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第1章 优先流及其研究现状1

1.1 优先流现象认识及研究史2

1.1.1 土壤中优先流研究史2

1.1.2 其他多孔介质中大孔隙流研究4

1.2 优先流基本内涵4

1.2.1 优先流定义4

1.2.2 优先流分类5

1.2.3 优先流产生条件9

1.3 优先流研究进展10

1.3.1 国外优先流研究进展11

1.3.2 国内优先流研究进展13

1.4 优先流研究理论13

1.4.1 能量理论14

1.4.2 混沌及分形理论14

1.4.3 渗透理论16

1.4.4 非稳定湿润锋理论16

1.5 土管研究方法17

1.5.1 水的吸附与解吸附、N的吸附和Hg注入法17

1.5.2 土柱浸泡法17

1.5.3 田间土壤开挖法17

1.5.4 染色法18

1.5.5 土壤水分穿透曲线法18

1.5.6 张力渗透仪法18

1.5.7 CT扫描法19

1.5.8 地透雷达法19

1.5.9 磁共振影像19

1.5.10 扫描显微法20

1.6 优先流实验20

1.6.1 优先流室内实验20

1.6.2 优先流田间实验20

1.7 优先流研究展望21

1.7.1 引入新的野外观测技术21

1.7.2 建立适用模型21

1.7.3 分析优先流水文特性22

1.7.4 拓展研究领域22

第2章 优先流产生环境23

2.1 植物根孔与优先流23

2.1.1 植物根孔23

2.1.2 根孔与优先流24

2.2 土壤物理性状与优先流25

2.2.1 土壤质地25

2.2.2 土壤结构30

2.2.3 土壤孔隙32

2.3 土壤水分与优先流33

2.3.1 土壤水分形态34

2.3.2 土壤水分数量36

2.3.3 土壤水分能态39

2.3.4 土壤水分特征空间变异性49

2.3.5 土壤水分与优先流49

2.4 气候与优先流50

2.5 人类活动与优先流50

第3章 土壤水分及优先流运动波方程52

3.1 土壤水分运动达西定律53

3.1.1 饱和土壤水分运动达西定律53

3.1.2 非饱和土壤水分运动达西定律55

3.2 非饱和土壤水分运动基本方程56

3.2.1 质量守衡原理与基本方程56

3.2.2 基本方程形式58

3.2.3 柱坐标及球坐标系中土壤水分运动的基本方程63

3.2.4 非饱和土壤水分运动的Richards方程68

3.3 无植物根系时非饱和土壤水分运动波方程69

3.3.1 主方程69

3.3.2 初始条件和边界条件70

3.3.3 K-θ关系70

3.4 q（θ）＝K（θ）时的运动波方程71

3.4.1 区域D1内的解73

3.4.2 湿润锋确定76

3.4.3 湿润锋确定的其他办法78

3.4.4 前进速度确定78

3.4.5 区域D2内的解80

3.4.6 区域D2的自由边界81

3.5 复杂条件下非饱和土壤水分运动波方程84

3.5.1 复杂湿润地表情况下运动波方程84

3.5.2 有植物根系时的运动波方程87

3.6 优先流运动波方程97

3.6.1 主方程98

3.6.2 恒定损失函数98

3.6.3 损失变量函数100

第4章 研究区概况及研究方法103

4.1 长江三峡库区概况104

4.1.1 地质地形104

4.1.2 气候105

4.1.3 土壤106

4.1.4 植被107

4.1.5 水文110

4.1.6 库区花岗岩分布111

4.2 试验区概况111

4.2.1 地理位置111

4.2.2 地形状况111

4.2.3 土壤概况113

4.2.4 气候特征113

4.2.5 植被条件113

4.2.6 观测点概况113

4.3 研究内容与方法114

4.3.1 优先流观测116

4.3.2 流域地表径流观测116

4.3.3 坡面地表径流观测117

4.3.4 降雨观测117

4.3.5 土壤物理特性测定117

第5章 优先流路径及其分析121

5.1 研究区土壤物理特性及其对优先流路径的影响122

5.1.1 土壤颗粒特性122

5.1.2 土壤孔隙特性127

5.2 土壤水理特性及其对优先流路径影响128

5.2.1 土壤水分渗透特性128

5.2.2 土壤水分特征曲线146

5.3 优先流路径类型及其分布147

5.3.1 优先流路径分布147

5.3.2 优先流路径分布检验149

5.3.3 优先流路径种类151

5.4 优先流路径对土壤水分再分配的影响152

5.4.1 再分配过程152

5.4.2 再分配过程中的滞后现象156

5.4.3 优先流路径特性与土壤水分再分配的关系157

5.4.4 优先流与土壤水分间相互作用158

第6章 优先流运动特性160

6.1 优先流特征161

6.1.1 水力学特性161

6.1.2 产流总体特性170

6.1.3 空间分布特征176

6.2 优先流在壤中流中的作用176

6.2.1 优先流与渗流分析176

6.2.2 优先流对壤中流锋值的影响179

6.2.3 优先流对壤中流的贡献180

6.3 优先流对坡面地表径流的影响181

6.3.1 优先流对坡面地表径流量的影响181

6.3.2 优先流对坡面地表径流过程的影响184

6.4 优先流对流域地表径流的影响186

6.4.1 优先流对产流机制的影响186

6.4.2 优先流对流域地表径流总量的影响192

6.4.3 优先流对流域地表径流历时的影响195

6.4.4 优先流对流域地表径流洪锋的影响197

6.4.5 优先流与流域地表径流的关系198

第7章 降雨与优先流的关系200

7.1 研究区降雨特性201

7.1.1 年降雨统计特性201

7.1.2 长历时暴雨统计特性203

7.1.3 短历时暴雨统计特性205

7.2 暴雨时空分布206

7.2.1 资料来源及分析方法206

7.2.2 暴雨时空分布206

7.2.3 三峡库区暴雨基本特征206

7.3 降雨过程特征206

7.3.1 试验流域降雨分布206

7.3.2 降雨年际变化207

7.3.3 降雨过程特征207

7.4 降雨对优先流的影响209

7.4.1 降雨量对优先流的影响209

7.4.2 降雨强度对优先流的影响210

7.4.3 降雨过程对优先流的影响214

7.5 降雨对优先流过程综合分析218

7.5.1 降雨因子对优先流作用219

7.5.2 降雨因子主成分分析220

第8章 优先流模拟模型223

8.1 区域型模型224

8.1.1 单域模型224

8.1.2 两域模型224

8.1.3 多域模型227

8.1.4 混合层模型227

8.1.5 多尺度平均模型227

8.2 阶段型模型228

8.2.1 两阶段模型228

8.2.2 两流区模型228

8.3 分形模型与数值模型229

8.3.1 分形模型229

8.3.2 数值模型230

8.4 黑箱模型与随机模型231

8.4.1 黑箱模型231

8.4.2 随机模型231

8.5 水力传导模型232

8.5.1 水流遵循方程232

8.5.2 溶质非平衡运移234

8.5.3 热传导方程235

8.5.4 方程的数值解235

8.6 耦合模型237

8.6.1 大孔隙中的绕流237

8.6.2 水汽流动238

8.6.3 土壤水力性质239

8.6.4 不饱和导水率239

第9章 研究区优先流模型建立241

9.1 模拟模型概述242

9.2 边界条件模拟243

9.2.1 植被生长过程243

9.2.2 潜在蒸发散243

9.2.3 植被截留和冠层蒸发244

9.2.4 土壤温度245

9.3 土壤水分运动模拟247

9.3.1 水力特征值247

9.3.2 水分交换247

9.3.3 土壤排水248

9.3.4 根系吸水249

9.4 土壤水分数值解250

9.4.1 基质流求解250

9.4.2 优先流求解252

9.5 溶质运移252

9.5.1 溶质吸附与交换253

9.5.2 溶质运移方程的离散化255

9.5.3 溶质运移的边界条件255

9.6 模型建立256

9.6.1 植被作用256

9.6.2 优先流运动256

第10章 优先流模型模拟及评价258

10.1 参数设置258

10.1.1 驱动变量259

10.1.2 边界条件设定259

10.1.3 管理条件设定259

10.1.4 土壤物理特性参数259

10.2 模型模拟260

10.2.1 有效路径长度260

10.2.2 过程模拟260

10.2.3 入渗率及水分交换261

10.3 模型评价263

10.3.1 模拟结果与实测结果比较263

10.3.2 模型应用评价267

主要参考文献268

结语274