流域地貌分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系试验研究

流域地貌形态科学、准确和综合量化成为建立具有广泛适用性的流域土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一。分形理论的提出为流域地貌形态定量研究开辟了新的思路。本文依据分形理论，在建立小流域概化模型基础上，采用模拟降雨试验、高精度摄影测量和GIS技术，对流域模型地貌形态分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系进行了研究。结果表明，基于消除了降雨特征影响的相对输沙率，可将流域模型侵蚀产沙过程划分为初期、活跃期和稳定期3个阶段；在不同侵蚀产沙时段，流域模型地貌形态分形信息维数Di呈现与相对输沙率Sr基本类似的变化趋势，即先增大再减小、最后趋于平稳；流域模型相对输沙率Sr与地貌形态分形信息维数Dr以乘幂形式呈显著正相关，相关指数r^2为0．7423；地貌形态分形信息维数Dr较好反映了地貌形态特征对流域模型侵蚀产沙过程的影响，可以作为流域模型侵蚀产沙过程预报地貌形态特征综合量化指标。     

黄土高原坡耕地泥沙输移特征分析

在野外利用人工模拟降雨试验,分析了20,40,60m坡长下的输沙率、含沙量及累积产沙量—径流量的变化特征。结果显示,当雨强小于2.0mm/min时,最大输沙率出现在40m坡长;而当雨强大于2.0mm/min时,最大输沙率出现在60m坡长。在试验雨强范围内,最大含沙量总是出现在20m坡长。累积产沙量—径流量随时间变化趋于平稳。试验结果表明,为遏制黄土高原坡耕地水土流失,实践中应采取垄作等措施增加坡面糙度和改变坡面形态,防止在20m坡长形成高含沙水流和后续坡长的输沙率。     

紫色土区玉米季坡耕地片蚀过程研究

通过采用人工模拟降雨与微小区试验相结合的方法,研究玉米种植下紫色土坡耕地片蚀过程,分析雨强变化对片蚀产流产沙的影响。结果表明:随着雨强增加,玉米各生育期片蚀出现时间不断提前,片蚀过程产流总量不断减少,产流强度不断增加;含沙量和产沙强度不断增加,但增幅有所降低。不同雨强条件,片蚀出现时间均表现为抽雄期拔节期苗期成熟期;1.0mm/min,2.0mm/min雨强条件,片蚀过程径流总量和产流强度均表现为成熟期苗期拔节期抽雄期;1.5mm/min雨强条件,表现为成熟期拔节期苗期抽雄期。1.0mm/min雨强条件,产沙强度表现为苗期成熟期拔节期抽雄期;1.0mm/min雨强含沙量及1.5mm/min,2.0mm/min雨强含沙量和产沙强度均表现为苗期拔节期成熟期抽雄期。不同雨强下,玉米各生育期片蚀过程中地表产流产沙过程均呈波动变化。     

模拟降雨下坡面微地形量化及其与产流产沙的关系

为揭示坡面微地形对土壤侵蚀过程的响应,该文通过人工模拟降雨试验,结合三维激光扫描仪技术,研究了不同雨强连续降雨条件下黄土坡面微地形变化特征及其与产流产沙的响应关系。结果表明所选取的5个常规地形因子(微坡度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄积量、地表粗糙度)对坡面侵蚀的响应表现出相似的趋势,即随着侵蚀的加剧,地形因子数值逐渐增大;场降雨后,地表粗糙度的增幅最小,分别是3%、8%、17%,对侵蚀的响应最弱,洼地蓄积量的增幅最大,分别增大11.82、18.86、83.33倍,对侵蚀的响应最强;同一雨强下随着连续降雨的进行,产流率稳定,1 mm/min雨强下输沙率基本稳定,1.5与2 mm/min下输沙率不断减小;2 mm/min雨强下输沙率和累积输沙量,远大于其他2个雨强处理;地形因子之间有很强的相关性,但能从不同侧面反映地形的信息,而且都与产流率和累积产沙量之间有较好的线性关系。研究可为进一步揭示黄土区坡面土壤侵蚀机理提供参考。     

室内小流域降雨产流过程试验

该研究采用新型的小水流流量自动观测系统,在室内小流域模型上进行了不变雨强和变雨强模拟降雨试验,实时观测了模型流域各沟道的产流过程。试验进行了不同降雨强度(25、50、75、120mm/h)和不同降雨历时(5、10、15min)组合的12次降雨试验,同时进行了30-70mm/h和70-30-70mm/h的变雨强降雨试验。在不变雨强的条件下,仪器与人工测量所得稳定流量的最大平均相对误差仅为2.02%。测量得到的流量过程线呈现出起流、稳定和退水3个明显的阶段。其中,起流和退水过程涨落的剧烈程度、稳定阶段的流量大小随雨强增大而增大,稳定阶段的持续时间与降雨历时成正比。空间上,主沟出口的产流过程明显滞后于支沟出口的产流过程,且其两者之间具有一致的流量过程。在变雨强的情况下,流量过程线没有稳定的阶段,流量随雨强变化而变化。该研究对于深入理解流域产流过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。     

黄土坡面土壤侵蚀动态变化过程试验研究

采用人工模拟降雨试验的方法对黄土坡面土壤侵蚀动态变化过程进行了研究.(1)不同雨强条件下,土壤侵蚀强度随降雨过程的动态变化趋势基本一致,整体皆随降雨历时的增长而递增,并皆可用对数线性组合方程很好地描述.开始降雨后的15 min和35 min是侵蚀强度随降雨过程变化的转折点;(2)不同坡度条件下,土壤侵蚀强度皆随雨强的增大而迅速增大,变化趋势基本一致,可用线性方程很好地描述;(3)不同雨强条件下,土壤侵蚀强度随坡度的增加表现为先增大后减小的趋势,可用对数线性组合方程很好地描述,25°左右是侵蚀强度发生变化的临界坡度;(4)不同雨强条件下,土壤侵蚀强度随坡长的增加整体表现为先增大后减小的趋势,可用对数线性组合方程很好地描述,坡长80 cm左右是侵蚀强度发生变化的转折点;(5)土壤侵蚀强度随雨强、坡度、坡长的动态变化可用三元线性方程描述,雨强对土壤侵蚀的影响远超过坡度与坡长,且坡度与侵蚀强度的关系较坡长为密切.     

海涂围垦区排灌工程边坡土壤侵蚀过程的水动力学特征

利用人工模拟降雨试验研究降雨强度和坡度两因子对海涂围垦区排灌工程边坡侵蚀产沙过程及其对径流水动力学参数的响应关系。结果表明,边坡输沙率随降雨历时增加呈S形曲线增长。随雨强和坡度增大,坡面细沟发育迅速,侵蚀量急剧增加,但在坡度25°附近存在一个侵蚀的临界坡度。高雨强和陡坡下,坡面平均流速显著增大,侵蚀输沙率与平均流速之间呈显著线性正相关关系。试验坡面径流雷诺数较小,变化于8.5~42.6之间,水流剪切力为分散边坡土颗粒的主要作用力;坡面输沙率和平均雷诺数之间呈抛物线正相关关系,且在雷诺数较小时坡面输沙率随雷诺数的增长较缓慢,随水流雷诺数的增大,水流紊乱程度越强,坡面产沙能力越强。坡面径流所受阻力系数均随雨强和坡度增大线性降低,输沙率与Manning糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数均呈线性负相关关系。     

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。     

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%)。     

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。     

紫色土坡耕地降雨入渗试验研究

在田间条件下,利用人工模拟降雨研究了坡度、降雨、耕作方式对紫色土坡耕地入渗过程的影响.试验结果表明:雨强对入渗过程有重要影响.当雨强在19.62～111..69 mm/h之间变化,稳定入渗率随雨强增加而增大.坡度对入渗的影响比较复杂.在5°～25°范围内,随坡度增加,稳定入渗率表现出升-降-升的变化趋势,在10°与20°分别存在极大值与极小值.中耕显著增加了水分入渗,特别在高强度降雨下,中耕使稳定入渗率增加1倍以上,入渗补给系数增大50%以上.入渗率随降雨历时增加而减小,二者关系可以用乘幂函数描述.累积入渗量可以用降雨历时的线性函数来表示.     

玉米生长期坡耕地地表径流及侵蚀产沙特征

为了弄清玉米生长过程中侵蚀动态变化,该文采用人工模拟降雨与微小区相结合的方法,研究了紫色土区不同耕作措施对坡耕地地表径流及侵蚀产沙的影响。结果表明:在雨强1.0 mm/min条件下,平作坡面在种植前径流量最小,横坡垄作坡面在拔节期—抽雄期坡面径流量最小。在雨强1.5 mm/min条件下,横坡垄作坡面在玉米拔节期—抽雄期径流量最小。在雨强2.0 mm/min条件下,横坡垄作坡面在玉米苗期—拔节期坡面径流量最小。在雨强为1 mm/min和1.5 mm/min条件下,不同耕作措施坡面在玉米的抽雄期—成熟期产流时间最短,在雨强为2.0 mm/min条件下,不同耕作措施坡面在苗期—拔节期产流时间最短。这一研究成果可为区域水土流失有效防治提供理论依据。     

轻壤土散乱锥状堆置体侵蚀产沙规律研究

采用人工模拟降雨的方法,研究轻壤土散乱锥状堆置体在不同土石比和不同雨强条件下堆置体的侵蚀速率、产沙量、径流量的变化。结果表明:相同雨强条件下,土石比越大,产流时间越长;产流时间与降雨雨强呈负幂函数关系;相同土石比条件下,雨强从1.0mm/min增大至2.5mm/min时,总体趋势为随雨强的增大,侵蚀速率增大;在研究的4种土石比范围内,弃土堆置体总侵蚀产沙量随雨强的增大呈指数变化趋势,其相关关系显著。单位时间径流量的变化基本保持平稳状态,并在小范围内上下波动。     

雨强和植被覆盖度对红壤坡面产流产沙的影响

为探究雨强和植被覆盖度对花岗岩红壤坡面产流产沙的影响,通过室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(0.5,1.0,1.5 mm/min)和植被覆盖度(0,20%,40%,60%)下坡面侵蚀的产流、产沙规律及相关关系。结果表明:(1)同一雨强下,初始产流时间随植被覆盖度增加而延迟,并随雨强增大而提前,雨强越大,产流时间提前越明显;(2)各坡面径流率、侵蚀率随植被覆盖度增加而减小,且植被覆盖度越高,径流率和侵蚀率波动范围越小,侵蚀过程越稳定;(3)有植被覆盖的坡面,产沙主要以0.25 mm的水稳性团聚体为主,侵蚀泥沙中0.25 mm水稳性团聚体比重随雨强增大而增加,且增加的幅度随覆盖度的提高而减小;(4)雨强、植被覆盖度均与产流时间、径流率、侵蚀率呈现极显著相关关系(P0.01),且坡面产流过程与雨强变化的相关性大于其与植被覆盖度变化的相关性,坡面产沙过程与植被覆盖度变化的相关性大于其与雨强变化的相关性,不同雨强下植被覆盖坡面累积径流量和累积产沙量关系符合幂函数模型(R~20.98)。研究结果可为南方红壤丘陵区水土流失治理与生态恢复提供科学参考。     

模拟降雨条件下地貌发育与侵蚀产沙的关系

地貌是影响流域侵蚀产沙的关键因素之一,为了进一步研究地貌发育与侵蚀产沙的关系,该文以小流域概化模型为对象,运用模拟降雨试验方法,以高精度摄影测量和GIS技术为手段对流域地貌发育过程及侵蚀产沙强度变化规律进行了研究。结果表明,产沙速率（Gt）、降雨产沙强度（Gp）和平均输沙强度（M）都随着流域地貌发育过程呈现先增大后减小的变化趋势;在流域地貌发育过程中,存在临界地面裂度（32%左右）和临界相对体积（65%左右）,使降雨产沙强度和平均输沙强度的变化趋势由递增变化为递减。这种临界现象对更深入地研究流域地貌发育及其与侵蚀产沙的关系具有重要理论意义,同时说明地面裂度和相对体积可以作为流域发育程度的指标。     

坡度和雨强对崩岗崩积体侵蚀泥沙颗粒特征的影响

不同侵蚀条件下崩积体的侵蚀产沙特性是阐明崩积体侵蚀机理的关键。采用人工模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀泥沙颗粒的变化特征。结果表明:随着雨强和坡度的增大,泥沙粗颗粒含量及粗颗粒的富集率均增加;侵蚀物质随降雨过程逐渐变粗,后趋于稳定,大雨强条件下细沟侵蚀阶段表现为对供试土壤的"整体搬运";侵蚀泥沙颗粒的平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)随雨强的增大而增大,1.00 mm min-1和1.33 mm min-1雨强下,细沟间及细沟侵蚀泥沙的MWD随坡度变化均存在临界坡度(30°~35°之间),其他雨强条件下则无此种情况;雨强对侵蚀泥沙MWD的影响大于坡度。     

土壤前期含水量对弃渣坡面侵蚀特性影响的模拟试验

利用室内人工模拟降雨试验,研究弃渣前期含水量在不同降雨强度条件下对土壤坡面入渗、产流和产沙特性的影响.结果表明:弃渣坡面入渗率随时间呈幂函数变化.在雨强较小(0.64 mm/min)的情况下,含沙率在产流初期会出现峰值,之后随时间递减,前期含水量越高,峰值出现的越早,土壤前期含水量对土壤侵蚀量的影响符合幂函数变化规律.在1.05 mm/min降雨强度条件下,含沙率变化呈波动性增长趋势,无明显峰值.土壤前期含水量对土壤侵蚀量影响呈二次多项式关系,计算得出土壤流失量最少的最优前期含水量为9.65%.     

含砾石锥状工程堆积体坡面径流侵蚀特征

以关中地区的重质土壤为试验材料,利用自制的堆积平台模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程及形态建造实体模型,在人工模拟降雨的条件下,研究了4个降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)不同砾石质量分数(0,10%,20%,30%,40%)锥状工程堆积体坡面的径流产沙特征。结果表明:(1)径流率和流速随时间呈现出先快速增加后缓慢增长至稳定的变化趋势,雨强和砾石含量对径流率和流速均有显著性影响,其中雨强对两者的贡献率较大,起决定性作用;(2)平均径流率和平均流速随雨强的增大而增加,与雨强呈极显著的正相关关系,随砾石含量的增加而减小,与砾石含量呈极显著的负相关关系;(3)雨强为1.0mm/min时,侵蚀速率先快速增加后逐渐趋于稳定;雨强≥1.5mm/min时,侵蚀速率呈持续增长的变化趋势,雨强为2.0,2.5mm/min时,在降雨中后期侵蚀速率突变式增加;(4)侵蚀总量随雨强的增大呈指数型增加的趋势,随砾石含量的增加呈负对数型减小的趋势。     

玉米季坡耕地地表糙度的变化及其对土壤溅蚀的影响

通过野外人工模拟降雨试验,开展横垄条件下玉米全生育期紫色土坡耕地地表糙度变化及其对土壤溅蚀影响的研究。结果表明:随着玉米生育期的推进,地表糙度逐渐衰退,在抽雄期或成熟期达最小,而地表糙度变幅在玉米拔节期或抽雄期时最大,雨强对地表糙度变幅的影响表现出20°坡面15°坡面。不同坡面的向上、下坡溅蚀量及溅蚀总量,在雨强为2.0mm/min时,玉米苗期最大,1.0mm/min和1.5mm/min雨强下,最大溅蚀量出现在玉米抽雄期;玉米全生育期溅蚀量随雨强的增大而增加。在玉米苗期,各坡面雨强、糙度比率和溅蚀量间呈极显著线性正相关关系;玉米成熟期,仅在20°坡面雨强和糙度比率与溅蚀量呈显著线性关系,可知玉米冠层对各坡面溅蚀影响较大。     

模拟降雨条件下工程边坡土壤磷素流失特征

[目的]探究西南高山—亚高山地区工程边坡土壤磷素流失机理,为同类型工程边坡生态环境恢复研究提供理论依据。[方法]采用室内人工模拟降雨试验及原状土搬迁等方法,研究在2种坡度(30°,50°)和4种雨强(25,45,65,85 mm/h)条件下工程边坡全磷(TP),泥沙全磷(STP),溶解态磷(DP)迁移变化特征及其与土壤侵蚀状况的关系。[结果]①工程边坡径流平均DP浓度整体较低且受雨强影响较小,STP浓度在降雨初期较高,随之降低或趋于稳定。②不同雨强下工程边坡DP流失率、STP流失率变化曲线具有明显差异性,当雨强为25 mm/h和45 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率较低且较为稳定;当雨强为65 mm/h和85 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率迅速上升后趋于稳定;当雨强由45 mm/h增至65 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率迅速增大。③土壤侵蚀率与DP流失率、DP平均浓度、STP流失率和浓度、TP流失率有极显著正相关关系;径流率与DP流失率、STP流失率、TP流失率、DP平均浓度有极显著正相关关系,与STP浓度无显著相关关系。工程边坡TP流失率随径流率、土壤侵蚀率皆以幂函数形式逐渐增加。[结论]雨强和坡度对工程边坡磷素流失动态变化特征具有显著的影响且整体呈现出先增后减的趋势。