（自然地理学专业论文）景观结构对不同土壤质地降水蓄渗影响的实验研究.pdf

摘要 土壤质地是土壤一个稳定的自然属性，它决定了土壤的物理特性，是影响土 壤水分运动的重要因素。不同质地的土壤由于各种矿物质颗粒的相对比例和粗 细状况的不同，水分的通透性差异很大，对降水入渗过程有很大的影响。随着城市 化进程的发展，城市建筑物的增多和建成区的扩大。城市下垫面的结构发生了深刻 地变化，尤其是城市地区不透水型下垫面面积的增加，严重阻碍了城市降水蓄渗， 使地表径流系数增大，汇流时间缩短，给城市排水造成了巨大压力；另外，在不同 土壤质地的条件下，对城市的水文特征亦产生了显著的影响。可见，研究景观结构 与降水蓄渗的关系，寻求不同土壤质地下，最佳的城市下垫面空间构型，促进城市 降水蓄渗，解决城市水资源短缺；调控城市暴雨径流，减少水灾害的发生，具有深 远的现实意义。 本文采用室内实验的方法，通过人工模拟城市下垫面的景观结构和土壤质地， 研究了不同土壤质地下景观结构与降水蓄渗的关系。保证降雨历时和降雨量不变的 情况下，在相同的实验样地内改变土壤质地、不透水斑块的重要值、形状、均匀度 和分离度，测定降水产流量，并计算降水蓄渗率实验结果说明：降水蓄渗率随着 不同土壤质地不透水斑块重要值、形状、均匀度、分离度的改变而相应发生变化 不透水斑块的重要值对降水蓄渗的贡献率最大。但随着土壤粒径的增大，影响降水 蓄渗的因素从景观结构转变为土壤质地。 关键词：景观结构土壤质地降水蓄渗 a b s t r a c t s o i lt e x t u r ei sas t c a d l yn a t u r et n 叩e n l yo fs o i l ，w h i c hd c t 黜血et h ep h y s c i c s c h a r a c t e r i s t i co fs o i la n di st h ei m p o r t a n tf a c t o ro ni m p a c to fs o i lm o i s t u r em o v e m e n l b e c a u s eo f t h em i n e r a li ns o i l 谢t l ld i f f e r e n tg r a mr e l a t i v ep r o p o r t i o na n dt h i c k n e s s t h e r e a r eg r e a td i v e r s i t yi nt h ea b i l i t yo fm o i s t u r ep a s st h r o u g ht h es o i l ，a l s oo nt h ei m p a c to f r a i n f a l li n f i l t r a t i o n p r o c e s s c i t yu n d e r l y i n gs u r f a c e i st h eb a s eo fe x i s t e n c ea n d d e v e l o p m e n to ft h eu r b a n , w h i c hi s t h es u m m a t i o no fu r b a nm u - f a c e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n , u r b a nb u i l d i n gb e c , o m em o f ea n dm o r e , u r b a nl a n d i n c r e a s e s ，a l lt h e s ec h a n g et h ef o r mo f u s i n gu r b a nl a n d a n dh y d r o l o g i c a lc h a r a c t e rw i t h d i f f e r e n ts o i lt e x t u r eh a sb e e ni n f l u e n c e d 姗a a r k a b l ea tl o c a 矗o i lw i t ht h eu r b a ns u r f a c e b e c o m eh a r d e r , o b s t r u c t i n gt h eu r b a nr a i n f a l li n f i l t r a t i o ns e r i o u s l y , a tt h es a m et i m e c o n f l u xt i m ed e c r e a s e s , 铷l r f a c er u n o f fi n c r e a s e , b r i n gah u g ep r e s s u r eo nt h eu r b a n d r a l l a g es y s t e m o b v o u s l y , u n d e r l y i n gd i f f e r e n ts o i lt e x t u r e ，i ti sf a r - r e a c h i n gm e a n i n g s t 0t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m yt h a tf i n dt h eb e s ts p a t i a ls t r u c t u r eo fc i t y u n d e r l y i n gs u f f a c 圮b ys t u d yt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po ft h es p a t i a ls t r u c t u r eo fc i t y u n d e r l y i n gs u l f a c ea n dr a i n f a l li n f i l t r a t i o nt oi n c r e a s er a i n f a l li n f i l t r a t i o na n dr e d u c et h e s t o r mw a t e rr u n o f f , s o l v et h ep r o b l e mo f u r b a nw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ei nc e r t a i nl e v e l i nt h i sp a p e r , u n d e r l y i n gd i f f e r e n ts o i lt e x t u r e ，t h ea u t h o ra d o p t sa r t i f i c i a lr a i n f a l l t e s tt oc o n d u c te x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po f t h es p a t i a ls t r u c t u r e o fc i t yu n d e r l y i n gs u r f a c ea n dr a i n f a l li n f i l t r a t i o n c h a n g et h ep o s i t i o na n dp r o p o r t i o no f i m p e r v i o u sp a t c hi nt h eu n i f o r me x p e r i m e n t a ls a m p l ef i e l du n d e rt h es a m eo f r a i n f a l la n d d u r a t i o no fr a i n f a l l m e a s u r et h es u r f a c er u n o f fy i e l da n dc o u n tt h em t eo fr a i n f a l l i n f i l t r a t i o na i t e rs i m u l a t i n gr a i n f a l l t h er e s u l t ss h o wt h a tc h a n g i n gt h ep r o p o r t i o n , s h a p e , e v c l l u e s sa n ds e p a r a t i o no fi m p e r v i o u sp a t c hc a u s e sd i f f e r e n tr a i n f a l li n f i l t r a t i o ny i e l d f a c t o r so fa f f e c t i n gr a i n f a l li n f i l t r a t i o no fc i t y u n d e r l y i n gs m 缸s p a t i a ls l n l c t 岛 p r o p o r t i o no fi m p e r v i o u sp a t c hh a v eg r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h er a t eo fr a i n f a l li n f i l t r a t i o n t h ee f f e c to fs h a p e ，e v c n a c s sa n ds e p a r a t i o no fi m p e r v i o u sp a t c ha r el e s st h a nt h e c o n t r i b u t i o no f t h ep r o p o r t i o no fi m p e r v i o u sp a t c h h o w e v e r , i ti s 锄tb en e g l e c t e dt h a t t h ef u n c t i o no fs h a p e , e v e d j l e s sa n ds e p a r a t i o no fi m p e r v i o u sp a t c ho nt y p i c 蚰c i t y u n d e r l y i n gs u r f a c e ，c o n t r o l l i n gt h er a i n f a l li n f i l t r a t i o nt h r o u g ha 由u s t i n gt h ec o m b i n e d c o r r e l a t i o no fs h a p e e v e 衄e s sa n ds e p a r a t i o no fi m p e r v i o u sp a t c hb e t t e rt h a nc h a n g i n g t h ep r o p o r t i o no f i m p e r v i o u sp a t c h s o i lt e x t u r e ：r a i n f a l li n f i l t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：峪日 期：迦2 ：立：2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：必指导教师签名：i i 盔盘， e t 期：坦五尘：主。e t期：垒21 ：2 ： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 1 、引言 1 1 选题依据及研究意义 城市下垫面是指城市赖以生存和发展的基础，即城市土地利用的总和。随着城 市化进程不断加快，尤其是城市地区不透水面积的增加，阻碍了雨水下渗，她表径 流系数增大，给城市捧水造成了巨大压力不同质地的土壤由于各种矿物质颗粒的 相对比例和粗细状况的不同，水分的通透性差异很大。对降水入渗过程有很大的 影响因此，土壤质地也是影响城市下垫面降水蓄渗的一个重要因素城市化过程 在推动人类文明高速发展，促进社会物质财富和精神财富迅速增长的同时，也给人 类带来了一系列追切需要解决的生态环境问题。并已经成为人类生存和社会经济可 持续发展进程中，面i 临的主要问题之一。 随着城市化的快速发展，城市人口的集中，城市建筑面积的扩大，使得城市的 下垫面基本全部被水泥，沥青覆盖，这导致城市中不透水面积增加，进而阻碍了雨 水的下渗，大量的雨水径流未经利用而直接排掉，造成了水资源的严重浪费；当降 雨量很大时，若在短时间内排出大量的雨水，这也增加了城市水灾；另外，由于城 市的透水面积小，雨水入渗少，特别是在不同土壤质地条件下，即使相同景观结构 的城市雨水入渗情况也存在差异，这将导致其对地表的热力特性有极大地影响，进 而使地表对空气的加热也与自然状况显著不同，加大了城市热岛效应的出现几率。 对于当前城市发展中面临的诸多生态问题，许多研究人员从不同角度开展了大量研 究工作。“卅所有研究结果都进一步证明：城市发展中许多生态环境问题与不合理的 城市景观生态格局有关。州1 因此，应用景观生态学原理和方法，对人类活动中心的 城市景观进行生态研究，为人类全面地认识和把握城市景观中各种生态学过程和机 制，尽快解决当代城市生态环境问题已成为当务之急。 近年来，随着研究手段、研究方法的提高，对土壤降水蓄渗的研究也越来越深 入，一些手段、方法的探讨己经趋于成熟。虽然前人已有相关的研究，但是景观结 构对不同土壤质地降水蓄渗的影响研究尚不成体系景观生态学主要任务就是研究 景观格局与景观功能之间的关系问题，但是以往景观生态学倾向于研究同一土壤质 地的景观格局、过程和功能之间的关系，而本文则通过室内模拟实验，研究景观结 构对不同土壤质地与降水蓄渗的影响的关系，作为城市雨水资源化、城市暴雨径流 调控的基础研究。 1 2 研究进展 1 2 1 景观结构研究进展 景观生态学是研究景观的空间结构与形态特征对生物活动与人类活动影响的 l 科学，是一门新兴的交叉学科，深深根植于生态学和地理学，具有多向性和综合性 特征( 曹宇，肖笃宁，2 0 0 1 ) 。 景观变化是景观内部各种矛盾与外部作用力相互作用的结果与表现，是景观从一 种状态到另一种状态的转变过程。从某种角度上来说，景观的任何一种状态都是景观 变化过程中的一个片段。景观的这种动态过程决定于景观的内部结构和作用于景观之 上的各种力，研究景观在特定的时空尺度上结构、功能与动态性特征的变化类型及演 变趋势。因此，通过对一个地区几个不同时段景观的结构与功能特征进行比较和分析， 结合区域的自然和社会环境背景就可以探究景观变化的动因和机制，从而为合理利用 景观，特别是城市景观，调整人类活动的强度和方式提供参考依据。 国际上景观结构变化研究综述 o d u m 和t u r n e r 对于g e r o g i a 州近5 0 年进行了景观动态变化研究蜘；v o s 对意 大利s o l a n o 盆地1 9 3 5 1 9 8 5 年土地利用状况进行对比研究“”以及f o x 对热带雨林 的时空格局变化进行量化分析，来说明各种自然、生物和社会经济因子对泰国高地 雨林的控制作用的研究等“”。 e d w a r d s 等( 1 9 9 6 ) 研究了放牧草地景观中植被的空间格局，研究结果表明， 牧草并非随机地分布，而是呈斑块状。在小尺度下，牧草( 白三叶) 斑块的平均大 小为1 1 m ，分割斑块的间隙( 无白三叶的区域) 平均为2 3 m 。随着尺度的增加， 小斑块聚集成更大的斑块，被更宽的( 4 1 m ) 的问隙所分割在放牧下，斑块格局 没有显著的变化。在删割中，斑块面积增加，分割间隙的面积则减小；同时生物量、 覆盖显著增加，表明异质性的利用方式对草地景观空间格局的维持与发展具有及其 重要的作用。 m a r r i o t t 等( 1 9 9 7 ) 在研究影响白三叶生长因素时发现，白三叶的扩散速度在 斑块边缘较大，而在斑块内部较小。斑块大小对不同牧草的生长和扩散均具有不同 程度的影响。在大斑块中，牧草的扩散速度较慢，而小斑块中的扩散速度较快。 f r a g o s o 等( 1 9 9 7 ) ，b r e s h e a r s ( 1 9 9 7 ) ，d a v i e s 等( 1 9 9 8 ) 的研究表明，自然 资源( 土壤水分、营养元素、植物种子) 的异质性分布依赖于研究尺度，导致了植 被类型在水平和垂直方向上的差异，并且对火灾、种子扩散、营养元素迁移等生态 过程具有显著影响。 f r e l i c h 等( 1 9 9 8 ) 利用马尔可夫模型研究了森林景观中的临近效应 ( n e i g h b o u r h o o de f f e c t ) 对斑块结构的影响。研究结果表明临近效应不可能引起 大范围的异质性，但在小范围，是森林景观格局及异质性形成的重要动力。9 0 年代 杰夫等人以美国俄州为例对大都市存在的空间扩展进行了分析，以充分证据表明， 城市化区域的集散主要沿交通干线进行，建成区扩展自市中心沿交通干线呈触角式 增长，将此称为城市廊道效应。廊道效应强度随廊道等级高低变化，廊道在很大程 度上决定城市景观结构与人口空问分布模式。 贝里于7 0 年代研究大气污染与城市形态之间的关系发现，在同心圆、带状、方 格状、环射状和星状等城市形态中，星状城市景观对消除大气污染的效果最好。8 0 2 年代以来，针对大都市的发展，许多学者提出依存理论、大都市交错带概念、扩散与 反波效应、廊道效应等。9 0 年代杰夫等人以美国俄州为例对大都市存在的空间扩展 进行了分析，以充分证据表明，城市化区域的集散主要沿交通干线进行，建成区扩展 自市中心沿交通干线呈触角式增长，将此称为城市廊道效应。廊道效应强度随廊道等 级高低变化，廊道在很大程度上决定城市景观结构与人口空间分布模式。 国内景观结构变化研究综述 近年来针对景观结构开展了大量的研究工作，也取得了很大的成绩。景观结构研 究，紧跟国家动态，在很多领域展开研究，主要研究领域包括：使用景观指标定量分 析景观结构特征和变化的理论、方法和应用研究、利用g i s 管理和分析空间数据计算 景观指标、利用遥感技术和地理信息系统进行景观结构格局的定量和定性分析等。 主要的研究课题包括“景观动态及其驱动因素和效应分析”( 岳天祥，1 9 9 7 ) ，。深 圳市土地利用变化机制分析”( 史培军，1 9 9 9 ) ，“喀斯特山区土地利用变化的人类驱 动力机常4 研究”( 蔡运龙，1 9 9 9 ) ，。人类活动对北京东灵山地区景观格局影响分析”( 傅 伯杰，1 9 9 9 ) ，“北京土地利用覆被变化机制研究”( 顾朝林，1 9 9 9 ) ，“环渤海地区土 地利用变化与土地可持续利用”( 傅伯杰，蔡运龙，李秀彬，2 0 0 0 ) 等。刘惠清、许嘉 巍等，在吉林省西部和西藏地区，利用卫星影像，在g i s 的支持下，对其生态系统健 康、生态系统安全性等进行了研究，并且在吉林省西部对景观变化进行了详细分类研 究，提出了针对生态环境退化的积极应对措施。 吕辉红、王文杰等，利用遥感影像作为信息库，使用马尔柯夫模型对晋陕蒙交界 区的景观要素转换进行了模拟，得出了该区景观变化显著，并且趋于破碎化的结论“”。 郭尔祥，叶贞清等人应用景观生态学原理对武钢厂区景观结构及绿地景观的空间 布局进行了调查分析结果表明，构成武钢厂区景观结构的主体是以建筑铺装斑块、工 业预留地斑块、公路和铁路廊道组成的人工景观要素，其面积占景观总面积的7 4 3 7 ， 斑块优势度达5 7 7 0 其中，建筑铺装斑块面积比率最高( 5 6 4 3 ) 、优势度最大( 3 5 5 9 ) 。专用绿地斑块破碎化指数高( 5 0 5 9 1 i n d h m 吨) 、分布范围广，道路廊道密度大 ( 1 3 7 7 7 2 l 锄l ( m - 2 ) 、且公路比铁路对景观的影响更大，既体现了工业区景观结构的基 本特征，也反映了武钢厂区趋于合理的景观格局。 傅伯杰( 1 9 9 5 ) 用地理信息系统、分维分析和统计分析相结合，以l ：l 万土地 利用现状图为基础，选取斑块大小、分维数、斑块伸长指数、多样性、优势度、相 对丰富度、破碎度等指标，研究了陕北米脂县泉家沟流域农业景观的空间格局。1 欧立业、马海州等( 2 0 0 3 ) 以柴达木盆地土地利用现状图为基本图件，在6 i s 支持下编制了柴达木盆地土地利用景观图。在此基础上选取多种景观指数，即选取 斑块大小、斑块数、聚集度、相似邻接百分比、景观优势度指数、面积加权的平均 斑块分形指数、散布与并列指数、香农多样性指数和香农均度指数等主要景观格局 指数，定量地分析柴达木盆地荒漠绿洲景观格局特征。“” 祁元，王一谋等( 2 0 0 2 ) 运用景观学理论，选取典型区域通过具体的景观特征指数 3 分析了西北农牧交错景观的景观结构和景观空间异质性结果表明，地形地貌和人类 作用是西北农牧交错区景观异质性的主导因素，地貌越破碎人类作用越强，景观也越 破碎，斑块不规则性越高，景观多样性越高“” 周志翔等( 2 0 0 1 ) 应用景观生态学原理对武钢厂区景观结构及绿地景观的空间布 局进行了调查分析。结果表明，构成武钢厂区景观结构的主体是以建筑铺装斑块，工 业预留地斑块、公路和铁路廊道组成的人工景观要素。在绿地景观中，道路绿带斑块 数目多、面积比率高、优势度最大，环境效益高，观赏绿地斑块植物种类丰富、景观效 果好。“” 李团胜，肖笃宁( 2 0 0 2 ) 应用g i s 技术，对沈阳市城市景观结构进行了分析，结 果显示，景观多样性指数2 8 4 7 ，优势度指数1 0 5 9 ，聚集度指数0 8 0 3 ，均匀度指数 5 8 2 ，斑块密度3 7 个k m ，道路密度5 5 2k m k m ，水系密度0 1 9 8 k m k m z 结论是， 目前常用的景观指数适合于城市景观。沈阳市城市景观结构不合理，工业用地过多， 市政设施用地和商业服务用地严重不足。在空问布局上，工业用地占据区位条件好的 市中心地带，所以，用地结构必须调整。“” 周廷刚、郭达志( 2 0 0 3 ) 分析了城市绿地景观生态系统的空问结构元素及其特征， 运用景观生态学原理，在g i s 支持下对宁波市城市绿地景观斑块的等级与分布、空间 结构的度量进行了研究和分析，并对该市的城市绿地景观按行政单元进行了综合评 价。结果表明，宁波市绿地景观总体表现为类型分布不均，各种类型相差较大，破碎 度较小，多样性程度不高。n ” 1 2 2 土壤蓄渗国内外研究进展 土壤质地是土壤的一个稳定的自然属性，它决定了土壤的物理特性，是影响土 壤水分运移的重要因素。不同质地土壤由于各种矿物质颗粒的相对比例和粗细状况的 不同，水分的通透性差异很大，对降水入渗过程有很大的影响“”。 入渗是指水分进入土壤的过程，是田间水循环过程中降雨向土壤水分转化的重 要环节。通常非饱和土壤水分运动可以用d a r c y 定理和r i c h a r d 方程进行描述，但 由于其模型表述的形式复杂，而且需要土壤水分运动参数，其求解若非采用解析法 或数值法则难以获得，因而不便应用。为寻求描述土壤入渗特征的简单途径，国内 外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型来描述入渗规律。 目前经常被许多学者采用的入渗模型有g r e e n - a m p 堠型、p h i l i p 入渗模型、 h o l t o n 概念性模型、以及k o s t i a k o v 入渗公式和通用入渗公式等。其中k o s t i a k o v 公式、 h o r t o n 公式以及通用入渗公式等均为经验公式，没有明确的物理意义。而g r e e n a m p t 模型形式上简单，具有明确的物理意义，结果较精确，而且便于建立其特征参数与土 壤物理特征间的关系，因此近年来该模型在国内外得到了大量引用。 近二十多年国外在减轻城市洪涝灾害方面发展很快，建造了各种薪型的抑制降 雨径流的设施。总体上可分为硬措施和软措施两大类，其中为减轻城市洪涝灾害而 采取的新型设施主要为流域雨水贮留设施、流域雨水渗透设施两大类” 4 欧、美、日等发达国家在减轻城市洪涝灾害方面发展很快，制定了各种新型的 抑制城市暴雨径流的设旆。西欧经济发达国家从2 0 世纪2 0 年代开始改换1 9 世纪 建造的下水道。美国自从2 0 世纪五六十年代就开始建造雨水贮留设施以应付城市 化增大的降雨径流，2 0 世纪七十年代进一步发展为建造特大型地下雨水贮留池。日 本七十年代以来连续遭受几次大水害，自1 9 7 7 年6 月开始实行“城市综合治水对 策”，开始从防灾，保护水环境，水资源几个方面全面安捧治水措施。“城市综合治 水对策”总体上可分为硬措施和软措旅两大类，其中为减轻城市洪涝灾害而采取的 新型设施主要为流域雨水贮留设旌，其次是流域雨水渗透设施。流域贮留设施包括 在城区外建造的较大规模的贮留工程和城区内利用现有建筑物和公园、广场、运动 场、停车场及楼房间的空地建造的较小规模的贮留设施。较大规模的贮留设施有游 水池、治水绿地，调节池，地下贮留和大型地下河工程。在建造流域雨水贮留设施 的同时，为保护水资源，防止地面沉降又发展出许多渗透雨水设施，如渗透井、渗 透桩、渗透池、渗透厢、渗透u 字沟和透水性铺装等。5 ” 解文艳，樊贵盛基于不同土壤质地条件下的大田土壤积水入渗试验资料，以土 壤粒径小于0 0 0 2 m 的黏粒质量百分数为反映土壤质地的物理量，分析讨论了土壤 质地对大田土壤水分入渗k o s t i a k o v 2 l e w i s 三参数模型参数的影响。 李树平，黄廷林提出为减轻城市径流流量提高和水质污染所带来的不良后果，需要 采取必要的收集、处理和雨水再利用措施，这些措旆包括就地径流控制措施( 如多孔 沥青、绿化等) 和现场外径流措施( 如渗水池、雨水调节池和湿地等) ” 张思聪。惠士博进行模拟计算，分析了绿地对减小径流系数和削减暴雨径流峰 值的作用，对暴雨径流水质用于绿地入渗的可行性进行了讨论。 为了实现对暴雨雨水的管理，必须对雨水径流过程有更深入的认识、准确的预 测和模拟。这方面的进展集中体现在当今众多的、可在计算机上运行的城市污水、 暴雨雨水模型、程序和计算方法。当前西方最著名的成果有；英国环境部及全国 水资源委员会的沃林福特程序( w a l l i n g f o r dp r o c e d u r e ) ，其最新版本称为沃若斯 ( w a l l r u s ，1 9 8 9 ) ；嘲美国陆军工程师兵团水文学中心的“暴雨”模型( s t o r 抑； 美国环保局的雨水管理模型( s 删) 等。这些程序及模型的功能虽然各有差别。但 都能部分或全部地实现以下各项模拟：雨洪径流及其挟带的污染物质从地面，经过 排水管网、贮蓄和处理设施，最终到达受纳水体的整个运动、变化的复杂过程；可 作单一事件或长期连续时期的模拟。除此以外，西方各国还有许多此类模型，以满 足各种不同应用水平和要求。 1 2 3 景观结构与城市降水蓄存相结合研究进展 目前，国内外将景观结构与降水蓄存相结合的研究很少见，已见报道的只有岑国 平，沈晋等人采用室内模拟降雨试验，对各种城市地面，如土地面、草地、混凝土地面 及其多种组合的产流特性作了系统试验，分析了降雨强度与历时、土壤湿度与密实度、 地面覆盖、不透水面积比例等因素对径流系数和产流过程的影响。但是景观结构对不 同土壤质地降水蓄渗的影响研究甚少见到报道。 一般地由于野外实验的可重复性差，进行控制试验时一般集中在水量的测验， 对过程的控制的实验只能够在室内进行。室内实验可以不受自然因素的影响。到目前 为止，在产流上有较多的室内研究：在汇流研究方面”1 ，早期进行的一些降雨径流 实验已取得了一些成果陟”。由于当时缺乏先进的数据采集和数据处理手段，无法进 行系统的降雨径流驱动因子的研究与实验。对于降雨因子和下垫面因子对径流过程的 驱动作用与影响，未能说明其内在原因与机制，因而也缺乏系统的有说服力的结论 然而，在实验室内对降雨径流过程的模拟，揭示降雨雨型以及下垫面对径流的驱动 过程，不仅有重要的理论意义，为今后的径流过程的研究提供科学依据，而且对于 流域的洪水预报，也有重要的参考价值。 本文通过室内模拟实验，研究景观结构对不同土壤质地与降水蓄渗的影响的关 系，。希望研究成果对于土壤水分运动的理论和实践具有一定的指导意义，对于目 前正在完善和投入大量研究的坡面土壤水分养分动力学也有一定的贡献。 6 2 、景观结构对降水蓄渗影响实验 2 1 实验目的 1 在粘土质地条件下，确定景观指数变化对降水蓄渗的影响。 2 在壤土质地条件下，确定景观指数变化对降水蓄渗的影响。 3 在砂土质地条件下，确定景观指数变化对降水蓄渗的影响。 4 在不同土壤质地条件下，景观结构对降水蓄渗的影响程度的关系。 2 2 实验测试指标 2 2 1 景观指数的选择 斑块重要值分析 在影响降水蓄渗的诸多因素中，不透水斑块重要值起着很重要的作用。特别是 在城市中。不同城市景观中，相同景观类型面积比例不同；同一城市的不同区域， 同类景观斑块面积比例不同：同一城市景观中，不同景观类型的面积比例不同。所 以，文中不透水斑块的重要值就是指不透水斑块的面积比例。为了研究不透水斑块 重要值对降水蓄渗的影响，分别选取不透水斑块重要值有0 、1 3 、1 2 、2 3 和1 ， 五种，共4 5 次实验。 斑块形状分析 斑块形状是描述景观的一个重要的因子，斑块的几何形状是景观空间结构度量 中一个很重要的特征。在绝对面积相同的条件下，斑块的空间展布形态不同，其产 生的作用效果就有所不同。目前有几个不同的刻画斑块形状的办法，但并不存在一 致的公认的方法。本文采用斑块周长与等面积圆周的比值来表示： s ：二 2 ，叭 式中：p _ 斑块周长 斑块面积 它代表斑块形状与圆形相差的程度。该指数的最小值为1 ，其值越接近l ，表示 斑块形状与圆形越相近；其值越大，则斑块形状与圆形相差越大，形状越不规则。 是一个值得推荐的形状指数。在本文中，为了研究不透水斑块形状对降水蓄渗的 影响，保持不透水斑块重要值为1 2 ( 即不透水斑块面积0 1 2 5 c m 2 ) ，选取不透水斑 块形状有圆形、方形( 长宽比分别为1 ：1 、2 ：l 、3 ：1 、4 ：1 ) ，五种，4 5 次实验。 斑块均匀度分析 斑块的面积固然重要，但在很多情况下，分布比其总量更重要。如在同样的面 积下，不透水斑块偏隅于区内一角与呈均匀分布所起的景观和生态效应有很大的差 7 别。均匀度指数表征景观中不同景观类型分配的均匀程度。r o m m e 的相对均匀度计 算公式为：e = ( h f l u ) 1 0 册 式中，e 是均匀度指数( 百分数) ，h 是修正了的s i m p s o n 指数， l 啮x 是在给定丰 富度t 条件下景观最大可能均匀度。h 和l - h n a x 计算公式为： _ 胃一一l o “芝：( ，、) 。 一l h i o g ( m ) 式中，l o g 是以2 为底的对数；p k 为k 斑块的面积与该景观类型的面积之比，m 为 该类型的斑块数量。在本文中，为了研究不透水斑块均匀度对降水蓄渗的影响，保 持不透水斑块重要值为1 2 ( 即不透水斑块面积0 1 2 5 c f f ) ，不透水斑块均匀度指数 分别取：1 、0 8 0 2 1 、0 5 0 5 9 、0 2 0 5 5 、0 ，共五种，4 5 次实验； 斑块分离度分析 在城市景观中，同类型的斑块在各个区的分离度不同，不同类型的斑块在同一 个区内分离度也存在差异。城市景观斑块分离度，可以反应城市景观镶嵌体中同一 景观类型的不同斑块个体的分布情况，其计算公式为： 土压 k = 警 a 式中，i 。为第k 种景观类型的分离度，n k 为第k 类景观类型的斑块数，a 为景观总 面积，a 。为第k 种景观类型的面积。对于一种景观类型而言，其分离度表示该景观类 型被其它景观类型切断和分离的程度。也就是说，如果某种景观类型的分离度越大， 就表示该种景观类型的斑块分布越分散。在本文中，为了研究不透水斑块分离度对 降水蓄渗的影响，保持不透水斑块重要值为 2 ( 即不透水斑块面积0 1 2 5 c m = ) ，不 透水斑块的分离度指数分别取1 、2 、3 、4 、，四种，3 6 次实验。 2 2 2 土壤质地的选取 为了寻求景观结构对不同土壤质地降水蓄渗的影响，且具有一定代表意义，根 据国际制土壤质地分类标准，并参阅美国制土壤质地分类标准和我国土壤质地分类 标准，人工调制出三种质地土壤：粘质、壤质、砂质。( 表2 - 1 ) 土壤含水量均在 8 左右。 表2 - l 不同土壤质地条件下的土壤物理参数 各级土粒重量( ) 质地名称 粘粒粉砂粒 砂粒 0 0 0 2 m0 0 2 o 0 0 2 m m 0 0 2 2 m 砂质( 砂土) 5 l o 8 5 壤质( 粉砂质粘壤土) 2 0 5 5 2 5 粘质( 粘土) 6 佻 2 5 1 5 8 2 3 实验设备 室内人工模拟实验装置( 图2 1 ) 主要采用长5 0 c m 、宽5 0 c m ，高l o c m 的铁槽， 并在槽内铺设厚度为l o c m 的土样，在槽正上方用铁架支撑平行排列水管，管上扎 有细孔，使降雨投影面积与实验样地面积大小相等，并调整喷头高度为3 0 c m ，使降 雨分布基本均匀，其雨滴直径、下落速度等与天然降雨较为接近每次试验结束后 对铁槽进行烘干处理。铁槽的底部一侧有出水口便于收集产流，不透水斑块采用地 膜代替。 图2 1 实验装置 2 4 实验设计 在室内实验过程中，降雨用水经沉淀装入量桶测定体积后，注入容器中。产流 9 量采用体积法观测。实验场地选择在东北师范大学城市与环境科学学院实验室，通 过改变不透水斑块的大小、形状、位置及空问组合关系进行实验。实验时间是2 0 0 6 年7 月。实验场地内有水源，实验场地坡度0 9 。所有实验在同一实验场地完成， 保证各种自然条件相同，每次降雨总量控制在i o l ，降雨历时为3 0 m i n ，雨后计算雨 强，测量产流量。保证各组实验前土壤含水量一致( 8 ) ，尽量减小误差。 影响降水蓄渗的因素很多，本文主要研究景观结构中不透水斑块重要值、形状、 均匀度及分离度对降水蓄渗的影响。每个影响因素中的一种情况做3 个平行实验， 取平均值，之后换土，重复实验。每次实验前测定样地的土壤含水量，保证土壤含 水量基本相同在每次实验中，降雨总量和降雨历时不变以确定景观结构中四个 景观指数对降水蓄渗的影响。并通过重复实验方法检验模拟降雨实验的稳定性。最 终得出景观结构与降水蓄渗的关系。实验技术流程见图2 2 ； i 不同土壤质地景观结构分析 i ! u ll 模拟实验( 粘、壤、砂) 上l上上 不透 不透 不透 不透 水斑水斑水斑水斑 块重块形块离块均 要值状影散度匀度 影响响影响影响 、v j模拟实验结果 = 刊稳定性分析i i 分戢j 趔一哆 ；i 景观结构对不同土壤质地降水蓄渗的影响 图2 2 实验技术流程图 3 、实验结果与精度分析 3 1 实验结果 3 1 1 不透水斑块重要值对降水蓄渗的影响 为了分析不透水斑块重要值对降水蓄渗的影响，在保证其它条件一致的情况 下，选取不透水斑块重要值分别为0 、1 3 、1 2 、2 3 、1 每次降雨后测定产流量， 计算降水蓄渗率。实验结果显示( 表3 - 1 ) ：不透水斑块重要值为1 时，产流量最多， 蓄渗率最低；不透水斑块重要值为0 时，产流量最少，蓄渗率最大 根据实验数据，可得出三种质地土壤的降水蓄渗率与不透水斑块重要值变化曲 线图( 图3 i ) 。三种质地土壤的降水产流量和蓄渗率随不透水斑块重要值的变化而 相应的上升和下降，呈负相关，且随着土壤质地的变化，粒径越大，降水蓄渗率下 降的越慢，蓄渗率的变化率也越小，不透水斑块重要值的影响程度越低即：随着 土壤粒径的增大，影响降水蓄渗的主要因素从景观结构转变为土壤质地。 表3 _ l 不透水斑块重要值对降水产流量和蓄渗率的影响 土 壤 不透水斑块 平均蓄 组号 降雨量( m 1 )降雨历时( m i n )产流量( m 1 )蓄渗率( ：渗率 质重要值 ( ) 地 粘 l 1 0 0 0 03 01 0 5 98 9 4 1 质2o1 0 0 0 03 0 1 0 7 38 9 2 7 8 9 3 2 31 0 0 0 03 01 0 7 28 9 2 8 41 0 0 0 03 03 2 鹋6 7 3 4 5 i 3 l 0 0 0 03 0 3 2 7 06 7 3 帆6 7 3 5 6l o 0 0 0 3 03 2 6 06 7 4 0 7i 0 0 0 0 3 04 5 1 85 4 8 2 81 21 0 0 0 03 04 5 3 2 5 4 6 器 5 4 缁 91 0 0 0 03 04 5 4 05 4 6 0 l o l o o o o3 05 9 7 34 0 2 7 1 1 2 31 0 0 0 03 05 9 6 54 0 3 5 4 0 3 5 1 2 1 0 0 0 03 05 9 5 74 0 4 3 1 31 0 0 0 0 3 09 2 9 87 0 2 1 4l1 0 0 0 0 3 0 9 1 0 l 8 9 9 8 5 矾 1 5 1 0 0 0 03 0 9 1 5 9 8 4 1 1 61 0 0 0 03 03 3 8 76 6 1 3 1 7 o 1 0 0 0 03 03 3 9 26 6 0 9 6 6 0 3 1 81 0 0 0 03 0 3 4 1 3 6 5 8 7 1 91 0 0 0 03 05 2 4 44 7 5 6 2 01 31 0 0 0 03 05 2 2 44 7 7 6 薯4 7 6 8 2 11 0 0 0 03 05 2 2 84 7 7 2 2 21 0 0 0 0 3 0 5 8 5 6 4 1 4 4 壤 2 31 2 1 0 0 0 03 05 8 5 24 1 4 8 4 1 5 质 2 41 0 0 0 03 05 8 4 24 1 5 8 2 51 0 0 0 03 06 9 2 93 0 7 1 2 6 2 3 1 0 0 0 03 0 6 9 1 63 0 8 4 3 0 7 9 2 71 0 0 0 03 06 9 2 43 0 7 6 2 81 0 0 0 03 09 4 0 06 0 0 2 9 1 1 0 0 0 03 09 4 4 85 5 2 6 5 2 3 0 1 0 0 0 0 3 09 2 9 67 0 4 5 3 11 0 0 0 03 06 9 9 73 0 0 溉 3 201 0 0 0 03 06 8 8 53 1 1 5 3 0 0 秭 3 31 0 0 0 03 06 9 9 73 0 0 3 3 41 0 0 0 0 3 07 5 够2 4 o 纬 3 51 31 0 0 0 03 07 6 9 82 3 0 2 2 3 3 2 3 61 0 0 0 03 07 7 0 82 2 9 2 3 71 0 0 0 03 08 1 6 01 8 4 砂 3 81 21 0 0 0 03 08 2 0 01 8 o 1 8 4 质 3 9l o 0 0 03 0 8 1 2 0 1 8 8 4 01 0 0 0 03 08 6 8 81 3 1 2 4 12 3 1 0 0 0 03 0 8 6 8 9 1 3 1 1 1 3 0 懿 4 2 1 0 0 0 03 0 8 6 9 9 1 3 0 1 4 31 0 0 0 03 0 9 7 9 4 2 0 6 4 411 0 0 0 03 09 7 9 12 o 辨2 4 51 0 0 0 0 3 0 9 7 9 72 0 3 3 1 2 不透水斑块形状对降水蓄渗的影响 为了分析不透水斑块形状对降水蓄渗的影响，保证其它条件一致的情况下，选 取不透水斑块重要值为1 2 ，改变不透水斑块形状，在同一实验场地分别进行实验。 实验结果显示( 表3 - 2 ) ：不透水斑块为圆形，形状指数为1 时，产流量最大，蓄渗 率最低。不透水斑块为方形时，形状指数大于圆形，产流量随之减少，蓄渗率相应 升高。不透水斑块为方形，长宽比不断增大，形状指数随之增大，产流量随之减少， 蓄渗率随之升高。 根据实验数据，可得出三种质地土壤的降水蓄渗率与不透水斑块形状变化曲线 图( 图3 2 ) 。从图中可以看出，不透水斑块形状指数为1 时，降水蓄渗率最低；随 着不透水斑块形状指数的增大，降水蓄渗率随之增大，