黄土坡面汇流汇沙对浅沟侵蚀影响的试验研究

采用供沙土槽与试验土槽双土槽径流小区的人工模拟降雨试验，研究了不同含沙水流、不同降雨条件下坡面汇水汇沙对浅沟侵蚀过程的影响。结果表明，坡面浅沟侵蚀过程以侵蚀一搬运过程为主，当雨强为64mm／h和116mm／h时，坡面汇水使坡下方浅沟侵蚀产沙量分别增大26．2％～82．5％和23．5％～58．7％，坡面汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量随坡面汇水含沙量的减小和降雨强度的增加而增大。     

基于双土槽试验研究的黄土坡面侵蚀产沙过程

 定量分析梁峁坡面各侵蚀带之间侵蚀过程中的相互作用及其影响机理,将为坡面侵蚀预报模型的建立提供重要的理论基础。利用供沙土槽和试验土槽双土槽径流小区,研究不同上方汇流含沙量、不同降雨强度和不同地表面条件下的黏黄土陡坡面(15°)上方汇流汇沙,对坡下方侵蚀产沙过程的影响。研究结果表明:上方汇流汇沙对坡面侵蚀产沙过程有重要影响,上方来沙不但被径流全部搬运,而且上方来水在试验土槽引起了净侵蚀产沙量,坡面侵蚀现象为侵蚀-搬运过程占主导地位。对于疏松土和紧实土处理,上方汇流引起坡下方的净侵蚀产沙量,分别占试验土槽全部产沙量的31.1％-97.3％和45.1％-89.7％。上方汇流引起坡下方净侵蚀产沙量随降雨强度的增加而增加,同时受土壤容重和下垫面细沟侵蚀发展过程的综合影响。土壤容重影响坡面侵蚀的发生和发展,而坡面侵蚀产沙过程与细沟发育过程相对应。     

上方汇水汇沙对坡面侵蚀过程的影响

利用双土槽系统径流小区(供沙土槽和试验土槽),定量研究了不同上方汇水含沙量、降雨强度和地面条件下上方汇水汇沙对粘黄土坡下方侵蚀产沙过程的影响。结果表明:对于疏松土和紧实土处理,上方汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量S分别占总侵蚀产沙量Sft的72.4%～92.7%和45.5%～83.7%。试验土槽接受上方汇水汇沙后,疏松土和紧实土处理时坡下方径流含沙量分别增加2.4～6.1倍和1.4～3.6倍。上方汇水汇沙对坡面径流速度和细沟发育过程的影响与降雨强度和土壤容重紧密相关,坡面侵蚀产沙变化过程与细沟发育过程相对应。     

坡面降雨侵蚀和径流侵蚀研究

降雨侵蚀过程包括径流侵蚀作用和雨滴打击作用两个方面,传统的单径流小区降雨试验难以区分二者对坡面侵蚀的贡献。通过双土槽人工降雨试验,研究了降雨侵蚀和径流侵蚀的关系及二者对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明;在坡度和降雨强度一定时,坡上方来水量引起坡下方侵蚀产沙量随着上方来水量的增大而增大;在坡度一致和坡面径流量基本相同时,降雨侵蚀产沙量大于供水径流的侵蚀产沙量,降雨强度增大１倍时,坡面侵蚀产沙量增大约５０     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

上方来水来沙对细沟侵蚀产沙过程的影响

利用双土槽系统径流小区 (供沙土槽和试验土槽 ) ,定量研究了不同上方来水含沙量和不同降雨强度下 15°坡面上方来水来沙对坡下方细沟侵蚀产沙过程的影响。结果表明 ,坡上方来沙量不但被径流全部搬运 ,且坡上方来水在坡下方细沟侵蚀槽引起另外的侵蚀产沙量 S。坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主。上方来水对细沟侵蚀产沙的贡献受上方来水含沙量和降雨强度的影响。降雨强度的增加或上方来水含沙量的减少 ,使 S值的增加更为显著     

上方来水来沙对细沟侵蚀产沙过程的影响

利用双土槽系统径流小区 (供沙土槽和试验土槽 ),定量研究了不同上方来水含沙量和不同降雨强度下 15^°坡面上方来水来沙对坡下方细沟侵蚀产沙过程的影响。结果表明,坡上方来沙量不但被径流全部搬运,且坡上方来水在坡下方细沟侵蚀槽引起另外的侵蚀产沙量 S。坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主。上方来水对细沟侵蚀产沙的贡献受上方来水含沙量和降雨强度的影响。降雨强度的增加或上方来水含沙量的减少,使 S值的增加更为显著.     

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.     

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。     

两种驱动力作用下植被调控堆积体坡面减水减沙效益

定量分析侵蚀驱动力的变化对于植被调控堆积体坡面水文和产沙过程的影响,对于深刻理解植被防护堆积体侵蚀及其水土保持效益具有重要作用。该研究以陡坡工程堆积体(30°)作为研究对象,采用野外模拟降雨和降雨+上方汇水试验研究苜蓿对工程堆积体侵蚀过程的影响及其减水减沙效益。结果表明:1)两种驱动力下苜蓿对工程堆积体坡面减沙和减流效益分别为57.28%～98.51%和13.17%～83.11%,加入上方汇水后减沙和减流效益分别减少17.01%和68.74%;2)降雨条件下苜蓿对堆积体坡面减流减沙效益随降雨强度增大降低,而加入上方汇水后减沙效益随降雨强度增大而增大,但减流效益减小。显著性差异分析表明降雨强度对裸坡和苜蓿堆积体的径流和产沙均有显著影响(P0.01),且上方汇水的作用大于降雨;3)两种驱动力下裸坡堆积体侵蚀速率总体随产流历时减少,而苜蓿堆积体在降雨条件下侵蚀速率总体增大。加入上方汇水后裸坡及苜蓿堆积体坡面侵蚀和径流随产流历时的波动性显著增强;4)裸坡堆积体在降雨和降雨+上方汇水条件下产流前期的平均侵蚀速率是后期的1.06～2.90倍,苜蓿堆积体在降雨条件下产流前期平均侵蚀速率小于后期。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失防治和植被措施布设提供科学指导,具有显著的科学意义和工程实践指导价值。     

上方来水对浅沟侵蚀产沙的野外放水冲刷试验研究

浅沟通常发生在黄土高原地区陡坡农耕地上,是黄土高原丘陵沟壑区一种独特的微地貌现象,影响着坡面降雨产汇流过程和侵蚀产沙数量。以黄土丘陵沟壑区坡面浅沟为研究对象,通过野外典型浅沟径流小区放水冲刷试验,研究上方来水对浅沟侵蚀产沙及输沙规律的影响。结果表明:浅沟径流率随着上方来水流量的增大而不断增大;产沙率随着上方来水流量的增大而增大。含沙量大小顺序为上方来水流量15L/min,下方水流量10L/min时含沙量>上方来水流量10L/min,下方水流量10L/min时含沙量>无上方来水,下方水流量10L/min时含沙量>上方来水流量5L/min,下方水流量5L/min时含沙量>无上方来水,下方水流量5L/min时含沙量。有上方来水比无上方来水含沙量增大1.39～2.46倍。     

不同逆坡耕作强度对干热河谷区坡耕地水蚀的影响

为了研究不同逆坡耕作强度导致的土壤位移对坡面水蚀的影响,以金沙江干热河谷区坡面径流小区为研究对象,在径流小区5°,10°,15°坡面上,进行单宽流量为0.6 m^2/h的放水试验。在10°坡面的下坡位置设置0.05,0.10,0.20 m土层深度,分别代表连续耕作80,69,46年导致下坡位置土壤损失土层变薄情况。通过收集径流小区出口的产流量和产沙量,研究在不同坡度上的不同逆坡耕作强度导致的土壤位移对坡面产流率、产沙率、总流量和总产沙量的影响。结果表明:(1)在10°坡面,耕作年限越长,产流越快,不同耕作强度(年限)的产流率、总产流量、产沙率和总产沙量均表现46年<69年<80年的变化趋势,说明长期逆坡耕作导致的土壤位移加速了坡面水蚀的发生;(2)在耕作69年的坡面,坡度越大,产流越快。在测定坡度范围,产流率、总产流量、产沙率和总产沙量均表现出5°<10°<15°的变化趋势,即坡度的增加明显增大了坡面水蚀;(3)随耕作侵蚀强度的增大,坡面产流率与产沙率间的指数增长关系越显著,而坡度的增大弱化了水沙指数函数关系。研究成果可为揭示干热河谷区逆坡耕作强度和坡度对水蚀的作用机理提供参考。     

Runoff,erosion and sediment particle size from smooth and rough soil surfaces under steady rainfall-runoff conditions

The responses of runoff and erosion to soil surface roughness (SSR) have been extensively studied in the past decades; however, most of these studies were conducted at the early stage of rainfall, whereas few studies were specifically conducted during steady runoff conditions. In this study, runoff, soil losses and sediment particle sizes from smooth and rough surfaces were measured after surface runoff stabilisation to improve the understanding of the relationship between SSR and soil erosion. A cascade of two independent soil boxes in which the runoff samples from upslope and downslope boxes can be collected independently or together was used to perform the experiments. The upslope box supplied runoff to the downslope study box. Three rainfall intensities of 50, 75 and 100 mm/h were applied. The results suggest that SSR has a significant effect on soil erosion when runoff reaches a steady state. Although the difference in the runoff rate was small between the rough and smooth surfaces, the sediment rate and concentration of particles were significantly lower for the rough surface than for the smooth surface. Through analysing the particle size distribution (PSD) of sediment, we found that selective sediment delivery is an important reason for the soil erosion reduction by SSR. The rainfall intensity decreased the difference in the sediment rates between the smooth and rough surfaces. The extra inflow increased the runoff rates, sediment rates and concentration rates for both the smooth and rough surfaces; however, the increasing degrees of the runoff rate, sediment rate and concentration rate had significant differences between the rough and smooth surfaces. A stepwise multiple regression showed that significant linear relationships existed between one or more PSDs of 20–50, 50–100, 100–250 and 1000–2000 µm and the sediment rate.     

土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下，利用室内人工降雨试验，研究了土壤初始含水率对坡面降雨入渗、湿润锋运移及土壤水分再分布规律的影响。结果表明：初始含水率越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定入渗率的时间也越短；当初始含水率均匀分布时，降雨入渗和再分布过程中湿润锋面平行坡面垂直向下整体运移，坡面降雨入渗过程可以简化为一维；当初始含水率非均匀分布时，初始含水率越高，再分布过程中湿润锋的运移速率越大，但在降雨入渗过程中，湿润锋的运移速率与土体的湿润程度和范围有一定的关系；坡面上方来水(径流)虽然对湿润锋运移速率影响不大，但对入渗有一定的促进作用；再分布过程中，土壤水分有沿坡向下运移的趋势。     

玉米季横垄坡面土壤剥蚀率与径流含沙量关系

为明确玉米全生育期横垄坡面土壤剥蚀率与径流含沙量之间的关系,以川中丘陵紫色土区坡耕地为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,开展玉米全生育期土壤剥蚀率和径流含沙量变化特征研究,并分析土壤剥蚀率与径流含沙量之间的关系。结果表明:(1)玉米全生育期土壤剥蚀率随降雨强度的增大而增大,2.0mm/min降雨强度条件下土壤剥蚀率分别为1.5,1.0mm/min降雨强度条件下的1.87,4.59倍;同一降雨强度条件下,土壤剥蚀率在玉米生长过程中先降低后增加,苗期显著高于其他生育期。(2)不同降雨强度条件下,产沙量随玉米生育期的推进先降低后增加,苗期最大(306.6g),抽雄期最小(64.6g);除玉米抽雄期外,其他各生育期产沙量随降雨强度的增大逐渐增加,且苗期和拔节期产沙量在降雨强度间差异显著;玉米各生育期径流含沙量在降雨过程中呈波动变化的趋势,降雨强度越大,其波动幅度越强。(3)玉米全生育期土壤剥蚀率与径流含沙量呈幂函数关系,且两者间达到极显著水平。研究结果可为揭示紫色土区坡耕地水蚀机理和区域水蚀预测预报模型构建提供理论依据。     

由降雨事件引起的坡面产流和土壤侵蚀的元胞自动机模拟

A novel quantitative cellular automata (CA) model that simulates and predicts hillslope runoff and soil erosion caused by rainfall events was developed by integrating the local interaction rules and the hillslope surface hydraulic processes. In this CA model, the hillslope surface was subdivided into a series of discrete spatial cells with the same geometric features. At each time step, water and sediment were transported between two adjacent spatial cells. The flow direction was determined by a combination of water surface slope and stochastic assignment. The amounts of interchanged water and sediment were computed using the Chezy-Manning formula and the empirical sediment transport equation. The water and sediment discharged from the open boundary cells were considered as the runoff and the sediment yields over the entire hillslope surface. Two hillslope soil erosion experiments under simulated rainfall events were carried out. Cumulative runoff and sediment yields were measured, respectively. Then, the CA model was applied to simulate the water and soil erosion for these two experiments. Analysis of simulation results indicated that the size of the spatial cell, hydraulic parameters, and the setting of time step and iteration times had a large impact on the model accuracy. The comparison of the simulated and measured data suggested that the CA model was an applicable alternate for simulating the hillslope water flow and soil erosion.     

黄土坡面下坡位土壤侵蚀过程的模拟试验

在中国科学院水利部水土保持研究所,采用2个不同坡长小区室内模拟降雨试验方法,对黄土坡面下坡位侵蚀过程进行研究。结果表明：1）坡面下坡位侵蚀模数随降雨过程、降雨强度及坡度的变化均具有大小交错,上下波动的特征,侵蚀模数随降雨过程的变化总体呈先上升后趋于稳定的态势,随降雨强度的增大而增加,随坡度的增大而先增大后减小,再增大再减小;2）坡面上、下坡位侵蚀模数随降雨过程、坡度及降雨强度的变化均具有明显差异,下坡位明显不如上坡位;3）坡面上坡位汇流和下坡位产流与坡面上坡位输沙对坡面下坡位侵蚀模数的影响可用二元线性方程很好地描述,前者的贡献率为47．8％,后者为20．4％;只通过观测分析小区平均侵蚀特征得出的坡面侵蚀过程,掩盖了坡面下坡位的真实侵蚀过程,采取水土保持措施减少坡面上坡位汇流及增加降雨就地入渗,可以有效地治理坡面下坡位的水土流失。     

坡度对降雨溅蚀影响的研究

利用可以分别收集不同方向溅蚀土样的土槽装置,选取9个坡度(5°~45°),采用北京的普通褐土,借助人工模拟降雨手段研究了降雨溅蚀的发生过程及溅蚀量与坡度的关系。结果表明,随着坡度的不同,各方向的溅蚀过程呈现三种形式:(1)产流前溅蚀率较小,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并逐渐达到稳定,峰值与稳定溅蚀率相差2倍以上;(2)产流前溅蚀率最大,产流后迅速减小并趋于稳定;(3)整个降雨过程中没有明显起伏。各个坡度下,次降雨溅蚀量均为上坡最小,下坡最大。上坡和侧坡溅蚀量与坡度成负相关,可分别用直线和指数函数拟合。下坡溅蚀量、溅蚀总分散量和溅蚀净搬运量均随着坡度的增大而先增大后减小,且为线性关系,临界坡度为35°。本研究将有助于深入理解降雨溅蚀侵蚀机理,并可为布设水土保持措施提供理论依据。