2种扰动土壤工程堆积体坡面泥沙运移特征比对研究

为探究不同土壤类型对工程堆积体坡面侵蚀泥沙搬运的影响,选取构筑堆积体的2种扰动土壤,设定4个放水梯度(8,12,16,20 L/min)在32°条件下进行野外冲刷试验。结果表明:2种坡面产流产沙率均随冲刷延时呈"多峰多谷"变化;较扰动风沙土堆积体,扰动红壤堆积体产流产沙率均随流量增加上升速率较缓;流量20 L/min时,重力在扰动风沙土堆积体坡面侵蚀中发挥主导作用;各放水梯度下2种堆积体坡面累积产沙量与累积径流量均呈极显著线性关系(P0.01,R~20.99);随流量增大,搬运泥沙颗粒组成均接近原状土,扰动风沙土坡面径流搬运泥沙颗粒以砂粒为主( 60%),扰动红壤坡面径流搬运泥沙颗粒各组分比例相对均匀(各组分含量为24%～41%)。该研究结果可为不同土壤类型堆积体坡面水土流失防控措施科学配置提供理论依据。     

雨型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响

为揭示降雨和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响,以不同坡长野外观测试验小区为对象,结合82场降雨资料,以降雨量(P,mm)、最大30 min雨强(I₃₀,mm/h)和降雨侵蚀力[R,MJ·mm/(hm²·h)]为降雨特征指标,利用系统聚类法进行雨型划分(A雨型：大雨量、高雨强、高侵蚀力;B雨型：中雨量、小雨强、中等侵蚀力;C雨型：低雨量、中雨强、中低等侵蚀力),分析了11场降雨事件中侵蚀泥沙的粒径分布特征。结果表明：(1)研究区侵蚀泥沙粒径特征受不同雨型影响,有效黏粒和最终黏粒含量在C雨型下最高,有效砂粒和最终砂粒含量在B雨型下最高,而有效粉粒和最终粉粒含量分别在A和C雨型下最高。(2)坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响存在临界坡长效应(14 m),小于临界坡长时,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而降低;超过临界坡长后,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而增加,该效应在最终粒径下更为显著。(3)有效砂粒输移形式受雨型和坡长影响较大,在B雨型下主要以团粒形式输移,在A,C雨型下达临界坡长时以单粒形式输移。侵蚀泥沙的有效粒径颗粒比原坡面土壤细,而最终粒径颗粒则...     

坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

侵蚀泥沙颗粒大小的分布在一定程度上影响着侵蚀泥沙的搬运和沉积,了解侵蚀泥沙的分选作用将有助于解释泥沙的侵蚀和沉积过程。该文以覆沙坡面为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,选取坡度12°、雨强1.5 mm/min的黄土坡面上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙层进行试验。结果表明:坡面覆沙后,坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0~10 min内便被冲刷带走;侵蚀泥沙颗粒主要以粉粒为主;坡面覆沙后,在细沟间侵蚀阶段,径流优先搬运大于0.054 mm的颗粒,在细沟侵蚀阶段和细沟侵蚀及细沟间侵蚀的组合阶段,径流搬运的泥沙颗粒以小于0.054 mm的颗粒为主;同时,在产流前期(0~10 min)侵蚀泥沙颗粒主要以大于0.054 mm的颗粒为主;而在产流后期(10 min以后)侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。坡面覆沙后,黏粒以团聚体的形式存在,粉粒以单粒的形式存在,而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在。该文为进一步研究泥沙沉积后风蚀对水蚀的影响提供数据支撑。     

不同上方来水模式下工程堆积体坡面的植被调控

为揭示植被格局对工程堆积体坡面水沙调控的影响,采用野外模拟径流冲刷试验,分析了4种上方来水模式(均匀型、峰值前型、峰值中型和峰值后型)下坡面5种覆草格局(裸坡、坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局)的侵蚀特征。结果表明:水流功率与土壤剥蚀率之间相关性最高且呈极显著幂函数关系(R2=0.47～0.72,P0.01),是描述堆积体侵蚀动力机制的最优参数。植被格局的减流效益在12.23%～49.62%之间,减沙效益在12.92%～80.54%之间,减沙效益高于减流效益;带状和坡顶聚集格局的平均减流减沙效益分别为43.87%、58.09%和30.55%、54.41%,显著优于其他植被格局,在治理堆积体水土流失时应优先考虑这两种植被格局。植被格局下侵蚀泥沙中砂粒含量较对照小区减小了18.79%～35.80%,黏粒含量增加了3.56%～10.69%,表明植被对砂粒的拦截效果显著;侵蚀泥沙颗粒体积分形维数主要由黏粒体积分数决定,两者呈极显著线性相关关系(R2=0.90,P0.01)。植被格局的砂粒富集率较对照小区相对减小,黏粒富集率相对增加,体积分形维数增大;侵蚀泥沙中黏粒和砂粒迁移方式以团粒为主,粉粒则以单粒为主。该研究可为工程堆积体水土流失植被防控措施的配置提供参考。     

复合侵蚀作用下砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒特征

明晰砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒输移特征是研究黄河泥沙淤积问题的关键。采用水力、风力、冻融复合侵蚀实体模拟技术,研究在35°坡度和110 mm/h雨强条件下单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀3组不同侵蚀动力复合作用下,砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒变化特征。结果表明:砒砂岩坡面在单一水蚀作用下以整体侵蚀为主,侵蚀泥沙颗粒变化稳定;冻融+水蚀作用下粗颗粒产出明显,冻融作用对粗颗粒的影响凸显;冻融+风蚀+水蚀作用下坡面稳定性最差,侵蚀泥沙颗粒变化最剧烈。复合侵蚀作用下坡面侵蚀过程以搬运粒径较大的泥沙颗粒为主;各粒级侵蚀泥沙颗粒随侵蚀动力的增加起伏变化剧烈。     

冻融作用对坡面侵蚀及泥沙颗粒分选的影响

为了探究冻土和解冻土对水力侵蚀的影响,利用室内模拟降雨试验对冻土和解冻土两种坡面的坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特征进行了研究。结果表明:在降雨条件下,相对于解冻坡面(TS),冻土坡面(FS)的产流时间提前了173s,而产流量、产沙量分别增加了9%和105%;两种坡面侵蚀过程中的土壤颗粒平均重量直径(MWD)大小次序均为溅蚀颗粒径流冲刷泥沙颗粒,且冻土坡面溅蚀颗粒及冲刷泥沙颗粒MWD均显著大于解冻土坡面(p0.05);随着降雨进行,解冻土坡面侵蚀泥沙中的黏粒、细粉粒含量呈先迅速增大后减少的趋势;粗粉粒和砂粒含量则呈先减小后增大的趋势,侵蚀泥沙逐渐向粗颗粒发展;而冻土坡面各粒级颗粒随时间变化相对稳定。研究成果可为进一步揭示冻融作用下坡面水力侵蚀机理提供一定的参考依据。     

黄土陡坡径流侵蚀产沙特性室内实验研究

通过室内土槽放水冲刷实验，研究了黄土区陡坡侵蚀产沙特性。结果表明径流输沙率随径流流量的增加而增加，径流输沙率随坡度呈抛物线形式变化，当坡度在21°～24°之间时输沙率最大；径流剪切力也具有类似变化。泥沙输移率与径流剪切力之间存在线性关系，径流临界剪切力为1.701 N/(m²·min)，发生细沟侵蚀的临界径流水深与坡度正弦值成反比。在实验条件下，坡面中上部土壤的侵蚀量占总侵蚀量的很大比重，表明土壤侵蚀主要发生在坡面中上部。坡面下部侵蚀微弱，以搬运上部来沙为主。     

模拟降雨下覆沙坡面侵蚀颗粒特征研究

风水交错侵蚀是风蚀水蚀交错区土壤侵蚀的主要形式,研究风水交错侵蚀对土壤颗粒的影响对于进一步研究风水交错侵蚀耦合机制及其对环境的影响有重要意义。采用人工模拟降雨试验,研究不同雨强和覆沙厚度及长度)条件下覆沙坡面侵蚀泥沙颗粒的变化特征。结果表明:不同降雨条件下侵蚀泥沙颗粒中粉粒和砂粒的含量较高,分别达到了48.86%、42.77%;坡面覆沙后,侵蚀泥沙中以粗颗粒居多,以黄土作为供试土壤,表层覆盖沙物质以后,仅有黏粒的富集率大于1;侵蚀泥沙的分形维数随着覆沙厚度和长度的增大而减小,d50则随着覆沙厚度和长度的增大而增大;覆沙厚度和长度对分形维数和d50的影响大于雨强。     

不同侵蚀程度花岗岩红壤坡面侵蚀泥沙颗粒特征研究

研究花岗岩红壤坡面侵蚀泥沙颗粒分选特征有助于揭示粗颗粒土壤坡面侵蚀机理。通过室内人工模拟降雨-径流试验，在15°坡度和2种试验条件下(90 mm?h-1+2.00 L?min-1、120 mm?h-1+2.66 L?min-1)，研究了不同侵蚀程度(轻度侵蚀E1、中度侵蚀E2、强烈侵蚀E3)花岗岩红壤侵蚀过程及泥沙颗粒组成的变化规律。结果表明：产流率和土壤侵蚀速率随降雨强度和上方来水量的增加而增大；不同侵蚀程度土壤其侵蚀特征存在差异，产流率表现为E2>E3>E1，土壤侵蚀速率表现为E3>E2>E1；通过多元回归逐步分析得出，土体容重越高产流率越小(R2=0.800，P<0.01)，更高的黏粒含量和更低的粉粒含量会使得土壤侵蚀速率减少(R2=0.715，P<0.01)。随着降雨-冲刷强度增加泥沙中砾石和黏粒含量增加，砂粒和粉粒含量减少，泥沙分形维数增大。分形维数与黏粒(R2=0.910)和砂粒( R2=-0.390)质量分数为极显著线性关系，可以作为花岗岩红壤坡面侵蚀产沙中泥沙粒级分布的评价指标。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

黄麻土工布覆盖对花岗岩红壤表土坡面侵蚀特性的影响

[目的]探究黄麻土工布覆盖条件下花岗岩红壤表土坡面侵蚀特性,为花岗岩红壤区坡面土壤侵蚀防治提供科学依据。[方法]通过室内模拟降雨试验,在2个坡度(5°和15°坡度)、3种密度(无覆盖,6 cm×6 cm及3 cm×3 cm网格)的黄麻土工布覆盖条件下,研究极端降雨条件下(90 mm/h)花岗岩红壤表土的坡面侵蚀特性,并观测径流系数、土壤侵蚀速率、泥沙颗粒变化规律及富集率等指标。[结果]坡面径流随降雨历时增加而增加,土壤侵蚀速率则相反,表明侵蚀过程是一个分离受限的过程。和对照组相比,黄麻土工布覆盖在不同试验条件下都具有明显的减流减沙作用。另外,由侵蚀泥沙的粒径分选规律可知,坡面土壤中的黏粒和粉粒大小的颗粒倾向于被优先选择性搬运,其结果致使坡面石英粗颗粒富集,在缓坡(5°)与高密度黄麻土工布覆盖条件下(3 cm×3 cm网格)尤为突出。坡面石英粗颗粒随降雨历时增加不断富集进一步增加了原位坡面的侵蚀抗性,产生了土壤侵蚀速率随降雨历时不断降低的现象。[结论]高密度黄麻土工布的覆盖能够有效地减流减沙,增加原位坡面抗蚀性,是一种有效的水土保持措施,在今后的土壤侵蚀防治和劣地恢复工作中应该被重视。     

Effect of slope borders in reducing splash erosion during sediment transport by rain-induced overland flow

Splash erosion plays a vital role in the loss of eroded materials. Unlike those in slope central areas, laterally ejected splashed materials in slope border areas cannot be replenished easily because slope edges prevent splash erosion particles from entering the slope. Thus, splashed materials in slope border areas are less than those in slope central areas because of the lack of source areas for splash-eroded materials. However, this phenomenon, called the slope border effect, has received minimal attention by researchers. The partially missing splash erosion induced by the slope border effect on sediment transport was investigated to understand the slope erosion mechanism further in this paper. A modified soil pan divided into four areas, namely, central erosion test area (length = 100 cm, width = 35 cm, depth = 45 cm), border erosion test area (length = 100 cm, width = 35 cm, depth = 45 cm), splash compensate border area (length = 110 cm, width = 30 cm, depth = 45 cm) and splash collection area (length = 100 cm, width = 2.5 cm, depth = 45 cm) was used to monitor diffusion and splash erosion under simulated rainfall. Results showed that the splash detachment rate increased with the increase in slope but initially decreased and then increased with the increase in rainfall intensity. The runoff rate and diffuse erosion rates for complete splash erosion (SE) treatments were higher than those without partial splash erosion (SE_L). Under low rainfall erosive power and runoff transport capacity (e.g., 5° slope and 60 mm h⁻¹), the transported clay in SE treatments was approximately 2% more than that in SE_L treatments. This amount changed to more than 2% sand under high rainfall and runoff erosive power. However, the mass fraction accounted for by silt particles in the sediments of the SE_L treatments was more than that in the SE treatments. Thus, the partially missing splash erosion can weaken the selective transport ability of runoff for sediments. The effect of missing partial splash erosion on diffuse erosion was enhanced with an increase in erosive power. The results of our paper will provide insights into the effect of the boundary effect zone of slope on soil erosion and its related mechanisms.     

排土场平台-边坡系统沟蚀形态演变与产沙特征

排土场是露天采矿区主要泥沙来源的人造地貌之一,控制排土场土壤侵蚀对矿区高质量发展具有重要意义。该研究采用野外放水冲刷试验,研究排土场平台-边坡系统沟蚀演变及产沙特征。结果表明：1）沟蚀演变中的主导侵蚀方式存在阶段性转变,侵蚀沟形态发育特征也呈阶段性差异,平台侵蚀沟经过沟头形成阶段,溯源-拓宽阶段和稳定阶段等3个发育演变阶段;边坡侵蚀沟依次经历覆土层下切阶段,覆土层拓宽阶段,红土层下切阶段和沟蚀减缓阶段。2）边坡是平台-边坡系统主要沙源,其累积产沙量占平台-边坡系统的88.15%～90.16%;覆土层下切阶段和红土层下切阶段是边坡的主要产沙阶段,其累积产沙量分别占边坡的29.72%～53.36%和19.06%～48.88%。3）径流功率是平台和边坡侵蚀速率响应的较优参数,在平台沟蚀的溯源-拓宽阶段和稳定阶段为线性响应;在边坡沟蚀的覆土层下切阶段和红土层下切阶段为指数响应,在红土层拓宽阶段和沟蚀减缓阶段为线性响应。模型建立中需进一步考虑此种响应规律随沟蚀发育演变产生的变化,研究结果可为排土场水土保持措施布设和科学认识沟蚀过程与特征提供参考。     

天然降雨下紫色土和第四纪红黏土坡面侵蚀过程研究

选取南方红壤区紫色土和第四纪红黏土两种典型土壤类型,通过天然降雨试验,在同等试验条件下对紫色土和第四纪红黏土两种土壤的坡面侵蚀过程中径流量变化、产沙量变化、土壤团聚体以及粒径分析来阐述我国南方红壤区的土壤坡面侵蚀过程。结果表明:（1）降雨是造成土壤坡面产生径流的主要原因,随着降雨的不断增大,土壤坡面径流量不断的增加,紫色土的总径流量较第四纪红黏土大。（2）雨强是造成土壤坡面产沙量的主要原因,特别是在中雨强降雨和大雨强降雨时,土壤侵蚀泥沙量的产生比较明显,紫色土与第四纪红黏土的土壤侵蚀泥沙量比例关系为:1.14∶1.0。（3）紫色土和第四纪红黏土均以 < 0.25 mm的微团聚体占优势,均占65%以上,而紫色土达到90%之多,紫色土微团聚体流失较第四纪红黏土严重。（4）通过两种土壤的降雨前后土壤颗粒对比分析,紫色土减少的土壤颗粒主要是黏粒和粉粒,砂粒相对增加,变化量大,而第四纪红黏土相对较少。     

工程堆积体坡面不同植被格局的控蚀效果研究

为探明不同植被格局对工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀的影响,采用10,20,30 L/min 3种放水流量,对黄土区不同格局（裸坡、坡顶、坡中、坡底、条带）下的高陡边坡（32°,20 m×1 m）进行模拟放水试验,选取径流率、产沙率、减流效益、减沙效益等因子对堆积体坡面植被的控蚀效果进行分析。结果表明：3种放水流量下,条带、坡顶、坡中、坡底的平均径流率较裸坡分别减小57.33%,61.17%,41.62%,24.78%,平均产沙率较裸坡分别减小74.99%,61.10%,55.01%,46.43%,且径流率与产沙率的线性关系（R²=0.57~0.80,p<0.01）整体上弱于裸坡（R²=0.71,p<0.01）。不同植被格局中,条带及坡顶格局的减流效益分别是65.97%,60.52%,减沙效益分别为71.44%,57.22%,二者的控蚀效果远高于其他格局。产沙率与径流功率的线性相关性（R²=0.61~0.83,p<0.01）高于径流剪切力（R²=0.29~0.76,p<0.01）,径流功率能更好地反映堆积体坡面土壤侵蚀机制。     

黄土高原陡坡土壤侵蚀特性试验研究

通过室内冲刷模拟试验对黄土高原陡坡土壤侵蚀特性进行系列研究.结果表明,陡坡径流平均流速随径流量和坡度的增大呈波动趋势增加.坡面径流平均含沙率,平均输沙率和平均剪切力均随流量的增加波动增加,随坡度的增加而呈抛物线形式变化,临界坡度值出现在21°和24°之间.坡面径流平均输沙率与平均剪切力之间量良好的线性关系.本研究对深入了解陡坡土壤侵蚀机理,合理确定退耕坡度具有重要意义.     

Comparing surface erosion processes in four soils from the Loess Plateau under extreme rainfall events

This research aims to improve erosion control practice in the Loess Plateau, by studying the surface erosion processes, including splash, sheet/interrill and rill erosion in four contrasting soils under high rainfall intensity (120 mm h⁻¹) with three-scale indoor artificial experiments. Four contrasting soils as sandy loam, sandy clay loam, clay loam and loamy clay were collected from different parts of the Loess Plateau. The results showed that sediment load was significantly impacted by soil properties in all three sub-processes. Splash rate (4.0–21.6 g m⁻²∙min⁻¹) was highest in sandy loam from the north part of the Loess Plateau and showed a negative power relation with the mean weight diameter of aggregates after 20 min of rainfall duration. The average sediment load by sheet/interrill erosion (6.94–42.86 g m⁻²∙min⁻¹) was highest in clay loam from middle part of the Loess Plateau, and the stable sediment load after 20 min showed a positive power relation with the silt content in soil. The average sediment load increased dramatically by rill and interrill erosion (21.03–432.16 g m⁻²∙min⁻¹), which was highest in loamy clay from south part of the Loess Plateau. The average sediment load after the occurrence of rill showed a positive power relation with clay content and a negative power relation with soil organic matter content. The impacts of slope gradient on the runoff rate and sediment load also changed with soil properties. The critical factors varied for different processes, which were the aggregate size for splash erosion, the content of silt particles and slope gradient for sheet/interrill erosion, and the content of clay particles, soil organic matter and slope gradient for rill erosion. Based on the results of the experiments, specific erosion control practices were proposed by targeting certain erosion processes in areas with different soil texture and different distribution of slope gradient. The findings from this study should support the improvement of erosion prediction and cropland management in different regions of the Loess Plateau.