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砾石覆盖层截留降雨的模拟实验研究

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砾石覆盖层截留降雨的模拟实验研究 中国农学通报 2010,26(18):410-414 Chinese Agricultural Science Bulletin 0 引言 长期以来,覆盖技术由于具有保水保墒、改善环境 条件、提高生产效率等效果,得到了一定范围的使用。 常用的覆盖方式,如:地膜覆盖、秸秆覆盖、砾石覆盖 等 [1-4]。在中国甘肃等地的砂田,就采用一定厚度的砂 石覆盖层覆盖土壤表面,可抑制蒸发,增加降雨入渗量, 保持土壤湿度,从而达到增产的目的[1,2,5],成为中国西北 特色农业形式之一。但在降雨时,雨水通过覆盖层进 入土壤...

砾石覆盖层截留降雨的模拟实验研究
中国农学通报 2010,26(18):410-414 Chinese Agricultural Science Bulletin 0 引言 长期以来,覆盖技术由于具有保水保墒、改善环境 条件、提高生产效率等效果,得到了一定范围的使用。 常用的覆盖方式,如:地膜覆盖、秸秆覆盖、砾石覆盖 等 [1-4]。在中国甘肃等地的砂田,就采用一定厚度的砂 石覆盖层覆盖土壤 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面,可抑制蒸发,增加降雨入渗量, 保持土壤湿度,从而达到增产的目的[1,2,5],成为中国西北 特色农业形式之一。但在降雨时,雨水通过覆盖层进 入土壤的过程中,覆盖层也会截留一定的降雨量[6-7]。 通过对砾石覆盖层截留降雨过程进行分析,通过降雨 模拟实验测定覆盖层的截留雨量,并确定截留雨量与 覆盖层几何特征、降雨强度、降雨历时间定量关系。 基金项目:北京市教育委员会共建项目;中国农业大学2009年URP计划项目。 第一作者简介:蒋志云,男,1989年出生,湖南省耒阳人,研究方向:土壤侵蚀机理与模型。通信地址:北京市海淀区清华东路17号中国农业大学513 信箱,E-mail:jiangzhiyun555@163.com。 通讯作者:彭红涛,男,1967年出生,湖南衡山人,副教授,研究方向:土壤侵蚀机理与模型。通信地址:北京市海淀区清华东路17号中国农业大学东 校区41楼3-1503号信箱,Tel:010-62736666,E-mail:pht10@sina.com。 收稿日期:2010-03-02,修回日期:2010-04-05。 砾石覆盖层截留降雨的模拟实验研究 蒋志云,彭红涛,方唐福,姚新宇,霍金东 (中国农业大学,北京 100083) 摘 要:砾石覆盖技术可减少土壤水分蒸发,在世界的一些干旱半干旱地区得到了不同程度的应用。但 在降雨时,雨水通过覆盖层进入土壤的过程中,覆盖层也会截留一定的降雨量。通过模拟降雨实验,结 果表明:在降雨强度、降雨历时和铺设方式等相同的条件下,烘干砾石的吸水量随着降雨历时的延长而 增大,并逐渐达到饱和吸水量;烘干砾石达到吸水饱和所需的降雨历时随着砾石平均等效粒径的减小而 缩短;随着砾石平均等效粒径的增加,覆盖层砾石颗粒间的滞留水量逐渐减少;饱和砾石覆盖层的截留 水量也逐渐减小,用指数衰减拟合模型进行拟合,具有高度的显著性。 关键词:砾石覆盖;截留;降雨 中图分类号:S152.7 文献标志码:A 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 编号:2010-0540 Rainfall Simulation Experimental Study on Rainfall Interception by Gravel Mulch Jiang Zhiyun, Peng Hongtao, Fang Tangfu, Yao Xinyu, Huo Jindong (China Agricultural University, Beijing 100083) Abstract: Gravel mulch technique can reduce soil moisture evaporation, some of the world’s arid and semi-arid areas have been varying degrees of application. However, the mulch will also retain a certain degree of rainfall when raining and rain water into the soil passing through the gravel mulch. The simulated rainfall experiments were carried out. The results indicated that the amount of water absorption of baked gravel increasing as the rainfall duration prolonging, and gradually reached the saturated water adsorptive value under the same conditions with the same rainfall intensity, rainfall duration prolonging, gravel paving pattern. The rainfall duration of baked gravel gotten to the saturated water adsorptive value was shortened as the gravel average equivalent diameter reducing. Rainfall interception and water retention among particles in gravel mulch gradually reduced with the gravel average equivalent diameter increasing. The relation between rainfall interception and gravel average equivalent diameter was fitted by exponential decay model as the gravel average equivalent diameter increasing. The data fitted was highly significant. Key words: gravel mulch; interception; rainfall 蒋志云等:砾石覆盖层截留降雨的模拟实验研究 1 砾石覆盖层截留降雨分析 降雨时,雨水落到砾石覆盖层的表面,水的去向主 要有:产生径流、砾石吸水、砾石颗粒间滞留水、土壤入 渗水、水分蒸发等。其中砾石吸水、砾石颗粒间滞留水 是砾石覆盖层截留的降雨水分。截留的水分将在雨后 一段逐渐被蒸发掉。 (1)砾石吸水。当雨水落在砾石上,若砾石的初始 含水量远未达到饱和,砾石会逐渐吸收雨水。当砾石 吸水到达一定的含水量时,砾石吸水速度逐渐减慢,直 到砾石中水分接近其饱和吸水量时趋于零[10-11]。砾石 中孔隙性很大程度上影响着吸水特性。不同的孔隙半 径大小、孔隙的数量及形状都会对应着不同的吸水速 度[11]。下面主要通过实验测定不同粒径砾石覆盖层的 吸水特性。 (2)砾石颗粒间滞水。由于砾石颗粒之间存在空 隙,细小的空隙中的水会受到毛细张力作用。在重力 与张力处于平衡状态时,水分会滞留在砾石颗粒间在 颗粒表面,也有一部分水分被吸附在砾石表面,不会下 落进入覆盖层下的土壤。 截留的定量指标可用砾石覆盖层截留量表示。其 计算式为: I=A+S+ET …………………………………… (1) 式中:I为降雨终止时的覆盖层截留量,A为降雨 终止时的砾石吸水量,S为降雨终止时的砾石颗粒间 滞水量,ET为降雨期间由覆盖层截留的水分蒸发量, 均以mm为单位。 2 材料与实验方法 2.1 材料 实验所用的砾石材料取自于甘肃省兰州市皋兰县 忠和乡崖川村附近的沟壑(当地农民建造砂田时取砂、 砾石的地方)。取样后,将砾石材料洗净,保证表面无 泥土。从所取的砾石中挑出球体形状的砾石作为实验 试样。然后将所取的砾石材料按:5 mm、25 mm、 45 mm、65 mm 4个粒径级别分类。从各自分类的砾石 中取出一定的样本(见表 1),测量样本中每颗砾石的 三轴尺寸:最长(L)、中间(I)、最短的长度(S)。假设所 选出来试样颗粒为椭球体,则其椭球体积计算式: Ve = 4 3 πæèç ö ø÷ L 2 æ èç ö ø÷ I 2 æ èç ö ø÷ S 2 …………………………(2) 等效球体体积计算式: VS = 4 3 πæèç ö ø÷ d 2 3 …………………………………(3) 令Ve =Vs,可得: 4 3 πæèç ö ø÷ L 2 æ èç ö ø÷ I 2 æ èç ö ø÷ S 2 = 4 3 πæèç ö ø÷ d 2 3 则砾石颗粒的等效粒径:d = LIS3 …………… (4) 由式(4)计算可得颗粒的等效粒径,4个粒径级别 的平均等效粒径见表1。 以下实验和分析中,以样本平均等效粒径来代表 该粒径级的粒径大小。 2.2 实验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 2.2.1 模拟降雨系统 实验采用室内模拟降雨器,降雨 器装置主要由供水系统、计算机控制系统、控制台、降 雨喷头系统和雨量即时监测器等组成。图1为计算机 控制系统和控制台。图2为降雨喷头系统。图3为雨 量即时监测器。实验地点为中国农业大学水利与土木 工程学院降雨实验大厅。 2.2.2 降雨条件下烘干砾石吸水实验 将不同降雨历时 后的烘干砾石吸水水量与吸水饱和的砾石含水量的进 行比较,从而找到某一雨强条件下,砾石覆盖层降雨吸 水饱和所需要的降雨历时。 表1 不同粒径级别试样的平均等效粒径 粒径级别/mm 5 25 45 65 样本颗粒数/个 326 200 195 51 平均等效粒径/mm 5.79 25.16 43.67 64.30 图1 计算机控制系统和控制台 图2 降雨喷头系统 ·· 411 中国农学通报 http://www.casb.org.cn (1)确定砾石的饱和吸水量wsat。实验前,将砾石 浸泡在水中24h[12]。取出砾石,用湿布拭干砾石表层的 自由水,称其质量,记为砾石饱和面干m1(g)。将砾石 和容器放入(105±5)℃烘干箱内烘干至恒重后,称砾 石的干质量为ms(g),这样就可以计算出砾石的饱和吸 水量Wsat(mm)。 即:wsat = m1 - ms Sρw × 10 ………………………… (5) 式中S为容器底面积(cm2);ρw为水的密度(g/cm3)。 (2)雨强的确定。中国西北部地区常年雨量较少且 集中,降水以强降水为主,其降水量占总降水量的75% [13]。大于8 mm/h的暴雨比较常见[14]。所以,实验选用 的雨强为10 mm/h。 (3)实验仪器和步骤。实验采用圆形不锈钢容器, 内径30 cm,侧框高15 cm,侧面和底面均密布方孔(方 孔边长 2 mm),即侧面和底面均允许雨水流出。每种 粒径的砾石分 3组,分别装入圆形不锈钢容器中。实 验前,将所有组的砾石放入干燥箱内。烘干24 h后,取 出分别称质量,即为砾石的干质量ms。将砾石装入圆 形不绣钢容器,置于实验大厅的人工降雨装置下。降 雨前用塑料布覆盖砾石表面。启动降雨系统,待雨强 稳定于 10 mm/h后揭开塑料布,计时开始。到达预定 的时间后,停止降雨,用湿布拭干砾石表层的自由水, 称其质量,可称得砾石的面干质量m2。 可得降雨条件下烘干砾石的吸水量Ag(mm): Ag = m2 - ms Sρw × 10 ……………………………… (6) 式中 S 为容器底面积(cm2);ρ w为水的密度 (g/cm3);m2、ms的单位为g。 对照吸水率与饱和含水量,若还有相差很大,则 还要继续延长降雨历时,重复降雨吸水实验的上述步 骤。 2.2.3 饱和砾石颗粒间滞留水量实验 在降雨的过程 中,砾石颗粒之间也会滞留一部分水分,而不同粒径的 砾石的滞留量也会不同。通过测出不同粒径颗粒间滞 水量,比较分析得出相应的规律,粒径与滞水量间的关 系。 实验前将砾石试样浸泡 24 h,让砾石处于饱和吸 水状态[12]。实验时,将石子表面的水用潮湿布擦干称 重,所得的即为石子的饱和面干质量msat,再称量经降 雨后带有水滴的圆形不锈钢容器的质量m2。进行降 雨实验时,将砾石放入圆形不锈钢容器中并一起放在 人工降雨实验台下进行降雨实验。到了预定降雨时间 后停止降雨系统,迅速称石子与容器的总质量m0。总 质量减石子饱和面干质量msat与湿容器质量m2,即为 雨后滞留在石子之间的水量mw。即:mw=m0-m2-msat。 Ssat = m0 - m2 - msat Sρw × 10 ……………………… (7) 式中 S 为容器底面积(cm2);ρ w为水的密度 (g/cm3);m0、m2、msat的单位为g。 3 结果与分析 3.1 降雨条件下烘干砾石吸水实验结果分析 按实验设计的不同降雨历时条件下,测定不同平 均等效粒径试样的吸水量,然后依照式(6)计算出每组 砾石的吸水量,然后分别进行拟合,拟合结果见图 4、 图5、图6和图7。砾石的饱和吸水量按式(5)计算,计 算结果如图 4、图 5、图 6和图 7所示。图 4、图 5表明, 当降雨历时超过 30 min,平均等效粒径为 5.79 mm或 25.16 mm的砾石吸水基本达到饱和状态;图6表明,当 降雨历时超过40 min后,平均等效粒径为43.67 mm的 砾石吸水基本达到饱和状态;图7表明,平均等效粒径 为64.30 mm的砾石吸水要达到基本达到饱和,降雨历 时则需超过60 min。因此,在同样条件下,砾石的吸水 量随着降雨历时的延长而增大,并逐渐达到饱和吸水 量;砾石达到吸水饱和所需的降雨历时随着砾石平均 等效粒径的减小而缩短。 3.2 饱和砾石颗粒间滞留水量实验结果分析 当砾石颗粒未饱和时,还有能力吸收一定水分,也 会影响砾石颗粒间的滞留水量,这是一个动态吸水过 程。为了便于测定,实验研究砾石吸水饱和后的降雨 砾石颗粒间滞留水量与粒径的关系。 可能直接影响饱和砾石层滞水的因素主要有砾石 粒径、覆盖层几何特征(总厚度或砾石铺设层数)等。 图3 雨量即时监测器 ·· 412 蒋志云等:砾石覆盖层截留降雨的模拟实验研究 当覆盖层砾石颗粒吸水饱和后,降雨强度和历时对其 颗粒间的滞留水量影响不大。下面设计1个实验加以 证明。选平均等效粒径为 25.16 mm的水饱和面干砾 石试样在圆形容器中铺2层,降雨历时设定为10 min, 降雨强度分别安排为 8、20、30、40、50、60、70 mm/h。 依照式(6)计算出每组砾石颗粒间的滞留水量平均 值和标准误差,结果如图 8所示。图 8表明,随着降 雨强度的增加,饱和砾石覆盖层的滞留水量的测量结 果虽有差异(由于测量时的偶然误差造成),但变化 不大。 饱和砾石颗粒间滞留水量测定,采用平均等效粒 径分别为 5.79、25.16、43.67、64.30 mm的砾石颗粒水 饱和面干试样,分别在圆形容器底部铺2层。2层的设 置是考虑到中国西北砂田覆盖层厚度一般为 100 mm 左右。实验采用平均等效粒径 64.30 mm的砾石铺 2 层可以达到这一厚度,其他粒径的砾石也铺2层,相互 之间才更具有一定的可比性。实验结果如图 9所示。 图9表明,在降雨强度、降雨历时和铺设方式相同的条 件下,随着饱和面干砾石粒径的增加,覆盖层砾石颗粒 间的滞留水量逐渐减少。 图4 平均等效粒径为5.79 mm的砾石 吸水量与降雨历时间的关系 图5 平均等效粒径为25.16 mm的砾石 吸水量与降雨历时间的关系 图6 平均等效粒径为43.67 mm的 砾石吸水量与降雨历时间的关系 图7 平均等效粒径为64.30 mm的 砾石吸水量与降雨历时间的关系 图8 降雨强度对平均等效粒径25.16 mm的 砾石覆盖层(2层)滞留水量的影响 图9 不同粒径饱和面干砾石覆盖层粒间滞水量 ·· 413 中国农学通报 http://www.casb.org.cn 3.3 饱和砾石覆盖层的截留量 饱和砾石覆盖层的截留量可按式(1)进行计算。 由于从开始降雨至降雨停止期间的相对湿度很大,可 以认为式(1)中的 ET为 0。选平均等效粒径为 5.79、 25.16、43.67、64.30 mm的水饱和面干砾石试样在圆形 容器中铺 2层,降雨历时设定为 10 min,降雨强度为 10 mm/h。计算出每组砾石的饱和面干吸水量和颗粒 间的滞留水量。覆盖层的截留量计算结果及其与砾石 平均等效粒径间的关系拟合模型如图 10所示。该模 型为指数衰减拟合模型,表明降雨强度、降雨历时和铺 设方式相同的条件下,随着砾石等效平均粒径的增加, 饱和砾石覆盖层的截留水量逐渐减小。 4 结论 (1)降雨条件下烘干砾石吸水实验结果表明:在同 样条件下,烘干砾石的吸水量随降雨历时的延长而增 大,并逐渐达到饱和吸水量;烘干砾石达到吸水饱和所 需的降雨历时随着砾石平均等效粒径的减小而缩短。 (2)在降雨强度、降雨历时和铺设方式相同的条件 下,随着砾石平均等效粒径的增加,饱和砾石覆盖层砾 石颗粒间的滞留水量逐渐减少。 (3)在降雨强度、降雨历时和铺设方式相同的条件 下,随着砾石等效平均粒径的增加,饱和砾石覆盖层的 截留水量逐渐减小,用指数衰减拟合模型进行拟合,具 有高度的显著性。 参考文献 [1] 杨来胜,席正英.砂田在兰州的应用与发展[J].中国瓜菜,2007,(3): 32-33. [2] 杨来胜,席正英.砂田的发展及其应用研究[J].甘肃农业,2005,(7): 71. [3] 吕晓男,陆允甫.覆盖对改善土壤的物理性状和春玉米产量影响的 研究初报[J].土壤通报,1994,25(3):102-103. [4] 方文松,朱自玺.秸秆覆盖农田的小气候特征和增产机理研究[J]. 干旱地区农业研究,2009,27(6):123-128. [5] 宋维峰.甘肃砂田[J].甘肃水利水电技术,1994,(2):56-58. [6] Li Xiaoyan, Gong Jiadong, Gao Qianzhao, et al. Rainfall interception loss by pebble mulch in the semiarid region of China [J]. Journal of Hydrology, 2000,228:165-173. [7] Li Xiaoyan, Shi Peijun,Liu Lianyou, et al. Influence of pebble size and cover on rainfall interception by gravel mulch[J].Journal of Hydrology,2005,312:70-78. [8] Xie Zhongkui, Wang Yajun, Jiang Wenlan, et al. Evaporation and evapotranspiration in a watermelon filed mulched with gravel of different sizes in northwest China[J]. Agricultural water Management [J]. 2005,81:173-184. [9] Tromble, J.M. Water interception by two arid land shrubs[J].Journal of arid environments,1988,15(11):65-70. [10] 丁自强.砂膨胀和砾石吸水率的探讨[J].水文地质工程地质,1959, (8):32-34. [11] 周莉,何满潮.砂岩吸水特性试验[J].解放军理工大学学报:自然科 学版,2009,10(6):580-585. [12] 中华人民共和国建设部.JGJ52-2006.普通混凝土用砂、石质量及 检验方法[M].北京:中国建筑工业出版社,2007. [13] 陈冬冬,戴永久.近五十年我国西北地区降水强度变化特征[J].大 气科学,2009,33(5):923-935. [14] 陈乾.用GMS卫星资料估算西北区东部雨强等级[J].甘肃气象, 1994,12(3):34-35. 图10 覆盖层的截留量与砾石平均等效粒径间的关系 ·· 414
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