154
7.1CoupModel公式介紹與參數(shù)選擇154
7.1.1土壤水分過程154
7.1.2植物水分過程157
7.1.3土壤蒸發(fā)及輻射過程159
7.2CoupModel參數(shù)的不確定性分析162
7.3土壤水分運(yùn)動(dòng)初次模擬165
7.3.1針闊混交林樣地土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬165
7.3.2針葉林樣地土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬172
7.3.3結(jié)果分析179
7.4模型結(jié)構(gòu)調(diào)整180
7.5模型結(jié)構(gòu)調(diào)整后模擬181
7.5.1針闊混交林樣地土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬181
7.5.2針葉林樣地土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬182
7.5.3結(jié)果分析184
7.6優(yōu)先路徑對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬的影響186
第8章土壤水分動(dòng)態(tài)對(duì)不同類型降水過程的響應(yīng)187
8.1試驗(yàn)區(qū)降雨特征187
8.1.1次降雨量及降雨強(qiáng)度187
8.1.2日降雨量及降雨日數(shù)188
8.1.3降雨類型及區(qū)域特殊降雨過程189
8.2不同類型降雨過程下針闊混交林地土壤水分響應(yīng)190
8.2.1暴雨過程190
8.2.2綿雨過程193
8.3不同類型降雨過程下針葉林地土壤水分響應(yīng)195
8.3.1暴雨過程195
8.3.2綿雨過程197
參考文獻(xiàn)200
深入、系統(tǒng)地研究林地土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于揭示森林流域徑流形成機(jī)制、修正洪水預(yù)報(bào)模型具有十分重要的意義。本研究選擇三峽庫區(qū)紫色砂巖林地為研究對(duì)象，采用野外觀測、室內(nèi)試驗(yàn)、點(diǎn)格局分析與模型(COUPmodel)模擬結(jié)合的方法，探討紫色砂巖區(qū)林地土壤水分運(yùn)動(dòng)影響因素及土壤優(yōu)先路徑對(duì)植物根系生長的響應(yīng)機(jī)理，通過對(duì)觀測樣地土壤水分動(dòng)態(tài)的耦合研究，并結(jié)合林地土壤優(yōu)先路徑分布特征對(duì)COUPmodel模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，最終建立適用于三峽庫區(qū)紫色砂巖林地的土壤水分運(yùn)動(dòng)模型，促進(jìn)三峽庫區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究。這對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)林地水分再分配、流域水循環(huán)機(jī)制和三峽庫區(qū)洪水發(fā)生發(fā)展規(guī)律具有重要現(xiàn)實(shí)意義，并對(duì)深化森林水文學(xué)內(nèi)容，豐富土壤物理學(xué)、流域水文學(xué)和水土保持學(xué)內(nèi)容具有深遠(yuǎn)理論意義。
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