黄土高原北部水蚀风蚀交错带沟壑地形的降雨反应特性

为揭示黄土高原水蚀风蚀交错带沟壑地形的降雨反应特性,选取该区具有典型水文及气象特征的六道沟流域作为研究区域,基于对所选沟道的沟顶及沟底2005-2009年雨季同期观测降雨数据(38次集中降雨事件)的分析,揭示沟壑地形对降雨反应的特性;通过对典型降雨—径流事件的分析,分别推求长历时低强度降雨以及短历时高强度降雨条件下降雨强度与产流的关系.结果表明:沟顶单次降雨事件的降雨量,3,5,10 min最大雨强及平均雨强均是沟底对应值的1.3倍以上;沟顶单次降雨事件降雨量的3,5,10min雨强各序列标准差均大于沟底对应序列的值;沟顶与沟底的降雨量序列,各时间间隔的最大、平均雨强序列均存在着较高的正相关性,相关系数在0.9以上;表层土壤在饱和及不饱和条件下,产流的必要条件分别是5 min平均降雨强度达到0.12,0.52 mm/min.     

典型喀斯特峰丛洼地降雨特性及浅层地下水埋深变化特征

以桂西北典型喀斯特峰丛洼地连续6年(2006-2011年)的降雨资料和浅层地下水埋深的实测数据为基础,分析研究区降雨特性和浅层地下水的变化特征。结果表明:研究区虽然降雨丰富,但年际变化大且季节分布不均。除2008年为丰水年(1 979.8mm)、2011年为欠水年(1 127.3mm)外,其余年份均为平水年(1 302.7～1 510.1mm);降雨主要集中在4-9月(雨季),其占全年降雨量的比例表现为平水年(82.4%～85.1%)>丰水年(74.7%)>欠水年(65.9%);有效降雨次数、累计有效降雨量和最大日降雨量有随年降雨量增加而增加的趋势;60min雨强大于16mm/h的降雨和最大日降雨量的最大值分别为67.4mm/h和152.9mm,主要集中在5-8月;年内50%以上为无雨天气,其中,平均出现26次连续3d以上,5次连续10d以上的无雨天气,不同水文年差异不大,且多发生在旱季,年降雨量并未因无雨天数的增加而降低。雨季地下水埋深约为2m,旱季大于3m,呈中等变异,且雨季大于旱季;地下水埋深年内随降雨呈单峰型分布,但峰值维持时间短,前期降雨对地下水位的涨落有重要影响。     

蔡家川流域降雨-径流关系及水量平衡分析

以晋西黄土区蔡家川流域为研究对象,利用该流域2004—2009年的降雨径流实测数据,采用多重比较和回归分析等统计方法,对降雨—径流关系及水量平衡进行了研究。结果表明,流域年耗水量占年降雨量的比例高达90%以上,是水循环过程中的重要支出项;流域年径流系数只有1.60%～2.66%;场降雨条件下径流量和洪峰流量随雨量P和最大60min雨强I60的量级具有明显的跳跃式变化,当P≥30mm时,径流量、洪峰流量分别是0～10mm雨量级的8.31,6.52倍,当I60≥20mm/h时,径流量、洪峰流量分别是0～10mm/h雨强级的3.35,16.87倍;对不同雨型下径流量、洪峰流量与降雨指标进行多元回归分析后得出,短历时高雨强的A型雨下雨强对洪峰流量的贡献率(47.12%)大于历时较长且雨强较大的B型雨(44.62%)和长历时低雨强的C型雨(32.51%),C型雨下雨量对径流量的贡献率(28.5%)大于A型雨(26.69%)和B型雨(3.15%)。     

嵌套砾石红壤坡面壤中流对降雨强度的响应

为研究嵌套砾石红壤坡面的壤中流动态过程及降雨产流分配,以红壤缓坡(10°)和陡坡(25°)坡面为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(60,90,120 mm/h)和不同砾石含量(0,10%,20%,30%)条件下壤中流的初始产流时间、产流速率和径流过程。结果表明:(1)不同含量砾石嵌套红壤坡面壤中流初始产流时间在雨强60 mm/h时接近15 min,在雨强90,120 mm/h时差别较大;雨强从60 mm/h增大到120 mm/h,不同含量砾石嵌套红壤坡面壤中流量和产流速率基本上表现为降低,其中25°嵌套20%和30%砾石坡面的壤中流产流速率均值分别下降86.7%和89.0%,雨强120 mm/h时壤中流峰值仅为60 mm/h条件下的10.7%和10.2%。(2)10°和25°各试验坡面,雨强60 mm/h时地表径流所占比例为8.0%~66.3%,雨强120 mm/h时地表径流所占比例为76.1%~93.5%,地表径流所占比例均随雨强的增大而提高32.8%~1 009.4%;雨强60 mm/h时壤中流所占比例为7.3%~30.0%,雨强120 mm/h时壤中流所占比例为1.1%~9.6%,壤中流所占比例随雨强增大而减小46.1%~93.9%。(3)回归结果显示,壤中流峰值流量Ip、壤中流系数It、壤中流消退速率K和降雨强度、砾石含量的二元线性回归效果都达到了显著水平(P<0.05);坡度10°时,降雨强度和砾石含量对壤中流过程参数所起的作用是相反的,而坡度25°时,砾石含量和降雨强度对壤中流各参数的作用相同。     

黄土高原北部水蚀风蚀交错区产流条件及径流系数

为了揭示黄土高原北部水蚀风蚀交错区的产流机制并推求径流系数,为该地区地表水资源的深入研究提供基础数据,选取具有黄土高原北部水蚀风蚀交错区典型气象与水文特征的六道沟流域为研究区。通过分析实测水文数据,从机制上分别研究了试验流域在表层土壤（5—10 cm）达到饱和及不饱和条件下的产流过程,在长历时低强度降雨条件下,产流的必要条件是表层土壤达到饱和且雨强≥0.12 mm/min;在短历时高强度降雨条件下,表层土壤未达到饱和状态时,产流的必要条件是降雨强度≥0.52 mm/min;径流系数与平均降雨强度之间存在着显著的正相关关系;以运动波理论的基础方程式结合GIS技术开发了适用于试验流域的分布式降雨—径流数值模型,模型的误差<3%;基于2005—2009年（5 a）的降雨—径流数值计算,得到试验流域在这5 a的平均径流系数为0.11,从而推求出多年平均径流系数为0.10～0.15。     

山东药乡小流域降雨径流关系研究

为掌握山东山丘区水土流失动态规律,选取泰安药乡小流域东沟集水区,以2013—2014年降雨、径流等实地观测数据为基础,利用相关分析、逐步回归方法探究降雨、径流变化规律及其相关关系。结果表明:药乡小流域东沟集水区的降雨具有明显的季节变化,78.7%~92.6%的降雨集中在雨季(6—9月),年内分布极不均匀,侵蚀性降雨占总降雨的82%左右,且以大雨和暴雨为主。从雨型来看,2013年暴雨占当年降雨量的52.5%;2014年大雨和暴雨分别占降雨量的30.0%和38.1%。产流也集中在雨季,且呈周期性变化;降雨量与最大30min雨强、洪峰流量、总径流量都显著相关;产流的主控因子为降雨量、降雨历时、最大30min雨强;该流域径流对降雨的响应十分敏感,虽然径流量峰值滞后于降雨量峰值,但滞后时间较短。     

喀斯特小流域坡面与流域降雨产流产沙特征

基于贵州省关岭县蚂蝗田水土保持监测站坡面及小流域的监测数据,分析了喀斯特坡面和小流域两个不同尺度下的降雨产流产沙特征。结果表明:次降雨量达到9.1mm(雨强大)和10.5mm(雨强小),坡面发生产流产沙。产流产沙的次降雨量(P)、平均雨强(I)、最大30min雨强(I30)、最大60min雨强(I60)、降雨历时(T)分别主要集中10~40mm,2~10mm/h,5~30mm/h,5~20mm/h,1~10h;与产流产沙相关度的高低为:PI_(60)I_(30)T。不同措施径流小区产流产沙存在显著性差异,荒草地产流产沙量最高;经果林+玉米的坡耕地次之;水保林、岩石裸露率高的荒草地最低。小流域与径流小区产流产沙的月变化趋势相似,但数值差异极大,产流产沙不同步,径流小区的数据不能完全反映喀斯特地区产流产沙特征。     

长期野外监测红壤裸露坡地侵蚀性降雨分布及产沙分析

侵蚀性降雨及其侵蚀泥沙分布特征研究是掌握土壤侵蚀规律的基础,同时也可为水土保持综合治理提供理论依据。研究选择红壤裸地坡面径流小区为研究对象,利用实际观测法收集到2001-2016年的565次长序列侵蚀性降雨及其径流泥沙资料,运用数理统计方法分析侵蚀性降雨及其泥沙的发生频率和强度的分布特征,在此基础上分析降雨类型对侵蚀产沙的影响。研究结果表明,研究区侵蚀性降雨量占总降雨量的87.82%,主要分布在降雨量为25 mm以上和降雨强度5mm/h以下的降雨事件。次降雨侵蚀强度小于100t/km~2的侵蚀次数占总次数的76.81%,而其侵蚀总量只占总量的7.28%;侵蚀强度大于500t/km~2的降雨侵蚀次数只占总次数的6.36%,但其侵蚀泥沙量可占总量的60.96%,次降雨侵蚀产沙量分布极为不均。降雨量25～100mm且平均雨强小于20mm/h的降雨类型造成研究区土壤侵蚀量最大。次降雨量100 mm和降雨强度20 mm/h可作为红壤裸露坡地水土流失防御的设计暴雨特征值。研究结果有助于揭示红壤坡地次降雨侵蚀规律和水土保持措施布设。     

雨强对片麻岩坡面径流养分流失规律的影响

通过室内模拟降雨试验,研究降雨强度对太行山区片麻岩坡地产沙产流和养分流失的影响,结果表明:初始产流时间与雨强具有明显的负相关;不同雨强对坡面累积产流产沙影响较大,随雨强的增大,径流量和泥沙量也呈现增大的趋势。在整场降雨过程中,产流率呈现出先增加,到达峰值后产流率趋于稳定不再继续增大,不同雨强片麻岩坡面(60,80,100mm/h)的产流率达到的峰值分别为1 068,2 930,3 019ml/min;泥沙浓度在整场降雨中表现为先降低然后趋于稳定,比较不同雨强片麻岩坡面(60,80,100mm/h)的产沙量为351.49,2 882.33,3 613.23g,发现雨强对坡面径流的影响较大。坡面养分流失主要以泥沙结合态为主,泥沙态养分所占比例达到98%以上,并随雨强增大,泥沙态含量也随之增加,坡面氮素流失在雨强较小时养分流失方式为溶解态氮和泥沙态氮共同作用,随着雨强增加,泥沙态所占比例增大到92%,94%。径流流失的总养分量(总氮、总磷和总钾)与雨强之间具有正相关性,整场降雨过程中水样氮浓度随降雨历时增加呈下降趋势;泥沙中养分随时间变化波动较大,没有反映出与雨强的相关性。     

不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀过程的影响

为研究不同雨强对紫色土坡面侵蚀过程的影响,通过人工模拟降雨试验和室内分析,采用降雨总量(30mm)一定、降雨历时不定的原则,在2种覆盖度(50%和75%)下,分析了3个雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)对紫色土土壤坡面产流产沙的影响。结果表明:在50%和75%覆盖度下,(1)雨强越大紫色土坡面产流总量和径流率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下的2种覆盖度产流量分别占坡面产流总量的18%,30%,52%。(2)雨强越大紫色土坡面产沙量和侵蚀率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下,2种覆盖度产沙量分别占坡面产沙总量的13%,33%,54%。(3)紫色土坡面侵蚀泥沙中的水稳性团聚体的粒径主要集中在0.25,3mm,分别占泥沙总量的74%和67%,0.25~3mm粒径的水稳性团聚体分别占泥沙总量的30%和26%。(4)相关分析表明,雨强和紫色土坡面产流产沙量均为极显著正相关(P0.01)。雨强与产沙量之间均拟合为一次线性方程;雨强与产流量之间分别拟合为一次线性方程和二次方程。研究结果为控制紫色土坡面水土流失和揭示其相关侵蚀机理提供参考。     

稀土元素示踪坡面次降雨条件下的侵蚀过程

为定量研究次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程,该文利用REE-INAA（稀土元素-中子活化分析）方法,将REE元素沿坡面垂直分层布设并结合室内模拟降雨试验,研究了次降雨条件下面蚀和细沟侵蚀的转变和动态发育过程。结果表明：降雨初期坡面主要发生面蚀,细沟出现后,坡面侵蚀将加快加剧,细沟侵蚀深度随之迅速增加。坡面侵蚀中面蚀量约占总侵蚀量的30%左右,细沟侵蚀量占70%左右。单位深度范围内最上层土壤侵蚀量最大,向下依次递减。可以将坡面侵蚀形态演变过程划分为面蚀、细沟发育和细沟稳定3个阶段,各阶段转化都有明显的拐点出现。因此,利用REE-INAA方法可以对土壤侵蚀演变过程进行较准确地定量研究。     

黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系

为探究黄土和红壤侵蚀受雨强和坡度影响的差异及其与土壤性质的关系,通过测定分析黄土和红壤的各种理化性质,并分别对2种土壤在2个坡度(15°,20°)、2个雨强(60,90 mm/h)条件下开展4场降雨。结果表明:(1)与红壤相比,黄土的土壤颗粒更细,二者的毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量相差均在3%~6%以内,干筛时各粒级团聚体相差不大,但经湿筛破坏后二者团聚体差异较大,红壤的相对机械破碎指数(RMI)小于黄土,黄土有机质含量、阳离子交换量和络合态氧化物含量均高于红壤,无定形氧化物和游离氧化物则低于红壤;(2)同雨强、同坡度条件下,黄土产流时间均短于红壤,产流开始后,红壤比黄土先达到稳定径流率,不同雨强、坡度条件下,红壤稳定径流率为30~120 mL/s,黄土为100~220 mL/s,且在相同坡度、雨强范围内,红壤径流率变化层次分明,黄土则交错复杂;(3)红壤的产沙率和径流含沙率都较低,且多在产流几分钟即出现产沙率最大值,黄土产沙率则和径流率类似,在产流前期快速增长,10 min之后开始波动变化,再进入相对稳定产沙阶段,产沙率和径流含沙率随雨强和坡度的变化复杂;(4)不同土壤自身理化性质是影响坡面侵蚀的内在因素,与黄土相比,红壤的下渗能力更好,土壤抵抗径流剪切和剥蚀的能力更强,使得在同雨强、同坡度条件下红壤的侵蚀程度远低于黄土,规律性也更显著。     

雨滴击溅在薄层水流侵蚀中的作用

试验采用人工模拟降雨方法,对薄层水流侵蚀的两个阶段——雨滴击溅及径流侵蚀进行了模拟试验研究。得出:在消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀的主要营力为薄层水流的拖拽力（τ=rhsinα）,且径流侵蚀量S_R与τ有下列关系式: S_R=921.497τ^1.713 r=0.876 α=0.017 以上式为基础,即可从有雨滴打击作用下所产生的侵蚀量中推算出径流侵蚀量S_R与雨滴侵蚀量S_Rd。结果表明:S_Rd一般占总侵蚀量的70%以上,最高可达95%,说明薄层水流侵蚀所产生的泥沙绝大部分是由雨滴击溅所致。因此,笔者认为坡度较小地段的薄层水流侵蚀,应以消除或降低雨滴击溅作用为其主要防治措施。     

Effect of Raindrop Temperatures on Soil Runoff and Erosion in Dry and Wet Soils. A Laboratory Experiment

The effect of raindrop temperatures on runoff generation and erosion on clayey soil was investigated in sprinkling experiments with a laboratory rotating disk rain simulator. The experiments were applied to Rhodoxeralt (Terra Rossa) soil with two pre‐prepared moisture contents: hygroscopic and field capacity. For each moisture content, three rainfall temperatures were applied: 2, 20, and 35 °C. Erosion was generally lower in the pre‐wetted soil than in the dry soil (12.5 and 24.4 g m⁻² per 40 mm of rain, respectively). Whereas there was no significant effect of raindrop temperature on the dry soil, the soil that was pre‐moistened to field capacity was affected by rainwater temperature: runoff and erosion were high when the temperature difference between rainfall and soil surface was high, and sediment yields were 13·9, 5·2, and 18·3 g m⁻² per 40 mm of rain, for rain temperature of 2, 20, and 35 °C, respectively. It is reasonable to conclude that thermophoresis caused by thermal gradients within the soil solution reduces the stability of aggregates and then increases the soil losses. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

模拟降雨下黄土表土结皮的侵蚀响应

基于室内模拟降雨实验,对比分析有表土结皮、无表土结皮表面的溅蚀、坡面侵蚀过程,探讨表土结皮的侵蚀响应.结果表明,表土结皮对溅蚀量的影响与降雨历时有关,在短历时降雨(＜20 min)下,因有表土结皮表面存在松散细小颗粒,其溅蚀量大于无表土结皮表面;降雨历时＞20 min时,有表土结皮表面的溅蚀量表现出明显大于无表土结皮表面的趋势.有表土结皮表面的入渗率明显低于无表土结皮表面,因产流与入渗有紧密关系,表土结皮进而影响产流时间、产流量和产沙量;与无结皮表面相比,有表土结皮表面的产流时间提早,产流量快速增加,产沙量递增,易于发育细沟侵蚀.     

间歇降雨对红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

自然条件下降雨多以间歇形式出现,而坡面土壤侵蚀又是一个渐变发育的复杂过程。通过3个雨强(60,90,120 mm/h)、5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的15场室内模拟降雨,研究一、二次降雨条件下不同雨强、坡度及降雨量对红壤坡面径流和侵蚀过程的影响,探讨间歇降雨条件下坡面侵蚀发育过程及其主要影响因素的变化。结果表明:(1)二次降雨的产流时间相比一次降雨均提前,一次降雨径流总量受到雨强、坡度和降雨量的共同影响,15°坡度是径流总量变化的一个转折点,二次降雨时降雨量的作用减弱,各雨强下的最大相差倍数减小,各坡度之间的倍数差距也减小。(2)一次降雨发生细沟侵蚀最主要的动力是降雨强度,大雨强、陡坡情况下细沟侵蚀更容易产生,而15°坡度对细沟侵蚀的产生具有重要作用,此时若发生细沟侵蚀,坡面侵蚀则多以细沟侵蚀为主,二者侵蚀量呈正比例函数关系,二次降雨的细沟侵蚀量和一次降雨过程中细沟发育情况相关,一次降雨的细沟发育越剧烈,二次降雨的细沟侵蚀量越少,此时细沟侵蚀量和总侵蚀量呈一次函数关系。总体来说,侵蚀总量的变化和细沟发育所处阶段紧密相关。(3)间歇降雨条件下,不同雨强、坡度、降雨量对坡面土壤径流和侵蚀过程的影响存在差异;同时,一次降雨土壤径流和侵蚀的变化对后期二次降雨径流和侵蚀的发展具有重要影响,使得在不同土壤侵蚀发展阶段,雨强、坡度、降雨量等因子对坡面土壤径流和侵蚀影响的程度也随之改变。     

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。     

基于重心模型的西南山区降雨侵蚀力年内变化分析

降雨-植被耦合特征是决定土壤侵蚀的关键性要素,研究降雨侵蚀力的年内变化特征对于揭示不同区域降雨-植被的耦合特征、判定土壤侵蚀的危险期具有重要意义。该文利用中国西南山区439个气象站、水文站的逐日降雨量资料,估算了每个台站逐月降雨侵蚀力,并应用重心模型分析了西南山区降雨侵蚀力的年内变化特征。研究结果表明:西南山区春、夏、秋、季四季降雨侵蚀力变化明显,夏季最高,冬季最低。各季节的降雨侵蚀力空间分布与降水量相似,都表现出东南向西北逐渐递减的趋势。降雨侵蚀力年内分配曲线主要有"单峰型"和"双峰型"2种,绝大多数地区降雨侵蚀力年内分配曲线是"单峰型",峰值出现在6月、7月或8月份,青藏高原区域降雨侵蚀力年内分配曲线是"双峰型",有6月和9月2个峰值。从东南部向西北部,降雨侵蚀力峰值出现的月份不断推后。西南山区降雨侵蚀力重心年内先向北迁移,然后向南迁移,形成一个循环,这展示了季风气候影响下的西南山区降雨侵蚀力年内变化特征。     

中国降雨侵蚀力的时空分布及重现期研究

降雨侵蚀力是土壤侵蚀模型USLE的一个重要因子。基于中国中东部水蚀区18个气象站1961(1971)-2000年逐分钟降水数据和全国范围内774个气象站1961-2016年逐日降水数据,采用克里金插值方法,得到全国多年平均年、多年平均24个半月、不同重现期年和次侵蚀力空间分布特征,可满足USLE模型对侵蚀力因子相关参数输入的要求。交叉验证结果表明:以上所有指标的空间插值模型精度较好,模型有效系数NSE不低于0.74,偏差百分比PBIAS低于1%,均方根误差与观测值标准差的比值RSR小于等于0.51。侵蚀力年内变化曲线具有较好的区域相似性,使用K均值聚类分析方法将中国侵蚀力年内变化特征划分为4个区域,每个区域概化出一条侵蚀力年内变化曲线。     

降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化

为了进一步明确地表糙度在片蚀过程中的效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就场降雨和连续降雨条件下,地表糙度对片蚀的影响及其变化进行了研究。结果表明,场降雨条件下,实施人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于对照坡面;在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小、后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势。在雨强0.67 mm/min条件下,耙耱地、人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度均呈减小的变化趋势,而人工锄耕坡面的地表糙度呈增加的变化趋势;在雨强1.63 mm/min条件下,人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度呈减小的变化趋势,人工锄耕、耙耱地坡面的地表糙度却呈增加的变化趋势;对照坡面地表糙度的变化,与耙耱地相反。连续降雨条件下,在前二次降雨作用下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于对照坡面;在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且实施人为管理措施坡面均高于对照坡面。不同降雨条件下,实施人为管理措施坡面地表糙度对片蚀具有一定的抑制效应,且坡面片蚀的发展与地表糙度间的变化表现出相应的互动作用。该文研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原坡耕地的水土流失治理奠定理论基础。