黄土丘陵区旱作枣园坡面径流与泥沙调控措施试验研究

黄土丘陵区严重的水土流失是制约该区农业可持续发展的主要问题。近年来,退耕还林草政策使得该区枣树面积大幅增长,但不合理的枣园管理制度(清耕制)更加剧了水土流失等自然灾害。采用模拟试验手段,研究了枣树枝全园覆盖,白三叶全园、行间生草及行间生草+冠下枣树枝覆盖处理下坡面径流、泥沙过程,对径流量、泥沙量与盖度的关系及径流与泥沙关系进行了定性定量分析,探讨了适宜的径流-泥沙调控措施。结果表明,枣树枝及生草覆盖显著推迟了坡面径流产生的时间,且对坡面径流量及泥沙量有显著调控效应,以白三叶全园生草效果最佳。径流量与泥沙量随坡面覆盖度的增加呈指数型减小趋势。径流量与泥沙量散点分析表明二者呈非常好的线性关系,清耕处理下泥沙量较其他处理随径流量增大增加的更快。综合考虑,白三叶全园生草径流泥沙调控能力强,为该研究尺度下最优的坡面覆盖措施。     

沟蚀发育的黄土坡面上秸秆覆盖防蚀效果研究

为评价玉米秸秆这一廉价资源的防蚀效果,利用人工模拟降雨试验,研究在黄土高原典型高强度侵蚀性降雨条件下,不同玉米秸秆覆盖方式(沟头缓冲带覆盖、沟内填充覆盖)及其组合对沟蚀发育黄土坡面侵蚀的防治效果。结果表明,对于有细沟和浅沟发育的黄土坡面,不同方式秸秆覆盖可减少坡面侵蚀量8.3%~46.2%,降低径流含沙浓度19.1%~49.6%。其中浅沟沟头覆盖+浅沟侵蚀带沟道全覆盖(H+G)和浅沟沟头覆盖+浅沟侵蚀带主沟道覆盖+细沟沟头覆盖(H+MG+RH)2个处理的防蚀效果最佳,二者分别减少坡面侵蚀量45.0%和46.2%。秸秆覆盖通过改变坡面径流与侵蚀产沙量的关系而非减少径流量来减少坡面侵蚀量。不同方式的秸秆覆盖均可降低径流流速、减弱径流挟沙能力以及径流侵蚀力,进而减少坡面侵蚀量,其中,浅沟沟头秸秆缓冲带覆盖和浅沟沟槽内秸秆填充覆盖均可减小流速42.6%以上。比较2种覆盖方式,沟头缓冲带覆盖较沟内填充覆盖在减少侵蚀方面更有效。因此,在沟蚀发育的黄土坡面上,用玉米秸秆缓冲带覆盖侵蚀活跃的沟头部位可达到最优的防蚀效果。     

降雨和地形因子对黑土坡面土壤侵蚀过程的影响

通过室内模拟降雨试验,研究降雨强度和地形因子(坡度和坡长)对黑土区坡面土壤侵蚀过程的影响。试验处理包括2个降雨强度(50、100mm/h),2个坡度(5°、10°),2个坡长(5、10m)。结果表明:不同试验处理条件下,当降雨强度由50mm/h增加到100mm/h,坡面径流量增加1.4~12.4倍;当坡长由5m增加到10m,坡面径流量增加0.1~3.1倍;坡度对坡面径流量的影响较复杂,受降雨强度和坡长的综合影响。降雨强度、坡度和坡长皆对坡面侵蚀量有重要影响。当降雨强度由50mm/h增加到100mm/h时,坡面侵蚀量增加4.2倍;当坡度由5°增加到10°时,侵蚀量增加0.4倍;当坡长由5m增加到10m时,侵蚀量增加0.5倍,表明降雨强度增加对黑土区坡面侵蚀量影响最大。而当降雨强度、坡度和坡长均增大时,坡面侵蚀量增加18.0倍,说明这3个因素交互作用对坡面侵蚀的影响远大于各因素的单独影响或2个因素交互作用的影响。坡面径流量与降雨强度的关系最密切,其次是降雨强度-坡长交互作用和降雨强度-坡度-坡长交互作用;坡面侵蚀量与降雨强度-坡度-坡长交互作用的相关关系最显著,其次是降雨强度和降雨强度-坡长交互作用。分别建立了坡面径流量和侵蚀量与降雨强度、坡度和坡长的经验关系式。     

坡面草本植物对土壤分离及侵蚀动力的影响研究

植被是影响坡面水力侵蚀过程的重要因素,深入理解草本植物坡面不同降雨和径流特性对土壤分离的作用是研究土壤侵蚀动力学的基础。为此基于坡面土壤分离试验,通过定量测定2种草本植物草冠、根系对降雨和径流的影响,研究了不同侵蚀力作用下的土壤分离特征。结果表明,草本植物对坡面径流和泥沙具有重要的调控作用,相同覆盖度下狗尾草坡面的径流含沙量低于青蒿坡面(P0.05)。对比草本植物结构对坡面土壤分离的影响,植物根系对坡面的减沙贡献率均高于其冠层(P0.05),其中,青蒿草冠对于坡面降雨的阻滞作用高于狗尾草草冠(P0.05),而狗尾草根系的减沙效益高于青蒿根系(P0.05),这主要与草本植物叶面积指数(LAI)及根系形态分布有关,不同植物的根长密度与土壤分离率呈指数函数关系。坡面土壤分离过程受到侵蚀阻力的影响,在草本植物覆盖坡面,随着植物覆盖度的增加,颗粒阻力和波阻力均呈增大趋势。降雨侵蚀力和径流剪切力是坡面土壤分离的主要侵蚀动力,不同试验条件下草本植物对降雨和径流侵蚀力的降低值为189.21~698.92 J·mm/(m2·min)和6.27~20.38 kg/(m·s2),减弱系数分别为22.75%~84.04%和19.68%~63.97%。     

坡面苜蓿蓄水保土效益试验研究

黄土高原坡面侵蚀极为严重,导致坡面土地的生产力严重下降.通过对不同坡度坡面苜蓿降雨产流产沙的观测,以坡面玉米和裸地为对照,分析了坡面苜蓿的蓄水保土效益,结果表明:坡面苜蓿耗水较强,土壤含水量低于裸地和玉米地,降雨后苜蓿地产流明显低于裸地,5°、10°和15°坡面其蓄水效益分别可达73.48%,71.43%,69.55%,同时坡面苜蓿根系能有效防止径流冲刷,暴雨形成的冲刷沟深度小于裸地,其保土效益在5°、10°和15°坡面上分别可达91.90%、84.96%和81.02%.坡面种植苜蓿可有效拦截降水,减少坡面冲刷.     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

漓江含沙量预测及侵蚀坡面径流调控模式研究

为了探讨漓江含沙量变化及其流域内侵蚀坡面径流的调控对策,通过运用最小二乘支持向量机(LS-SVM)理论对漓江含沙量进行了预测,并依据漓江流域侵蚀坡面的类型、分布和侵蚀特征,分析研究了适用于漓江流域侵蚀坡面径流调控的技术方法。研究结果表明:基于LS-SVM所构建的预测模型能较准确快速的预测漓江含沙量;提出的4种径流调控技术模式具有分流、截沙、储水灌溉的生态功能,适用性强,对增强侵蚀坡面水土保持,解决漓江降沙减沙,缓解漓江生态环境压力具有重要的参考意义。     

不同截排水布置方式下坡耕地坡面产流产沙的模拟研究

为了改善坡面水系分段拦蓄径流泥沙的调控效益,采用室内人工模拟降雨试验,探讨l坡面集中汇流(T1)和"燕型"分流(T2)2种不同的控制排水措施下的坡面产沙产流过程。结果表明,与无措施坡面(CK)对比,2种不同排水布置方式均能显著延长径流急剧增加的历时,降低产流率增速,减少产流深46.61%~56.40%,使产流率与径流历时的对数拟合系数均达到0.85以上,且T2处理坡面产流率较T1处理变化更平稳,产流率和产流总量在各坡度均表现为T2处理T1处理CK;在5°、10°坡面,不同排水措施对径流挟沙调控效应表现为T1处理T2处理,在15°坡面则相反。而坡面径流含沙量与坡面累计产沙量变化并没有显著的对应关系;T1处理有利于削弱坡度对侵蚀量的影响,而T2处理对减少产流受坡度因子影响的效果更显著。     

雨型对东北典型黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响

基于人工模拟降雨试验,研究了雨型对东北黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响。根据典型黑土区侵蚀性降雨标准及雨型特征,试验设计了总降雨量相同(降雨量为87.5 mm)的5种不同雨型,即增强型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125 mm/h)、减弱型(降雨过程中降雨强度分布为125-100-75-50 mm/h)、峰值型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125-100-75-50 mm/h)、谷值型(降雨过程中降雨强度分布为100-75-50-75-100 mm/h)和均匀型(降雨过程中降雨强度保持75 mm/h不变),以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°)。结果表明,受前期预降雨的影响,各雨型处理的顺坡垄作坡面径流量差异较小,但坡面侵蚀量存在明显差异,其中峰值型雨型引起的坡面侵蚀量最大,分别是谷值型、减弱型、均匀型和增强型雨型处理下的1.20、1.63、1.78、1.80倍。引起侵蚀量较大的雨型(峰值型、谷值型和减弱型)在典型黑土区天然降雨中出现频次超过70%,这可能是该区夏季顺坡垄作坡面侵蚀作用强烈的重要原因之一。同一降雨强度在不同雨型中出现的时序不同,其产生的径流量和侵蚀量对总径流量和总侵蚀量的贡献率也不相同。除125 mm/h外,同一降雨强度出现在起始阶段产生的侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率显著大于其出现在其他阶段对坡面总侵蚀量的贡献率。     

荒漠草原坡面松土对地表径流抑制效果的研究

我国土壤侵蚀严重,草原区土壤侵蚀亦较为严重,雨季降雨雨大历时短,地表超渗产流,水力侵蚀带走草地坡面细颗粒土壤及养分,不利于坡面植被健康生长。抑制地表径流多以植物措施为主,但是天然草地由于植物栽植在无灌溉条件下不易成活。本文试图采取坡面松土技术,试验研究其对草地坡面径流拦蓄的影响,结果表明块状松土蓄水增渗效果较好,能有效拦蓄20%~25%的径流量用于土壤入渗,条带式松土拦蓄13%~17%的径流量用于土壤入渗。     

黄土堆积体植物篱减沙效益与泥沙颗粒分形特征研究

为探究植物篱措施对工程堆积体边坡的减流减沙效益及其对侵蚀泥沙颗粒分形维数的影响,以堆积体未防护边坡为对照,以不同放水流量对不同坡度堆积体植物篱防护边坡进行了放水冲刷试验。结果表明:与对照相比,植物篱边坡初始产流时间滞后100~500 s,其产流率、产沙率整体均较小,产流率在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱减流效率在4%~60%之间,减沙效率范围在15%~50%之间,减流减沙效率均随坡度和放水流量的增加呈幂函数形式减小;各处理侵蚀泥沙颗粒中粉粒均占主导地位,黏粒次之,砂粒含量最少。与对照小区相比,植物篱防护边坡侵蚀泥沙砂粒体积分数降低,黏粒和粉粒体积分数升高;黏粒富集率增加,砂粒富集率减小,泥沙颗粒分形维数增大。分形维数与黏粒和砂粒体积分数之间均呈极显著线性相关,侵蚀泥沙颗粒分形维数主要由黏粒体积分数决定。     

不同地表条件下土壤侵蚀的坡度效应

通过野外人工模拟降雨的方法，对不同地表条件下的径流和产沙的变化与坡度、降雨量、降雨强度等因素进行了相关分析，并在此基础上，就上述过程中的坡度效应进行了评价。结果表明，在相同降雨作用下，坡度对土壤侵蚀影响表现为：光滑地表大于中等粗糙地表大于粗糙地表；但在不同地表条件下，坡度与侵蚀和径流的相关性表现出不同。相对光滑地表，中等粗糙与粗糙的地表。在不同降雨作用下，径流量与侵蚀量，随坡度的变化，表现出不同的变化规律。且存在着一定的临界坡度。这一研究，为该区域坡耕地水土保持措施的配置提供了一定的理论依据，同时也可服务于黄土高原退耕还林（草）工程的实施。     

基于模拟降雨的北京褐土坡地土壤团粒流失特征试验

选取20°北京典型褐土坡面径流小区为试验对象,基于野外人工模拟降雨试验和有无雨滴打击作用对坡面侵蚀的影响,研究了坡面土壤团粒组成及其变化特征,揭示了坡面侵蚀过程中泥沙团粒的分离和输移规律。试验处理包括3种代表性降雨强度(35、65、100 mm/h)和3种植被盖度(0%、30%、80%)。结果表明,消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀特征变化明显,坡面含沙量和土壤分离率分别减少25.91%~31.15%和35.10%~41.20%,坡面侵蚀泥沙团粒中值粒径均小于雨滴击溅坡面。通过侵蚀泥沙有效粒径分布和最终粒径分布的比值(E/U)分析泥沙团粒的粒径分选特征,发现产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒多以团聚体形式存在,而粗粉砂以初级粒子形式存在;随着降雨历时延长,侵蚀泥沙各粒级的分离程度增加,泥沙颗粒逐步分解为初级粒子。坡面侵蚀泥沙分离规律表明,泥沙团粒结构变化与坡面水动力学特征密切相关,土壤团聚体分形维数(D)与时间(T)呈幂函数关系。坡面产流前雨滴击溅对土壤分离有重要作用,其对土壤分离贡献率为28.09%,而无雨滴打击坡面土壤团聚体分形维数增量是有雨滴打击增量的48.43%。在该区坡地泥沙颗粒输移过程中,稳定性较差的砂粒被分解为细小颗粒,粗粉砂多以初级粒子形式存在,对坡面侵蚀泥沙颗粒分离过程具有重要影响,而粘粒在侵蚀坡面则逐渐富集。     

黑土区坡耕地几种耕作措施水土保持效益研究

我国东北黑土区作为全国水土流失重点区域,其坡耕地的水土流失问题早已备受关注。【目的】采取保护性耕作措施可以大大降低坡耕地的水土流失强度,起到保水保肥的作用。【方法】在10°坡径流小区上,对比分析了黑土区不同耕作措施对坡耕地坡面产流、土壤侵蚀以及土壤养分的影响。【结果】竹节垄Ⅱ与横坡耕作相比,产流起始时间延长38 min,单次降雨径流量减少57.1%,产沙量减少51.9%;0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾平均质量分数分别提高5.89%、11.48%、16.54%、21.75%。【结论】在相同降雨条件下,横坡耕作、竹节垄Ⅰ、竹节垄Ⅱ较顺坡耕作均有不同程度的减流减沙作用,竹节垄Ⅱ效果最为明显。     

EN—1对砒砂岩固化土坡面径流水动力学特征的影响

为探讨砒砂岩地区工程边坡径流的侵蚀规律,通过室内模拟冲刷试验,对添加EN-1固化剂后不同固化剂掺量、养护龄期和压实度的边坡径流水动力学特征进行了研究.结果表明:在试验设计的固化剂掺量、养护龄期和压实度处理条件下,砒砂岩固化土坡面径流流速随固化剂掺量、养护龄期和压实度的增大而增大,且径流流速随冲刷的进行呈现出波动减小的趋势.径流雷诺数Re随固化剂掺量、养护龄期和压实度的增大而减小,且Re有随冲刷的进行而逐渐增大的波动变化趋势,而弗劳德数Fr的变化趋势正好与Re相反.除压实度在较小处理冲刷后期时径流流态为紊流和缓流外,其他处理都是层流和急流.径流Darcy - Weisbach阻力系数f随固化剂掺量、养护龄期和压实度增大而减小,且f与输沙率有一定的正相关关系.     

黄土高原人工锄耕地坡面填洼量特征

土壤侵蚀与径流有直接关系,而径流直接受填洼量的影响,因此坡面填洼量特征对研究土壤侵蚀机理有重要的现实意义。通过模拟自然地表坑洼填洼量,以人工锄耕为例,探讨了填洼量特征。结果表明:填洼量主要分布在0~40 mL范围,随坡度增加填洼量及总填洼量均随之减小;填洼量与坑洼深度和坑洼面积密切相关,其变化规律可用二次抛物线描述;填洼量直接影响坡面径流,填洼量增加,径流强度显著减小。     

非硬化路面侵蚀产沙规律野外模拟试验

为了科学治理非硬化路面水土流失，采用野外放水冲刷试验，对非硬化路面侵蚀产沙规律进行了试验研究。结果表明，同一坡度不同放水流量与同一放水流量不同坡度条件下，非硬化路面产沙随时间的变化形式均有3种，分别为平缓型、多峰型和单峰型。对同一路面不同观测断面的产沙量分析发现，产沙量沿坡面的空间变化形式分别为波动式减小、逐渐式减小和先增大后减小。、得出平均含沙量与放水流量呈对数相关，产沙率与放水流量、平均含沙量与坡度、产沙率与坡度均呈直线相关。以期为非硬化路面的水土流失预测和治理提供科学依据。     

不同密度砒砂岩风化物坡面水蚀机理试验研究

为研究砒砂岩风化物坡面水蚀机理,以期对鄂尔多斯水土流失治理提供数据参考,采用降雨模拟系统进行不同雨强、不同密度下降雨侵蚀试验,用直剪仪测得密度为1.7 g/cm³砒砂岩风化物的黏聚力和内摩擦角,揭示了各密度坡面入渗产流及侵蚀特点的成因.结果表明:密度为1.7 g/cm³的坡面稳渗率随雨强的增大而增大;对于1.5 g/cm³的坡面侵蚀量对入渗速率的敏感率最高,1.6 g/cm³的坡面侵蚀量对累积入渗深度的敏感率最高,而1.7 g/cm³的坡面侵蚀量对产流量的敏感率最高;抗剪强度和侵蚀量的时程曲线呈负相关并有一定的对应性.从直剪试验和敏感度分析的角度均表明造成1.7 g/cm³坡面侵蚀的主因是水流冲刷.     

输电线路塔基全风化花岗岩坡面径流冲刷侵蚀试验研究

经现场调查发现全风化花岗岩塔基的主要破坏形式之一为坡面冲刷,而目前全风化花岗岩坡面冲刷实验还没有相关报道.本文通过径流冲刷试验,研究了输电线路塔基全风化花岗岩边坡坡面冲刷的变化规律,并应用侵蚀模数的概念来评价坡面的抗侵蚀能力.同一种土体不同干密度冲刷试验结果表明,对于不同干密度的全风化花岗岩边坡干密度越大冲刷量越小;对于一定干密度的全风化花岗岩冲刷量随着时间的增加而增加,当坡面形成冲沟时冲刷量明显变大并最后趋于稳定;通过不同土体冲刷实验发现了两种极容易冲刷土体.