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紫色土是我国南方地区宝贵的农业资源。由于不合理的开发,紫色土区面临水土流失及水体污染等严重的生态环境问题。坡耕地降雨产流规律研究是构建坡地土壤侵蚀模型与农业非点源污染控制的关键问题。本研究在大田条件下进行原位人工模拟降雨,考虑降雨、坡度、土层厚度、前期含水量以及耕作方式等因素对产流过程的影响,系统研究了紫色土坡耕地地表径流和壤中流产流过程。在此基础上,对地表产流过程和壤中流产流过程进行了模拟。主要结论如下:
①地表径流流量可以用降雨历时的对数函数表示,累积径流量可以用时间的二次函数表示。
②降雨是影响地表产流过程的主要因素。随雨强增大,地表产流过程加快,流量增大,地表径流系数增加。土壤前期含水量仅对地表初始产流影响显著。地表径流系数随坡度增大表现出先增加后减小的趋势,在10°~20°间存在最大产流坡度。平作,顺坡垄作与裸地地表产流过程存在显著差异。中耕对地表产流有显著影响,表现为中耕后稳定入渗率增大,径流系数减小,起始产流时间显著延长,径流峰滞后,退水流量显著减小。
③采用Green-Ampt模型,Philip模型,Horton模型,Smith模型,Kostiakov模型和通用模型对地表产流过程进行模拟,结果表明:各种入渗模型的模拟效果有明显差异。Horton模型总体模拟效果较好,适用于紫色土坡耕地地表产流过程的模拟。降雨强度对于模拟结果有重要影响,模拟效果随雨强增大而提高。坡度对模拟结果没有明显影响,但是对模型参数的稳定性有影响。雨前表土含水量对入渗模拟结果有显著影响,6种入渗模型在高含水量条件下模拟效果都优于低含水量条件下模拟结果。
④壤中流是紫色土坡耕地普遍存在的径流形式。壤中流具有产流滞后,流量较小,产流历时较长,流量变化缓慢的特点。产流过程具有明显的涨水阶段和退水阶段,涨水过程与退水过程具有一定的相似性。
⑤壤中流涨水过程可以用时间的二次函数表示,退水过程可以用时间的指数函数表示,壤中流累积流量可以表示为时间的三次函数。
⑥降雨入渗是影响壤中流的主要因素。壤中流总量,峰现时间,滞后时间,径流系数,退水流量都与降雨强度和降雨量存在显著相关性,尤其与稳定入渗率关系密切。土层厚度是影响壤中流的重要因素。在20cm~60cm范围内,随土层厚度增加,壤中流起始产流时间增大,壤中流产流总量减小。10°是紫色土坡耕地壤中流产流的临界坡度,当小于该坡度,径流系数随坡度增加而减小:当超过该坡度,壤中流不受坡度变化的影响。
⑦在分析森林流域壤中流模型的基础上,对紫色土坡耕地壤中流产流过程进行了模拟,结果表明:基于土壤排水原理的概念模型可以较好模拟紫色土坡耕地壤中流产流过程。