产流积水法测量坡地降雨入渗动态过程及其精度估计

坡地土壤的降雨入渗性能对于水文过程、土壤侵蚀、水资源相关方面的研究和实践非常重要。产流积水法采用由实验得到的数据，分析了不同坡位土壤入渗率及累积入渗量随降雨时间的变化过程。结果表明不同坡位入渗过程曲线反映了坡面径流到达前后，实际入渗率从降雨强度控制阶段跃升到入渗性能控制阶段，并最终趋于稳定入渗率的全过程。入渗区不同坡位的累积入渗量从坡顶至坡底逐渐减少，而且径流在坡面上推进速度越快不同坡位上的累积入渗量差值越小。通过理论分析，确定了观测径流推进距离误差所引起的测量结果的误差。用水量平衡原理对产流积水法实验结果进行精度估计，并提出了由实测入渗率求入渗水量的解析方法，并将此与实际降雨量进行比较，间接地估计了测量结果的精度。结果表明，产流积水法测量坡地降雨/径流入渗性能具有很高的精度。     

极端暴雨下裸地坡面径流及壤中流中碳素输移特征

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(90、120、150 mm?h^-1)和坡度(5°、8°、15°、25°)条件下,南方风化花岗岩母质土壤红土层裸地降雨坡面径流和壤中流中总碳(Total carbon，TC)的流失量及流失过程,并分析了雨强和坡度对TC流失量的影响。结果表明，在坡面径流中，坡度和雨强的增大对碳素质量浓度变化过程影响较小，且流失率曲线与质量浓度曲线呈极显著相关关系，TC流失率变化主要受质量浓度的影响；在壤中流中，TC质量浓度曲线呈现出迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势；在试验条件范围内，各坡度条件下，随着雨强的增大，坡面径流中TC流失量增大，而壤中流中TC流失量减小；在大雨强下，坡面径流中TC流失量与坡度没有明显的线性关系，而随着雨强的增大，坡度与壤中流中TC流失量线性关系明显增加；在试验雨强和坡度下，雨强对TC流失总量和坡面径流中TC流失量的影响较坡度更显著，而在壤中流中坡度的影响则更显著。径流中碳素流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系, R²＞0.800。结果可为我国南方风化花岗岩母质土壤裸坡径流中TC单位面积流失量的估算提供依据。     

基于短历时Philip入渗公式的产流模型

在分析积水入渗条件下短历时Philip入渗公式特点基础上,建立了基于短历时Philip积水入渗公式的降雨产流模型。模型显示地表积水时刻与雨强平方成反比。利用降雨强度为0.082 cm/min、坡度为15°情况下实测累计降雨产流量推求了模型参数吸渗率,并利用获得的S分别计算了雨强为0.214 cm/min、坡度为5°,雨强为0.133 cm/min、坡度为5°和雨强为0.133 cm/min、坡度为15°情况下累积径流量,相对于实测累积径流过程,计算相对误差都在10%内,可以满足精度要求,说明基于短历时Philip入渗公式建立的降雨产流模型可以用于描述坡面降雨产流过程。     

模拟降雨条件下含砾石土壤的坡面产流和入渗特征

模拟降雨条件下研究了含砾石土壤的入渗过程,分析了砾石含量和坡度对土壤坡面产流时间和入渗的影响。研究结果表明:含砾石土壤的坡面产流时间与砾石含量和坡度密切相关,当坡度>5°时,产流时间与砾石含量呈线性负相关。当坡度<5°时,不同砾石含量的土壤入渗能力表现出明显差异;砾石含量为20%~30%时,土壤入渗相对增加;当坡度>10°时,砾石含量对入渗能力的影响不明显。利用Kostiakov入渗经验模型可以很好地模拟含砾石土壤的降雨入渗过程,模型中的经验系数K能够反映出降雨开始1 min内坡度和砾石含量对入渗的影响。     

黄土丘陵区不同坡度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

降雨特征和坡度是影响土壤入渗过程的重要因素,在植被恢复过程中,其对土壤入渗特征的影响可能会有所不同。选取黄土丘陵区6个坡度(5°,10°,15°,20°,25°和30°)的撂荒草地(2年)径流小区(5 m×20 m),观测自然降雨条件下(共计34场降雨,产流11场)植被生长旺期(7—9月)土壤入渗特征,研究降雨过程参数(降雨量、平均雨强、降雨历时和I_(30))、坡度和植被盖度对坡面入渗特征的影响。结果表明:(1)11场产流降雨不同坡度土壤入渗量总体变化范围为6.58～70.91 mm,入渗补给系数为0.83～1.00,入渗率为0.22～19.35 mm/h;(2)土壤入渗量随降雨量呈线性增加(R~2=0.99,p0.01),入渗补给系数随I_(30)呈指数降低(R~2=0.91,p0.01),平均入渗率随降雨强度呈线性增加(R~2=0.71,p0.01),随降雨历时呈幂函数降低(R~2=0.99,p0.05);(3)坡度增大使得径流位移增长,导致入渗量、入渗补给系数和平均入渗率整体随坡度增大而呈幂函数增加,但当坡度25°时,因径流势能沿坡面方向分量增加,径流流速加快,上述入渗特征参数略有降低;(4)由于降雨量在植被生长周期内呈下降趋势,很大程度上导致植被对入渗特征的影响受控于降雨量,土壤入渗量表现出随着植被盖度的增加呈幂函数显著下降的趋势。总体而言,降雨特征和坡度是影响土壤入渗的主要因素,且土壤入渗特征参数可表示为降雨过程参数和坡度的综合幂函数方程;在入渗补给系数较高的情况下,植被覆盖对土壤入渗特征的影响减弱。研究结果对于坡面尺度降雨径流调控机制和生态水文过程研究具有重要意义。     

不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征

坡度和作物生育期是影响坡耕地土壤入渗性能的关键因素,作物生长导致土壤特性及根系变化进而影响坡面入渗过程。通过人工模拟降雨试验,设计4个坡耕地坡度(3°,5°,10°,15°)及2个降雨强度(40,80 mm/h),在谷子4个生育期(拔节初期、拔节中期、抽穗初期、灌浆初期)开展试验,探究坡度和生育期对谷子坡耕地土壤入渗特征的影响机制,并结合入渗模型(Horton、Kostiakov、Philip模型)对谷子坡耕地土壤水分入渗过程进行拟合并评价其适用性。结果表明:(1)随坡度增加土壤入渗能力下降,与3°相比,15°坡耕地土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别减小30.76%~52.38%,21.28%~37.50%和22.51%~43.55%。(2)随着谷子生育期的延长,土壤入渗能力显著增加,与拔节初期相比,灌浆初期时土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别增加23.81%~80.00%,20.83%~40.00%,17.84%~54.10%,表现为拔节初期<拔节中期<抽穗初期<灌浆初期。(3)通过对入渗速率实测值进行拟合,Horton模型对坡耕地土壤入渗过程拟合最好,且模型拟合参数具有物理意义。研究结果可为增加坡耕地降雨入渗、提高水分利用效率、减少坡耕地水土流失提供理论依据。     

模拟降雨入渗对岷江流域红壤坡面产流产沙的影响

采用室内模拟降雨研究了不同降雨强度和坡度对岷江流域红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响。结果表明:在不同降雨强度下,随坡度的增加,初始产流时间趋于提前;随降雨强度的增大,产流时间提前,降雨强度对初始产沙时间的影响大于坡度变化的影响。在同一坡度条件下,径流强度随降雨强度的增加而增加,平均入渗率随降雨强度的增加表现为先增大后减小的趋势。50mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后20min开始趋于稳定;75mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后15min开始趋于稳定;100mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后10 min开始趋于稳定,径流强度和平均入渗率趋于稳定的时间均随雨强的增大而明显提前,各个时刻的径流强度和入渗率的稳定值在降雨过程中并不稳定,表现为随降雨强度和坡度的增大,波动愈剧烈。坡面产沙量随坡度和降雨强度的增大而增大,当坡度由5°增大到10°时,产沙量急剧增加;当坡度由10°增加到30°时,产沙量增速趋缓,侵蚀产沙量没有出现临界坡度。坡面产流强度和入渗率随时间的变化关系分别服从幂函数和对数函数规律,不同降雨强度下的径流深和产沙量也呈现出显著的正线性关系。     

不同雨强条件下坡度对坡地产汇流及溶质运移的影响

为了分析坡度对坡面产汇流和溶质运移的影响,以室内土槽为平台,采用人工模拟降雨实验,研究了坡度为5°,10°和15°,雨强为30,60和120 mm/h条件下植被坡地的入渗总量、坡面流流速、地面径流以及地面径流中Br-,NH4+和NO3-的浓度变化.结果表明,在其它影响因素相同的情况下,随着坡度的增大,坡面平均流速增大,地面径流总量增加,入渗总量减少、地面径流初始产流时间和径流终止时间均呈减小趋势,地面径流中Br-浓度变化不大,变化曲线几乎重合,NH4+浓度总体上呈递减趋势,且随着降雨强度的增大,这种递减趋势越显著,NO3-的规律性不明显.用幂函数关系可较好地拟合出坡面平均流速与坡度的关系.     

半干旱典型草原区退耕地土壤结构特征及其对入渗的影响

坡地土壤降雨入渗、径流和侵蚀过程与土壤结构密切相关.试验样地为宁夏固原云雾山自然保护区的坡耕地、退耕6a、退耕11 a(前8 a放牧,后3 a禁牧)和退耕16 a坡地,室内测定土壤结构指标,野外采用基于径流-入流-产流方法的新型降阿仪器在17、43和56 mm/h雨强下观测坡地土壤的入渗性能,分析土壤结构特征对入渗的影响.对土壤结构的稳定性指标、孔隙性指标和分形维数指标进行分析,结果表明,随着退耕年限的延长,土壤团聚体稳定性增强,土壤结构孔隙状况得到明显改善.模拟降雨结果显示,随着雨强的增大,退耕地的土壤入渗率增加,但坡耕地反而降低.退耕11 a样地受放牧牲畜践踏影响,入渗性能最差.通过逐步同归分析可知,在17 mn/h和56 mm/h阿强下,影响土壤稳定入渗率的土壤结构因子主要是容重和有机碳含量,而在43 mm/h雨强下主要是毛管孔隙度和非毛管孔隙度.土壤有机碳含量和孔隙状况的差异致使土壤结构特征不同,从而对入渗性能和过程产生明显的影响.     

坡耕地施加PAM对土壤抗冲抗蚀能力影响试验研究

提出了采用人工模拟降雨试验数据直接计算临界抗剪切应力的方法。该方法以水流动力学原理为基础,通过观测到的初始坡面侵蚀发生位置、雨强、土壤入渗率及测定坡面的平均流速来计算土壤的临界抗剪切应力。通过不同试验条件,分析了坡度、地表PAM处理对土壤临界抗剪切应力的影响。试验条件为:雨强100mm/h,3种坡度:10°、20°、25°(17.63%、36.4%、46.63%),4种PAM覆盖度:40%、60%、80%、裸地。结果表明,随着坡度的增加,临界抗剪切应力减小;随着PAM覆盖度的增加,临界抗剪切应力相应增加     

山东土石山区坡耕地水土流失影响因子定量分析

对山东省临朐、蒙阴、泰安、文登4个水土保持试验站坡耕地径流小区进行径流量和侵蚀量观测,并分别在不同作物、不同坡度、不同坡长、不同降雨条件下,分析径流小区所产生的径流量和侵蚀量的变化规律。结果表明：在相同地形条件下,玉米、花生、小麦＋花生、小麦＋大豆径流小区内的降雨量、降雨强度与径流量、侵蚀量呈线性关系,径流量和侵蚀量变化幅度大小依次为玉米〉花生〉小麦＋花生〉小麦＋大豆;不同坡长、不同坡度花生径流小区的降雨量、降雨强度与径流量、侵蚀量呈线性关系,径流量和侵蚀量随坡长、坡度的增大而增加;在相同坡度、相同坡长条件下,径流量和侵蚀量随降雨量和降雨强度的增大而增大,其增加幅度分别在降雨量50.0-79.9mm、降雨强度〉50mm／h级别时达到最大。     

红壤丘陵区坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响

坡长对坡耕地土壤侵蚀的影响随雨强的不同而变化,为解决南方红壤丘陵区坡耕地水土流失问题,该文采用野外人工模拟降雨的方法,研究了南方红壤丘陵区作物覆盖坡耕地上不同雨强下坡长对其土壤侵蚀的影响,并探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长,结果表明:产沙量随坡长延长整体呈增大趋势,但存在一定的波动,二者的关系可用幂函数(决定系数0.84)表示。坡长延长相同长度时,产沙量不呈比例增加,但每隔4 m产沙量增量有减少的趋势,且径流侵蚀产生的泥沙中主要为粒径0.002~0.02 mm的粉粒及粒径0.002 mm的黏粒,加剧了耕地土壤粗化,因此,可每隔4 m设置水土保持措施,有效减少坡耕地水土流失。坡面径流侵蚀产沙量随着雨强的增大而增加,坡长越长,产沙量随雨强增加速度越快,二者呈幂函数关系(决定系数0.76),60 mm/h是红壤丘陵区侵蚀增强的临界雨强;雨强、坡长与产沙量均呈正相关关系,且雨强对坡耕地产沙量的影响较坡长大。对不同雨强下坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响研究,可以为南方红壤丘陵区坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。     

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。     

人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程

为了研究人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程,利用人工模拟降雨系统和变坡土槽,分别采用140,160,190mm/h的雨强和10°,15°,20°,25°的坡度,对经过简单人工处理的红壤坡面在超大雨强降雨条件下的产流产沙响应过程进行了试验。结果表明:经过简单人工处理的红壤坡面在140~190mm/h超大雨强下的土壤侵蚀模数明显低于50~120mm/h雨强下未进行相应处理的坡面,细沟发育较为缓慢,对坡面土壤的处理方式能够有效提高坡面的抗侵蚀能力。在同雨强下,随着坡度的增加,产流时间先延长后缩短,在20°~25°存在产流的临界坡度。侵蚀模数在同雨强下随着坡度的增大呈先增大后减小的趋势,且不同雨强的临界坡度不一致,雨强为140mm/h时侵蚀临界坡度为15°~20°,雨强为160mm/h和190mm/h时侵蚀临界坡度为20°~25°。总体来看,侵蚀过程受雨强的影响大于坡度的影响,雨强为140mm/h时,不同坡度的侵蚀过程均较为平稳,细沟发育微弱;雨强为160mm/h时,侵蚀有所加强,但侵蚀过程无明显规律;雨强为190mm/h时,侵蚀主要发生在降雨的前30min,且细沟发育相对较为剧烈,30min之后趋于稳定。     

不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明:1)坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前;2)坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系,径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系,入渗率在雨强为30~120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值;3)侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大,其与坡度之间的关系可以用幂函数表示,决定系数均达到0.815,与雨强之间为指数函数关系,决定系数均达到0.889以上;4)水力侵蚀对泥沙具有分选性,径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多;5)坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述,对产沙量的影响权重排序为:含沙量雨强径流系数坡度。     

不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响

[目的]研究不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响,为认识红壤侵蚀过程和水土流失防治提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了不同降雨强度、不同坡度对华南红壤坡面降雨产流过程和侵蚀产沙过程的影响。[结果](1)相同坡度条件下,坡面径流量、侵蚀产沙量均随着雨强的增大而线性增大;相同雨强下,径流量随坡度的增加而减小,而产沙量随着坡度的变化比较复杂;(2)雨强和坡度共同影响着坡面产沙过程,当雨强小于等于180mm/h时,产沙量随坡度的增加而增大,在240mm/h出时呈现先增加后减小的趋势,在15°附近出现临界坡度。在降雨初期,径流率表现为波动增加过程,15min后趋于平稳,一直持续到降雨结束,其中雨强为240,180mm/h时波动较为剧烈,而产沙率呈现急剧而短暂的上升后迅速下降,在大雨强、陡斜坡条件下此现象尤为明显;(3)坡面径流平均流速与单宽流量、坡度比存在显著的幂函数关系,流速与径流量、侵蚀产沙量有着类似的变化规律。[结论]红壤侵蚀过程中雨强为主要影响因素,坡面流速可作为表征红壤坡面侵蚀特征的重要因子。     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

黄土坡面坡长对侵蚀一搬运过程的影响研究

通过不同降雨强度的模拟降雨试验,研究了15°时坡面坡长对黄土坡面侵蚀--搬运过程的影响.结果表明,坡面径流量随坡长的增加而增加,在50和75 mm/h降雨强度下,坡面径流量随坡长增加的幅度基本相同,在100 mm/h降雨强度下,当坡长小于5 m时,坡面径流量随坡长的增加幅度较小,而当坡长大于5 m时,坡面径流量随坡长增加的速率明显增大.在8 m坡长内,坡面侵蚀量随坡长变化呈波状起伏的交替变化;随坡长增加,坡面侵蚀现象呈现以侵蚀--搬运过程为主与以侵蚀--沉积过程为主的交替现象.     

胶东铁路弃土弃渣体产流产沙特征

通过人工模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对胶东铁路弃土弃渣体产流产沙的影响。根据青荣铁路沿线降雨和弃土弃渣体堆积特点,设计3种雨强(20,40,60mm/h)和3个坡度(20°,30°,40°)。结果表明:(1)当降雨强度由20mm/h增加到60mm/h,产流开始时间可缩短11~20s;当坡度由20°变化到40°,产流开始时间可提前17~22s。(2)径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。(3)相同坡度条件下,雨强40 mm/h下的径流量较20 mm/h时增加37.3%~122.6%,产沙率约为20mm/h时的1.5~19.5倍;而雨强60mm/h下的径流量较40mm/h时仅增加19.1%~26.7%,产沙率仅为40mm/h时的62.5%~151.8%。(4)相同雨强条件下,坡度对径流量、产沙率的影响存在临界坡度(30°~40°),径流量、产沙率随坡度的增大先增加后减小。(5)弃土弃渣体坡度为30°时坡度对坡面侵蚀量的贡献率大于雨强贡献率;而40°时雨强贡献率明显超过坡度。研究结果可为胶东半岛区域铁路项目建设期间弃土弃渣体的水土流失监测及防治提供技术支撑。     

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。