模拟降雨条件下覆沙坡面产流产沙过程研究

【目的】分析不同覆沙条件下坡面降雨的产流产沙过程,为揭示黄土高原水蚀风蚀交错区风水复合侵蚀机制奠定基础。【方法】采用3个雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)和3种覆沙方式(全坡、半坡、无覆沙)在室内进行模拟降雨试验,分析不同雨强和覆沙条件下坡面的产流产沙特征。【结果】坡面覆沙与无沙坡面(裸坡)相比延长了降雨初始产流时间1~30min;坡面覆沙后使得坡面的产流产沙过程复杂化,出现多峰多谷现象;坡面的累计径流量和累计产沙量均与降雨历时呈显著线性相关,相关系数在0.9以上;累计径流量与累计产沙量之间呈函数相关性,相关系数在0.90以上。【结论】坡面覆沙在一定程度上加剧了侵蚀的发生。     

砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究

【目的】研究砒砂岩地区坡面径流的侵蚀规律,为该地区坡面水蚀预报模型的建立提供理论依据。【方法】在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的西召沟内,选取典型的砒砂岩沟坡,采用野外实地放水冲刷试验,对不同冲刷流量(100,150,200,250,300 L/h)和坡度(5°,15°,25°,35°)下砒砂岩坡面径流的水动力学特性进行研究。【结果】在试验的冲刷流量和坡度范围内,砒砂岩地区坡面径流流速均随冲刷流量和坡度的增加而增大,它们之间呈幂函数关系。坡面径流雷诺数(Re)为58.55~442.85,且Re随冲刷时间的延长有增大的趋势。坡面径流弗罗德数(Fr)为0.738~2.281,且Fr随着冲刷流量和坡度的增加而增大。当冲刷流量和坡度较小时,径流流态为层流和缓流;当流量和坡度较大时,径流流态为层流和急流。坡面径流Darcy-Weisbach阻力系数(f)与冲刷流量和产沙量呈反比关系。【结论】相对于其他地区,砒砂岩地区坡面径流水动力学特性有其独特的特征,研究结果可以进一步揭示该地区坡面侵蚀产流产沙机理及侵蚀动力学机制。     

不同空间尺度次暴雨径流侵蚀功率与降雨侵蚀力的对比研究

【目的】提出径流侵蚀功率的概念,对比分析降雨侵蚀力和径流侵蚀功率在表征次暴雨水力侵蚀动力上的优劣。【方法】基于次暴雨洪水过程中径流深和洪峰流量模数2个重要的水文特征参数,提出了径流侵蚀功率的概念,并利用岔巴沟流域团山沟径流场和纸坊沟流域2个不同空间尺度实测降雨径流泥沙资料,对径流侵蚀功率和降雨侵蚀力表征次暴雨水力侵蚀动力的优劣进行了比较。【结果】径流侵蚀功率可以更好地表征坡面和流域尺度的次暴雨水力侵蚀动力,更能体现天然降雨和下垫面特性对次暴雨侵蚀产沙的综合影响。【结论】与通用的降雨侵蚀力相比,径流侵蚀功率更适宜用作坡面、流域尺度次暴雨侵蚀产沙模型的侵蚀动力因子。     

径流功率理论在黄土坡面侵蚀产沙计算中的应用

介绍了径流侵蚀产沙功率理论的基本原理,并应用这一理论对放水冲刷试验中不同坡度和流量条件下的侵蚀产沙特征进行了分析和比较。结果表明,当坡度为3~°27°时,单位径流的侵蚀功率随坡度的增加而增大;当坡度增加到27°时,单位径流功率达到最大值,而后随着坡度的继续增加,单位径流功率有所减少。实测数据和据单位径流侵蚀功率理论计算的坡面单宽径流侵蚀产沙量表现出了相似的变化规律,两者都随坡度的增加呈抛物线变化,坡面单宽径流侵蚀产沙量的最大值都出现在21°左右,且二者之间具有良好的线性关系。说明径流功率理论可以较好地应用于坡面单宽径流侵蚀产沙量的计算。     

重庆市黄壤坡耕地降雨侵蚀的产沙特征研究

通过人工模拟降雨,对侵蚀产沙量与降雨强度、降雨量、产流量和土壤初始含水量进行通径系数分析,目的在于揭示重庆市黄壤坡耕地降雨侵蚀的产沙影响因子,为重庆市黄壤坡耕地水土流失预测和防治提供理论依据。结果表明:降雨强度、降雨量、产流量与侵蚀产沙量呈显著性正相关,土壤初始含水量与侵蚀产沙量关系不显著;产流量和降雨强度对侵蚀产沙量的总作用、直接作用和决策系数均较大,降雨量主要通过降雨强度和产流量对侵蚀产沙量起间接作用。因此,产流量和降雨强度是侵蚀产沙量的主要决策因子。试验中还有一些未考虑的因素影响侵蚀产沙量,这些因子可能包括未分析的土壤团聚体变化、土壤孔隙变化、风速和人为因素等,有待进一步研究。     

坡耕地降雨径流与土壤侵蚀特征研究

研究人工模拟降雨对坡耕地土壤侵蚀特征的影响,旨为北方土石山区坡改梯建设提供科学依据。以北方土石山区典型砂质壤土为研究对象,采用人工模拟降雨试验的方法,在室内模拟不同坡度(10°、15°、20°和25°)、不同降雨强度(40、90、120和180 mm/h)下的坡面产流和产沙过程,研究不同坡度和降雨强度对坡面土壤侵蚀过程的调控机制。结果表明:(1)坡面开始产流所需的时间不受坡度的影响,随着降雨强度的增大,坡面产流所需的时间明显缩短;(2)在降雨强度一定的条件下,随着坡度的增大,坡面产沙量逐渐增加,本试验坡面最高产沙量的临界坡度约为22°;(3)产流量随坡度变化并非单调的递增或递减趋势,而是随着坡面由缓变陡呈先增加后降低的变化;(4)在降雨量相等的前提下,大降雨强度能够带来较大的单位时间产流量,但并不能保证总产流量也最大;在其他条件一致时,坡面侵蚀随着降雨强度的增大而增加。在降雨强度一定的条件下,坡面产沙量存在临界坡度,不同土质、不同降雨强度下的临界坡度尚需进一步研究。     

黑麦草对黄土坡面降雨产流产沙过程的影响

为研究草地对土壤侵蚀过程的影响,选用黄绵土人工种植草地,采用室内模拟降雨试验研究黑麦草不同覆盖度（0、25%、50%和75%）对3种降雨强度（60、90和120 mm/h）坡面产流产沙过程的影响。结果表明：黑麦草覆盖可以显著减小侵蚀产沙。在坡面土壤预饱和的条件下,坡面产流、产沙与时间呈线性关系;累计产流量随降雨强度线性增加;同一降雨强度条件下,草地覆盖度对累计产流量影响不显著;草地坡面水流含沙量、输沙率、次降雨产沙量均随覆盖度增大而降低,随降雨强度增大而增加;3种降雨强度条件下,无黑麦草覆盖坡面水流含沙量差异不显著,次降雨产沙量和输沙率随着降雨强度的增加而增大。研究结果可为土壤侵蚀预报模型建立及水土保持措施的制定提供理论参考。     

利用REE示踪法分析坡面放水冲刷的侵蚀过程

为确定放水条件下坡面侵蚀规律,采用3个坡度(15°,18°,21°)和3个流量(3.5,4.5,5.5L·min-1)交叉组合进行室内冲刷试验,并利用REE示踪法系统分析细沟发生和发展过程.结果表明:坡面上部细沟侵蚀最为剧烈,到试验结束时,坡面上部、中部和下部的沟蚀深度分别在20cm、10cm和5cm的范围内;上部和中部各层稀土元素示踪区的侵蚀率在试验过程中的变化曲线呈现单峰型或多峰型.流量对各元素示踪区侵蚀率的影响比坡度更为显著,是影响细沟侵蚀量的主要因素.水流流量不变时,在试验初始3min内,坡度对坡面下部的侵蚀影响相对较大.     

模拟降雨条件下坡度对东北黑土区坡面侵蚀过程的影响

利用野外模拟降雨实验,分析了不同坡度(3°,5°,7°,9°,12°,15°)、不同降雨强度(70,100,120mm/h)条件下,黑土坡地产流和产沙特性随坡度和降雨强度的变化规律。研究结果表明:降雨强度小,产流时间长且坡度对产流时间影响小。降雨强度大,产流时间短且坡度对产流时间的影响明显;在坡度较小的条件下,降雨强度对坡面径流量的影响较小,较大坡度条件下,降雨强度对坡面径流量的影响较大;在同一降雨强度下随坡度的增加,侵蚀产沙率基本呈现增大的趋势;坡度对侵蚀产沙率的影响程度与降雨强度有一定关系;在12°~15°之间存在本试验条件下的临界坡度,超过临界坡度12°后侵蚀产沙率和总产沙量都大幅度下降。     

激光扫描技术应用于细沟侵蚀的研究——以东北典型黑土区为例

【目的】使用德国引进设备3D激光地貌分析仪研究多场降雨下细沟侵蚀过程,为解释黑土区细沟侵蚀过程提供理论依据。【方法】根据试验地多年自然降雨参数设计人工降雨参数,使用人工降雨设备,在坡度为5°的标准径流小区上进行7场等强度人工降雨,每场降雨后使用3D激光地貌分析仪对地表进行扫描,观测细沟侵蚀的发展过程。【结果】平均产流率及输沙率大体呈现先增大后减小的趋势,平均产流率及平均输沙率最大值分别出现在第3场降雨及第4场降雨时,值分别为3.30L/min及200.57g/(m2.min);细沟侵蚀强度由第1场降雨的2.061kg/m2最终发展为第7场的7.295kg/m2,增大了约2.54倍。【结论】使用3D激光地貌分析仪进行细沟侵蚀的监测是可行的,研究区内随着降雨时间的推移,细沟侵蚀是一个不断稳定加强的过程。     

基于侵蚀针和近景摄影测量的侵蚀速率测定方法试验研究

为探究一种精度高、操作简便,成本低、易便携的土壤侵蚀速率测量方法和设备,采用近景摄影测量的直接线性变换处理技术,实现了侵蚀针土壤侵蚀速率测量法的非接触性快速测量。2008年10月在人工模拟降雨条件下对该方法的测量精度进行了检验,并对该方法的推广应用进行了讨论。结果表明:该方法的测量侵蚀针出露高度的精度可达到96.73%以上。土壤侵蚀量趋于稳定后,其解算值与实测值间的误差率将稳定在4%～5%之间,该方法测量土壤侵蚀量的精度可达到92.77%以上。     

联合径流侵蚀功率与连通性指数识别流域侵蚀对植被恢复的响应

为识别植被恢复流域侵蚀变化过程,本研究构建了包含RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)、IC(Index of Connectivity)和基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)的径流侵蚀功率方程所构成的侵蚀过程识别模型方法框架,以探究延河流域侵蚀过程的变化及对植被恢复的响应特征。结果表明：延河流域侵蚀情况总体持续向好,1985—2000年间多个年份的流域平均侵蚀模数超过80 t·hm^-2·a^-1,而在2015年左右下降至10～30 t·hm^-2·a^-1,植被恢复造成了流域侵蚀的动态变化,两者呈负相关的年际变化趋势,表明植被增加在较大程度上抑制了土壤侵蚀。径流侵蚀功率时空变异性较大,最大值从1985年的13.28×10^-4m⁴·s^-1·km^-2下降至2020年的4.40×10^-4m⁴·...     

边坡侵蚀的理论分析

自然边坡侵蚀在世界各地随处可见 ,然而对自然边坡的侵蚀过程缺乏相关的理论研究 ,包括面蚀、渗透破坏和渠道冲刷。冲刷破坏是由于对土体的切割引起的 ,它与季节性融冻深度密切相关 ,因为融冻状态下 ,土壤的抗剪强度较低 ,水跃发生在渠坡下游 ,土体切割会加速边坡侵蚀进程 ,渗流将引起严重的深层破坏。这些主要受土壤性质和作用在坡面上的附加荷载的影响。最大渗流通常发生在融雪季节 ,研究边坡浸蚀破坏的机理将有助于城市、乡村和保护区的水管理     

海底管道立管局部冲刷数值模拟

基于κ-ε湍流模型,建立了海底管道立管与海洋平台桩腿相连接、海流流经海洋平台桩腿发生绕流现象的三维流场模型,模拟了冲刷过程中不同条件下立管附近流场及压力的变化,研究了海底管道立管局部冲刷机理.模拟结果表明:随着与立管连接的横管悬空量增大,立轴漩涡越来越密集,海底管道局部冲刷速度加快;在一定范围内,随着桩腿与立管间距的增大,冲刷速度加快,但是当该间距增大到一定程度时,冲刷速度逐渐减慢;增大桩腿的直径,可以减少海流携带泥沙量,冲刷作用得以减缓.     

丙乳水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能试验研究

进行了一种聚合物水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀的室内试验。试验内容包括：单纯硫酸盐条件下的侵蚀试验、硫酸盐结合Cl^-和Mg^2＋条件下的侵蚀试验以及干湿交替条件下的侵蚀试验。结果表明：在水泥砂浆中掺入丙乳能够抵抗较高浓度的SO4^2-、Cl^-和Mg^2＋的侵蚀,且能有效提高水泥抵抗硫酸盐结晶的侵蚀。     

非点源污染模型在土壤侵蚀模拟中的应用及发展动态

近年来 ,随着计算机和地理信息技术的不断发展 ,非点源污染模型在土壤侵蚀研究中得到了广泛的应用 .该文通过对不同模型的背景、功能、应用范围以及优缺点的分析 ,对国外较为常用的 8个土壤侵蚀模型进行了全面综述 .这些模型包括用于预测预报的RUSLE ,WEPP和EPIC ,用于流域水文过程模拟的SHE ,CREAMS和ANSWERS等 ,还有用于流域管理措施评价的AGNPS和SWAT等 .通过对不同模型应用现状的分析 ,提出了土壤侵蚀模拟模型在BMPs评价、湿地水文以及生态系统缓冲带泥沙及营养元素运移等领域的应用前景和发展动态     

Modelling and mapping soil erosion potential in China

Soil erosion is an important environmental threat in China.However,quantitative estimates of soil erosion in China have rarely been reported in the literature.In this study,soil loss potential in China was estimated by integrating satellite images,field samples,and ground observations based on the Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE).The rainfall erosivity factor was estimated from merged rainfall data using Collocated CoKriging(ColCOK)and downscaled by geographically weighted regression(GWR).The Random Forest(RF)regression approach was used as a tool for understanding and predicting the relationship between the soil erodibility factor and a set of environment factors.Our results show that the average erosion rate in China is 1.44 t ha~(–1) yr~(–1).More than 60%of the territory in China is influenced by soil erosion limitedly,with an average potential erosion rate less than 0.1 t ha~(–1) yr~(–1).Other unused land and other forested woodlands showed the highest erosion risk.Our estimates are comparable to those of runoff plot studies.Our results provide a useful tool for soil loss assessments and ecological environment protections.     

示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用

示踪技术在研究土地退化状况、土壤资源可持续利用、土壤侵蚀等方面具有重要的应用价值。文章介绍了放射性物质示踪、稀土元素示踪、磁性示踪等3种主要示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用概况,重点综述放射性单核素（^187Cs、^7Be）示踪技术、放射性离子示踪技术和复合核素示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用进展,最后结合示踪技术在土壤侵蚀研究中的特点,对其今后的发展方向和应用前景作了展望,即多核素示踪技术的应用将成为土壤侵蚀研究的一大重点;3S技术与示踪技术的有机结合,将为区域水土流失快速评价提供一条有效途径。     

陕西省丹汉江流域土壤侵蚀经济损失分析

【目的】分析陕西省丹汉江流域土壤侵蚀的经济损失,为水土流失状况评价提供参考。【方法】利用环境经济学的原理,采用市场价值法、机会成本法和影子工程法等,结合最新调查数据,对陕西省丹汉江流域土壤侵蚀造成的经济损失进行估算。【结果】陕西省丹汉江流域每年土壤侵蚀经济损失为112.884亿元。土壤养分流失损失、土壤水分流失损失、土地废弃损失和泥沙滞留、淤积损失分别占96.028%,0.589%,1.528%和1.855%。单位水土流失面积的土壤侵蚀经济损失为42.97万元/km2。各市单位水土流失面积的土壤侵蚀经济损失大小依次为安康市>商洛市>汉中市>宝鸡市>西安市。强度损失的县(区)主要集中在2个区域,即汉江源头的宁强县、略阳县和汉江中游的安康市大部及丹江上游的镇安县、山阳县。【结论】单位水土流失面积的土壤侵蚀经济损失与土壤侵蚀模数之间具有显著相关性,可以作为评价水土流失状况的一个直观、重要的指标。     

赣南地区侵蚀地形因子研究

【目的】研究南方红壤区水土流失非常严重地区的土壤侵蚀地形因子,旨在为水土流失治理提供参考。【方法】以赣南地区为典型样区,将该地区1∶10万图幅及其周边的16个1∶5万图幅拼接,然后用1∶10万图幅向外扩展5km后重新切割的范围作为数据处理的单元,基于Hc-DEM提取地形因子,用50m×50m的邻域窗口对坡度进行均值滤波,将赣南地区划分为平原(包括盆地及周边缓坡丘陵)、典型丘陵、山地3种地貌类型区,对这3种地貌类型区的坡度、坡长、坡度-坡长因子(Length-Slope factor,LS)的宏观和微观格局进行分析,研究地形因子与土壤侵蚀的关系。【结果】在宏观尺度上,平原的坡度和LS因子均最小,典型丘陵次之,山地最大;平原和典型丘陵区坡长较小,而在山地较大。在微观格局上,坡度表现出与地形连续变化相适应的特性;坡长在典型丘陵和山地反映出与提取算法有关的、类似流域单元的图式;LS受坡度和坡长的共同影响,整体上与坡度的分布一致。地形因子与土壤侵蚀的关系表现为,随着侵蚀强度的增加,坡度、坡长和LS因子均呈增加趋势。【结论】在南方红壤区水土流失非常严重地区,地形属性(坡度、坡长)和LS对土壤侵蚀影响明显。