“风驱雨”条件下坡面水土养分迁移动力过程的解析与模拟

Wind-driven rain is the main form of rainfall in nature. Wind-driven rainfall processes may change the traditional movement of water, soil and nutrients on slope and have a great impact on the supply of slope erosion substance and hydrological processes. This project focuses on the influence of the wind vector on the rainfall dynamic process and the quantitative analysis of simultaneous movement of soil, water and nutrients on slope, builds a “wind-driven rain” erosion dynamic model by means of experimental research, theoretical analysis and model simulation through quantitative research on the influence of wind vector on single raindrop and field rainfall under different wind speeds and rainfall intensities, analyzes the simultaneous movement of rainfall infiltration, runoff, sediment and soil nitrogen and phosphorus and the dynamic response process of water and soil dynamic parameters by combining with topographic characteristics and soil nutrients, reveals the quantitative relationship between slope dynamic index and runoff, sediment and N and P loss under different rainfall intensities and slope characteristics, proposes the kinetic parameters reflecting the process of N and P loss in soil, builds a hydrodynamic module and a nutrient migration module based on the slope erosion dynamic process, and embeds these models in the physical process model based on single rainfall event, and establishes a dynamic model describing the process of soil N and P loss on slope under the “wind-driven rain” condition. The related research is of great significance for enriching the theory of soil nutrients movement on slope.

“风驱雨”是自然界降雨存在的主要形式，风力驱动的降雨过程会改变传统坡面水、土、养分迁移过程，对坡面侵蚀物质的供给和水文过程都有巨大的影响。本项目围绕风矢量对降雨动力过程的影响及坡面水土养分同步迁移的定量化问题，采用试验研究、理论分析和模型模拟等手段，通过不同风速和降雨强度下，风矢量对单个雨滴和场次降雨影响的定量化研究，构建“风驱雨”侵蚀动力模型，并结合地形特征、土壤养分等对降雨入渗、坡面径流、泥沙和土壤氮磷的同步迁移与水、土动力学参数的动态响应过程的分析，揭示不同降雨强度和坡面特征条件下坡面动力学指标与径流、泥沙、氮磷流失的定量关系，提出综合反映土壤氮磷流失过程的动力学参数，构建基于坡面侵蚀动力过程的水动力模块和养分迁移模块，并将这些模块嵌入基于单次降水事件的物理过程模型中，建立描述“风驱雨”条件下坡面土壤氮磷流失过程的动力模型，相关研究对于丰富坡面土壤养分迁移理论具有重要意义。

“风驱雨”是自然界降雨存在的主要形式，风力驱动的降雨过程会改变传统坡面水、土、养分迁移过程，对于坡面侵蚀物质的供给和水文过程都有巨大的影响。本项目围绕风矢量对降雨动力过程的影响及坡面水土养分同步迁移的定量化问题，采用试验研究、理论分析和模型模拟等手段，开展了“（1）“风驱雨”降雨特性及其侵蚀动力研究；（2）坡面动力学参数的时空动态变化及土壤氮磷的同步迁移特征；（3）“风驱雨”条件下坡面土壤氮磷流失动力过程的解析与模拟”这三个内容的研究，结果表明：雨强一定时，风向对坡面产流产沙及氮素流失均有显著性影响，坡面的径流、泥沙及泥沙中氮素的流失率均呈顺风＞侧风＞无风＞迎风的趋势，而径流中氮素的流失则呈迎风＞侧风＞无风＞顺风的趋势。雨强变化时，随着雨强增加，风向对坡面径流、泥沙及氮素流失量增率的影响逐渐减小，趋于无风。风驱雨合力的方向与坡面流向夹角的不同是风向造成坡面水流动力特征差异和水土养分流失不同的根本原因。风速和雨强对迎风坡产流时间、稳定入渗、径流和土壤剥蚀有稳定贡献，雨强是最主要的影响因素，风速次之。当雨强一定时，随着风速增加，迎风坡产流时间增加，稳定入渗率和径流中氮素流失率亦呈线性趋势增加，与坡面流径流深和剪切力变化趋势一致；与此同时，平均径流率、土壤剥蚀率及泥沙中氮素流失率均呈线性趋势减小，与坡面流的平均流速、水流功率、单位水流功率和过水断面单位能量变化趋势一致。KINEROS2能较为准确的反映坡面尺度的径流侵蚀过程及总径流侵蚀量，嵌入养分迁移模型和结合风雨作用下水土氮素的同步迁移关系的KINERSO2能准确的模拟次降雨条件下和风驱雨条件下坡面总氮流失的过程及总量。“风驱雨”条件下坡面水土养分迁移动力过程的研究，其研究结果可提高坡面土壤养分预测预报的精度，为制定坡面综合防控措施提供依据，同时其研究也对丰富坡面土壤养分迁移理论具有重要意义。