Published February 22, 2019 | Version v1
Publication Open

Runoff Response to Soil Moisture and Micro-topographic Structure on the Plot Scale

Creators

  • 1. Beijing Forestry University

Description

Structural hydrological connectivity has been proposed to describe the geological structure of the landscape as well as to explain hydrological behaviors. Indices based on the topological or soil condition were developed to interpret their relationships. While previous studies mainly focused on well-instrumented catchments which are narrow in humidity or temperate zone, the hydrological responses to structural connectivity at the plot and hill slope scale as well as in arid or semi-arid climate conditions remain unclear. This study was conducted in the semi-arid mountainous region of northern China in Haihe Basin which is the source of water of about 350 million people. Experiments were conducted during the rainy season in 2012 and 2013 using four runoff plots. Two indices, flow path length (FL) based on topography and integral connectivity scale length (ICSL) based on soil moisture conditions, developed to represent hydrological connectivity structure and the runoff response to rainfall were analyzed. The results showed that the surface runoff coefficient was strongly and positively linearly correlated to FL, and the correlation between subsurface flow and ICSLs was quadratic. Plots with shorter FL required more rainfall to generate surface runoff. In the shallow soil layer, when the ICSLs are relatively low, the soil can store more water and less rainfall feeds subsurface runoff. Further analysis indicated that improved shallow soil connectivity conditions might enhance the water-holding capacity and lead to lower water yields for each event. This study demonstrated that hydrological structure connectivity could explain the mechanism of runoff generation in semi-arid areas while further experiments should be undertaken to find the threshold-like relationship between FL and surface runoff as well as the influence of plant cover on hydrological behaviors.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم اقتراح الربط الهيدرولوجي الهيكلي لوصف البنية الجيولوجية للمناظر الطبيعية وكذلك لشرح السلوكيات الهيدرولوجية. تم تطوير المؤشرات بناءً على الحالة الطوبوغرافية أو حالة التربة لتفسير علاقاتها. في حين ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على مستجمعات المياه الجيدة التي تكون ضيقة في الرطوبة أو المنطقة المعتدلة، فإن الاستجابات الهيدرولوجية للربط الهيكلي على مستوى قطعة الأرض ومنحدر التل وكذلك في الظروف المناخية القاحلة أو شبه القاحلة لا تزال غير واضحة. أجريت هذه الدراسة في المنطقة الجبلية شبه القاحلة في شمال الصين في حوض هايخه الذي يعد مصدر المياه لحوالي 350 مليون شخص. أجريت التجارب خلال موسم الأمطار في عامي 2012 و 2013 باستخدام أربع قطع من الجريان السطحي. تم تحليل مؤشرين، طول مسار التدفق (FL) بناءً على التضاريس وطول مقياس التوصيل المتكامل (ICSL) بناءً على ظروف رطوبة التربة، تم تطويرهما لتمثيل بنية التوصيل الهيدرولوجي واستجابة الجريان السطحي لهطول الأمطار. أظهرت النتائج أن معامل الجريان السطحي كان مرتبطًا بشكل قوي وإيجابي خطيًا بـ FL، وكان الارتباط بين التدفق تحت السطحي و ICSLs تربيعيًا. تتطلب المخططات ذات الخطوط الأمامية الأقصر هطول المزيد من الأمطار لتوليد جريان سطحي. في طبقة التربة الضحلة، عندما تكون ICSLs منخفضة نسبيًا، يمكن للتربة تخزين المزيد من المياه وتقليل هطول الأمطار يغذي الجريان السطحي. وأشار مزيد من التحليل إلى أن تحسين ظروف اتصال التربة الضحلة قد يعزز قدرة الاحتفاظ بالمياه ويؤدي إلى انخفاض غلة المياه لكل حدث. أظهرت هذه الدراسة أن اتصال البنية الهيدرولوجية يمكن أن يفسر آلية توليد الجريان السطحي في المناطق شبه القاحلة بينما يجب إجراء المزيد من التجارب للعثور على العلاقة الشبيهة بالعتبة بين العمل الجبري والجريان السطحي بالإضافة إلى تأثير الغطاء النباتي على السلوكيات الهيدرولوجية.

Translated Description (French)

La connectivité hydrologique structurale a été proposée pour décrire la structure géologique du paysage ainsi que pour expliquer les comportements hydrologiques. Des indices basés sur l'état topologique ou du sol ont été développés pour interpréter leurs relations. Alors que les études précédentes se concentraient principalement sur les bassins versants bien instrumentés qui sont étroits dans l'humidité ou la zone tempérée, les réponses hydrologiques à la connectivité structurelle à l'échelle de la parcelle et de la pente de la colline ainsi que dans des conditions climatiques arides ou semi-arides restent peu claires. Cette étude a été menée dans la région montagneuse semi-aride du nord de la Chine dans le bassin de Haihe qui est la source d'eau d'environ 350 millions de personnes. Des expériences ont été menées pendant la saison des pluies en 2012 et 2013 en utilisant quatre parcelles de ruissellement. Deux indices, la longueur du trajet d'écoulement (FL) basée sur la topographie et la longueur de l'échelle de connectivité intégrale (ICSL) basée sur les conditions d'humidité du sol, développés pour représenter la structure de connectivité hydrologique et la réponse du ruissellement aux précipitations ont été analysés. Les résultats ont montré que le coefficient de ruissellement de surface était fortement et positivement corrélé linéairement au FL, et que la corrélation entre l'écoulement souterrain et les ICSL était quadratique. Les parcelles avec un FL plus court nécessitaient plus de précipitations pour générer un ruissellement de surface. Dans la couche de sol peu profonde, lorsque les ICSL sont relativement bas, le sol peut stocker plus d'eau et moins de précipitations alimentent le ruissellement souterrain. Une analyse plus approfondie a indiqué que l'amélioration des conditions de connectivité des sols peu profonds pourrait améliorer la capacité de rétention d'eau et entraîner des rendements en eau plus faibles pour chaque événement. Cette étude a démontré que la connectivité de la structure hydrologique pourrait expliquer le mécanisme de génération du ruissellement dans les zones semi-arides, tandis que d'autres expériences devraient être entreprises pour trouver la relation de type seuil entre le FL et le ruissellement de surface ainsi que l'influence de la couverture végétale sur les comportements hydrologiques.

Translated Description (Spanish)

Se ha propuesto la conectividad hidrológica estructural para describir la estructura geológica del paisaje, así como para explicar los comportamientos hidrológicos. Se desarrollaron índices basados en la condición topológica o del suelo para interpretar sus relaciones. Si bien los estudios anteriores se centraron principalmente en cuencas bien instrumentadas que son estrechas en humedad o zona templada, las respuestas hidrológicas a la conectividad estructural a escala de parcela y pendiente de colina, así como en condiciones climáticas áridas o semiáridas, siguen sin estar claras. Este estudio se realizó en la región montañosa semiárida del norte de China en la cuenca de Haihe, que es la fuente de agua de unos 350 millones de personas. Los experimentos se llevaron a cabo durante la temporada de lluvias en 2012 y 2013 utilizando cuatro parcelas de escorrentía. Se analizaron dos índices, la longitud de la trayectoria del flujo (FL) basada en la topografía y la longitud de la escala de conectividad integral (ICSL) basada en las condiciones de humedad del suelo, desarrollados para representar la estructura de conectividad hidrológica y la respuesta de escorrentía a la lluvia. Los resultados mostraron que el coeficiente de escorrentía superficial se correlacionó linealmente de manera fuerte y positiva con FL, y la correlación entre el flujo subsuperficial y los ICSL fue cuadrática. Las parcelas con FL más cortas requerían más lluvia para generar escorrentía superficial. En la capa de suelo poco profunda, cuando los ICSL son relativamente bajos, el suelo puede almacenar más agua y menos lluvia alimenta la escorrentía subsuperficial. Un análisis adicional indicó que la mejora de las condiciones de conectividad del suelo poco profundo podría mejorar la capacidad de retención de agua y conducir a menores rendimientos de agua para cada evento. Este estudio demostró que la conectividad de la estructura hidrológica podría explicar el mecanismo de generación de escorrentía en áreas semiáridas, mientras que se deben realizar más experimentos para encontrar la relación similar al umbral entre la FL y la escorrentía superficial, así como la influencia de la cobertura vegetal en los comportamientos hidrológicos.

Files

s41598-019-39409-6.pdf.pdf

Files (4.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:aed0832fcb9d110a580b68adf1d306b0
4.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
استجابة الجريان السطحي لرطوبة التربة والهيكل الطبوغرافي الدقيق على مقياس قطعة الأرض
Translated title (French)
Réponse du ruissellement à l'humidité du sol et à la structure micro-topographique sur l'échelle de la parcelle
Translated title (Spanish)
Respuesta de escorrentía a la humedad del suelo y estructura micro-topográfica en la escala de la parcela

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2923023800
DOI
10.1038/s41598-019-39409-6

Is supplement to
https://openalex.org/W3082778011 (Other)
https://openalex.org/W3034477078 (Other)
https://openalex.org/W2887370619 (Other)
https://openalex.org/W2392512544 (Other)
https://openalex.org/W2272375265 (Other)
https://openalex.org/W2161945836 (Other)
https://openalex.org/W2055705976 (Other)
https://openalex.org/W2016456043 (Other)
https://openalex.org/W165991727 (Other)
https://openalex.org/W146018078 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1501999399
  • https://openalex.org/W1517103916
  • https://openalex.org/W1547102594
  • https://openalex.org/W1555112338
  • https://openalex.org/W1633644095
  • https://openalex.org/W1770909252
  • https://openalex.org/W1880640180
  • https://openalex.org/W1901175464
  • https://openalex.org/W1904689305
  • https://openalex.org/W1913553942
  • https://openalex.org/W1931550268
  • https://openalex.org/W1937825723
  • https://openalex.org/W1956036565
  • https://openalex.org/W1974445259
  • https://openalex.org/W1982378698
  • https://openalex.org/W1987899762
  • https://openalex.org/W1988404540
  • https://openalex.org/W1992801057
  • https://openalex.org/W1999766969
  • https://openalex.org/W2000420849
  • https://openalex.org/W2005514783
  • https://openalex.org/W2012209177
  • https://openalex.org/W2015750820
  • https://openalex.org/W2016901841
  • https://openalex.org/W2019798505
  • https://openalex.org/W2021599642
  • https://openalex.org/W2031093271
  • https://openalex.org/W2054971855
  • https://openalex.org/W2058070495
  • https://openalex.org/W2062154646
  • https://openalex.org/W2067215661
  • https://openalex.org/W2081743863
  • https://openalex.org/W2096485566
  • https://openalex.org/W2098787944
  • https://openalex.org/W2100413889
  • https://openalex.org/W2104483400
  • https://openalex.org/W2105251015
  • https://openalex.org/W2111941504
  • https://openalex.org/W2114101702
  • https://openalex.org/W2121999063
  • https://openalex.org/W2132120282
  • https://openalex.org/W2161932655
  • https://openalex.org/W2169016599
  • https://openalex.org/W2227244489
  • https://openalex.org/W2234180951
  • https://openalex.org/W2247839869
  • https://openalex.org/W2249376387
  • https://openalex.org/W2253549519
  • https://openalex.org/W2278896351
  • https://openalex.org/W2279962267
  • https://openalex.org/W2343100845
  • https://openalex.org/W2397308113
  • https://openalex.org/W2409408161
  • https://openalex.org/W2508519352
  • https://openalex.org/W2520253738
  • https://openalex.org/W2524332344
  • https://openalex.org/W2554039976
  • https://openalex.org/W4252331835