坡面土壤水分动态变化及降雨径流响应机理试验研究

The rainfall-runoff processes and characteristics are crucial aspects of hydrological processes, and soil moisture, as one of the most important hydrological variables, which has critical influence on several hydrological processes, such as runoff generation, floods, erosion of hillslopes, solute transport, water and natural resources management, and exerts crucial control on runoff generation at hillslope and catchment scale. Therefore, it is necessary to carry out study on the rainfall-runoff generation, investigation of soil moisture dynamics and its response to runoff. In this project, a large number of rainfall simulation experiments on the runoff and soil moisture dynamics will be conducted by tracer applied and soil moisture real-time monitoring to investigate the rain-runoff processes and spatial-temporal variation of soil moisture at hillslope scales. A direct and feasible method on the estimation of soil water transit time using soil moisture measurements is proposed. Furthermore, the runoff generation (surface flow and interflow) in relation to soil moisture patterns under dry and wet initial soil moisture conditions will be discussed respectively to study the response mechanism of soil moisture dynamics to rainfall-runoff. In addition, a model of stochastic soil moisture dynamics with the interactions of climate, soil and vegetation is used to obtain the probability density functions in semiarid areas of North China. The study can provide a new idea for the runoff generation, hydrograph separation, flood forecasting and other hydrological fundament research, rich the rainfall runoff mechanism under changing environment, and provide the basis of theoretical research and practical management.

坡面降雨径流形成过程是水文学研究的主要内容，而土壤水作为水文循环的重要组成部分，对径流形成、洪水、坡面侵蚀、溶质运移、水资源及其它自然资源的管理等有重要的影响，是流域产流的关键因素。分析坡面降雨径流形成及演进过程，探索土壤水分变化与径流响应机理是山坡和流域水文学研究的基础。本项目拟通过人工模拟降雨试验，采用人工示踪法和土壤水分实时监测系统，对坡面降雨径流过程及土壤水分运移规律进行分析，探索坡面土壤水分运移时间分布，提出基于实测土壤水分数据的土壤水分运移时间估算方法；分析对比不同初始含水率条件下土壤水分变化与径流（地表径流、壤中流）的响应关系，研究土壤水分变化与径流的响应机理；构建大气-土壤-植被综合作用的土壤水分动态随机模型，提出华北半干旱区域土壤湿度概率密度函数，为山坡或流域尺度的径流形成过程及水源划分、洪水预报等水文基础研究提供新思路，丰富变化环境下降雨产流演变机理研究。

坡面降雨径流形成过程是水文学研究的主要内容，而土壤水作为水文循环的重要组成部分，对径流形成、洪水、坡面侵蚀、溶质运移、水资源及其它自然资源的管理等有重要的影响，是流域产流的关键因素。分析坡面降雨径流形成及演进过程，探索土壤水分变化与径流响应机理是山坡和流域水文学研究的基础。本项目通过野外试验，采用高频率土壤水分实时监测系统，分析对坡面降雨径流过程的主要变化规律和影响因素及土壤水分动态变化过程，探索坡面土壤水分运移时间分布，构建一种简便可行的基于实测土壤水分数据的土壤水分运移时间估算方法；分析对比不同初始含水率条件下土壤水分变化与径流（地表径流、壤中流）的响应关系，研究土壤水分变化与径流的响应机理；尝试构建大气-土壤-植被综合作用的土壤水分动态随机模型，提出华北半干旱区域土壤湿度概率密度函数。研究发现地表径流与土壤水分之间的关系、响应时间等受雨强的影响比较大，壤中流与土壤含水率也存在与地表径流类似的非线性关系，并存在明显的土壤水分阈值，当土壤含水率超过这个阈值后，壤中流径流量急剧上升。土壤水分对地表径流、壤中流的非线性产流过程影响明显，且土壤水分阈值因植被类型、坡度等有所变化。作为土壤水分动态模型基础的土壤湿度概率密度函数能够反映出植被、土壤、大气之间的相互关系，应该后续研究中进一步深入分析探讨，为山坡或流域尺度的径流形成过程及水源划分、洪水预报等水文基础研究提供新思路，丰富变化环境下降雨产流演变机理研究。