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电阻率成像法在董志塬固沟保塬水分场监测中的应用

电阻率成像法在董志塬固沟保塬水分场监测中的应用

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作者：崔新盛长安大学

学位级别：硕士

董志塬是黄土高原保存面积最大、最为连续的塬面,素有“天下黄土第一塬”之称。历史时期以来,人类活动的不断加强使董志塬溯源侵蚀剧烈,完整的塬面变得支离破碎。黄土塬区严重的土壤侵蚀现象与塬面和沟道的水动力条件密切相关。固沟保... 详细信息

董志塬是黄土高原保存面积最大、最为连续的塬面,素有“天下黄土第一塬”之称。历史时期以来,人类活动的不断加强使董志塬溯源侵蚀剧烈,完整的塬面变得支离破碎。黄土塬区严重的土壤侵蚀现象与塬面和沟道的水动力条件密切相关。固沟保塬是黄土塬区控制溯源侵蚀、减少水土流失的重要治理措施,包括生物措施和工程措施两种方式。生物措施以自然和人工植被恢复为主,控制坡面侵蚀,减少水土流失;工程措施以沟头回填加固为主,阻止沟头前进,防治地质灾害。然而,不同治理措施,其水分场存在何种差异,对于理解黄土塬面降雨入渗、土壤水分迁移和侵蚀灾变的发育均具有重要的指导意义。因此,本论文以董志塬生物和工程治理的固沟保塬为研究对象,以电阻率成像法(ERT)为主要技术方法,量化了自然与人为措施下的董志塬土壤水分场时空分布和入渗规律。首先,分析了ERT数据与土壤含水量数据之间的相关关系,并建立了函数模型。其次,研究了自然草地恢复和人工植树造林措施下土壤水分时空分布差异。第三,探讨了回填塬面与原始塬面土壤水分场的时空分布差异,并测量了强降雨作用下的水分入渗模式。研究结果如下:(1)建立了适用于董志塬的土壤电阻率-含水量幂函数转换模型,并证实了该模型的准确性和适用性,为后续的土壤水分场反演提供了基础。(2)生物固沟保塬措施中,植被类型对浅层(0～5 m)和深层(>5 m)水分均有影响,但对浅层水分的影响远大于深层。耕地浅层含水量最大,草地次之,林地最少。坡面尺度上,地形对浅层和深层水分均具有显著影响,坡顶浅层水分大于坡面,沟底水分远大于坡顶和坡面。坡度越大,坡面浅层含水量越低;海拔越低,坡面深层含水量越高。不同植被和地形位置处,浅层和深层水分随季节的变化不同步。浅层水分具有明显的季节特征,而深层水分基本不随季节变化,属于相对稳定层。(3)工程固沟保塬措施中,人工回填区存在相对不透水层(3～7 m),而非回填区未出现相对不透水层。干旱季节,回填区水分随时间明显减少的土层深度达7 m,其水分平均变化率为-12.10%;强烈的蒸发对回填区相对不透水层产生明显影响;多雨季节,回填区水分随时间明显增加的土层深度达3 m,其水分平均变化率为+13.00%;充沛的降雨对回填区相对不透水层未产生明显影响。有排水管道经过的回填区深层体积含水量超过20%,明显高于其他区域,且该区域水分变化率最大为+30%,排水管道可能出现渗漏现象。强降雨(62.8 mm)前后塬面水分场动态变化的探测结果表明,强降雨作用下,原始塬面和回填塬面降雨入渗和重分配程度明显不同,原始塬面上层土壤水分(50～60cm)的增加率为﹢23.64%,远远大于回填塬面﹢6.76%的增加率。

关键词：董志塬固沟保塬电阻率成像法土壤水分场监测

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