模拟径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程

基于可调控的放水冲刷试验,模拟风水复合侵蚀区典型覆沙黄土坡面,研究不同径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程。通过室内放水冲刷试验,采用3个放水流量(5,10,15L/min)和5个覆沙厚度(0,5,15,25,35mm)研究覆沙黄土坡面产流产沙过程。结果表明:覆沙坡面能够延长产流时间,且随覆沙厚度的增大而延长,不同放水流量条件下5,15,25,35 mm覆沙坡面的产流时间较黄土坡面分别延迟了1.29~1.46倍,1.66~2.5倍,2.32~3.76倍和3.64~4.72倍;覆沙坡面相对黄土坡面其产沙贡献率大于产流贡献率,在相同放水流量条件下,覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05~1.8倍,而产沙总量是黄土坡面的1.6~7.5倍;覆沙坡面在不同放水流量条件下,产流0~5min内,覆沙坡面产流率增长速率明显高于黄土坡面,而在后25min覆沙坡面与黄土坡面的产流率增长速率基本一致;在整个产流阶段,覆沙坡面的产流率波动程度显著高于黄土坡面。随着放水流量的增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加;但在同一放水流量前提下,随着覆沙厚度的增大初始产沙强度增强不显著。不同放水流量和不同覆沙厚度条件下坡面产沙强度总体上表现为先剧烈增大后降低然后逐步达到平稳状态,且覆沙坡面产沙强度的波动性明显活跃于黄土坡面。覆沙坡面能够破坏水流的稳定性,在一定程度上加剧了土壤侵蚀。     

覆沙坡面水动力学参数与径流产沙的关系

坡面流水动学特征对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,通过模拟降雨试验,定量研究了1.5 mm/min雨强下,不同覆沙厚度(0.5、1.0、1.5 cm)下坡面水动力学参数的时空分布特征及其与产流产沙的关系,以期揭示坡面水动力学参数的内在规律性。结果表明,坡面流的水动力学参数的时空分布呈波动趋势,与黄土坡面相比,雷诺数增加了0.39~1.03倍,佛罗德数增加了0.05~0.29倍,阻力系数增加了0.05~1.55倍;覆沙坡面在整个降雨过程中主要以层流—急流为主,细沟形成主要发生在产流后第10 min后,主要集中在1~10断面处(从坡底依次向上每1 m划分为一个断面);坡面产流和产沙速率与各水动力学参数均可用y=ax+b来描述,雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。此研究可为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学依据。     

覆沙坡面产流产沙过程试验研究

通过对覆沙坡面产流产沙过程进行研究,以期揭示风水蚀交错区风水复合侵蚀机制,采用3个雨强(1.0mm/min,1.5mm/min,2.0mm/min)和3个覆沙厚度(0.5cm,1.0cm,1.5cm)在室内进行模拟降雨试验,分析不同雨强(覆沙厚度)下坡面的产流产沙特征。结果表明:坡面覆沙后与裸坡相比使得坡面的初始产流时间有所延长,不同雨强下延长了4.0~11.0倍,不同覆沙厚度下延长了11.0~14.0倍,初始产流时间随着雨强的增大而缩短,随着覆沙厚度的增加为延长;与裸坡对比,不同雨强下侵蚀量增加了1.9~19.0倍,不同覆沙厚度下侵蚀量大小是1.5cm0.5cm1.0cm;总之,坡面覆沙使得初始产流时间延长且在一定程度上加剧了侵蚀的发生。     

西南黄壤和西北黄土坡面侵蚀产沙规律比较研究

喀斯特地区是我国主要生态脆弱地区之一,黄壤是该地区主要土壤类型,本文基于贵州省毕节市与陕西安塞径流小区观测资料,对比分析降雨与坡面径流深、产沙模数等关系,研究次降雨坡面侵蚀规律.结果表明:黄壤坡面产流产沙主要来源于大雨及暴雨,受降雨量影响最大,数量上小于黄土坡面;黄壤坡面产流与降雨量相关性大于与其与时段降雨强度相关性,黄土坡面反之;随降雨级别增大,黄壤坡面产流与降雨特征关系由无规律变为线性;时段降雨强度与黄壤坡面产沙呈指数关系,与黄土坡面呈幂函数关系;缺乏过程资料时,可采用M=0.54e011p预测黄壤坡面次降雨侵蚀量;降雨侵蚀力与产流产沙呈线性关系,单位降雨侵蚀力引起的产流产沙量黄壤坡面均小于黄土坡面;坡面产流与产沙均呈良好线性关系,产流量相近时,黄壤坡面产沙量略小于黄土坡面.研究结果表明黄壤坡面侵蚀量小于黄土坡面,但由于其土层薄,侵蚀程度仍十分严重,区域水土流失防治工作仍需加强.     

覆沙坡面径流冲刷试验研究

通过室内模拟冷冻和放水冲刷试验,采用2个放水流量(1,2L/min)、2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3cm)研究不同处理对覆沙黄土坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)相同流量条件下,覆沙坡面初始产流时间延长,随着覆沙厚度的增加,延长效果越明显,而冻融作用使坡面初始产流时间缩短;不同处理坡面的产流产沙峰值均增大,并且产流量与产沙量的峰现时间具有不同步性。(2)不同流量条件下,不同处理坡面总产流量是对照坡面的1.02~1.28倍,冻结坡面和冻结-覆沙坡面的总产流量与对照坡面有显著差异(p0.05),坡面总产沙量是对照坡面的1.97~10.94倍,冻结坡面、对照-覆沙坡面和冻结-覆沙坡面的总产沙量与对照坡面有显著差异(p0.05)。(3)不同流量条件下,相同处理坡面产流强度随产流时间变化趋势大致相同,裸坡坡面产沙强度随着产流时间的变化趋势较为平稳,而覆沙坡面产沙强度波动程度较大,覆沙是影响坡面产沙过程的主要因素;相同流量条件下,不同处理坡面产流强度大致分为"快速上升-相对稳定"和"相对稳定"两种变化趋势。(4)相同流量条件下,裸坡坡面的产流强度受冻融作用的影响较大,冻融和覆沙处理对产沙强度的影响均较大,冻融作用在裸坡条件下对产沙过程的影响大于覆沙坡面,覆沙坡面在土壤未冻结的情况下对产沙过程的影响大于在土壤冻结的情况。     

黄土坡面降雨产流产沙过程及其响应关系研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为该区水土保持与生态建设提供重要科学依据。该文基于收集分析子洲径流试验站天然非恒定降雨、产流、产沙过程观测资料,应用非线性模拟技术,对黄土坡面降雨产流产沙动态变化过程及响应关系进行了研究,结果表明,黄土坡面累积降雨量随降雨历时的变化过程、累积径流深随产流历时的变化过程、累积侵蚀产沙模数随产沙历时的变化过程、累积径流深变化过程对累积降雨量变化过程的响应、累积侵蚀产沙模数变化过程对累积径流深变化过程的响应均呈现为非线性关系,可分别划分为两种类型,并分别可用扩展S型曲线模型和扩展幂函数模型进行数学描述。     

黄土高原水蚀风蚀交错带坡面土壤侵蚀特征及其影响因素

水蚀与风蚀的交错作用大大加剧了黄土高原水蚀风蚀交错带的土壤侵蚀强度,造就了复杂的侵蚀环境。通过在水蚀风蚀交错带的典型区域——神木六道沟流域,选择沿本地盛行风向(NW)到最弱风向(E)方向的坡面布设采样断面,探究土壤粒径和土壤侵蚀速率的空间分布特征,分析其影响因素。结果表明:土壤粒径和侵蚀速率均表现出明显的波动变化和显著的坡面变异(p0.05)。其坡面分异受坡面部位、坡度、植被、土壤类型、土地利用类型和侵蚀动力(风力和降雨)的共同影响。侵蚀动力之外的因素对土壤侵蚀速率的坡面变异累积解释69.6%~82.1%。土壤侵蚀速率与坡面部位、坡度、植被、土壤类型和土地利用类型的线性回归分析显示,土壤侵蚀的动力因素也十分重要。然而,要揭示坡面土壤侵蚀空间分布的一般规律,定量区分水蚀和风蚀对坡面侵蚀的贡献,需进一步研究。     

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。     

黄土坡面侵蚀过程实验研究

黄土坡地坡面侵蚀过程包括降雨过程中的产流产沙过程以及相应的坡面形态变化过程。该文主要研究产流产沙过程。在对国内外已有同类成果分析的基础上，为弥补现有成果的一些不足之处，设计了室内黄土坡面侵蚀模拟实验。实验分１０个组次对产流、渗流、产沙、沟道发育、沟与坡的侵蚀过程及其坡蚀量、沟蚀量、侵蚀过程中的微地貌现象直至坡形变化进行了详细测量与观察，获得了大量实测数据。关于坡面形态变化的讨论将在后文展开。本文及     

不同尺度下冻融作用对东北黑土区产流产沙的影响

通过对东北黑土区坡面8年和小流域7年的降雨产流产沙过程观测,对比每年受冻融作用影响的降雨和其余不受冻融作用影响的降雨产流产沙的特征,研究冻融作用在坡面和小流域尺度上对东北黑土区产流产沙的影响,为东北黑土区在冻融作用下多尺度土壤侵蚀定量评价及其转换模型的建立提供科学依据。结果表明:冻融作用减小了坡面和小流域的产流,径流系数分别减小0.07和0.03,坡面产流延迟71.7%,而小流域无明显延迟。坡面和小流域土壤流失量、土壤可蚀性K值及含沙量均显著增加,更易在较小降雨侵蚀力下产生较大流失量;与不受冻融的降雨事件相比,受冻融影响的降雨事件因径流减弱,在相同降雨量下的侵蚀量低,而在相同径流深下的侵蚀量高。冻融作用在径流较小时对坡面细沟的发育及产沙影响明显,在径流较大时对小流域切沟中松散堆积物的搬运及产沙影响明显。     

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。     

基于土壤颗分粒径的泥沙来源量化研究

[目的]揭示黄土高原风水复合侵蚀区风力作用对水蚀的影响,为具有不同泥沙粒径侵蚀物质来源识别提供一种有效的方法支撑,也为风水复合侵蚀区侵蚀泥沙来源辨识提供理论参考。[方法]以覆沙模拟风蚀产物,基于室内模拟试验,研究覆沙之后坡面侵蚀发育特征,同时为了有效区分不同时刻侵蚀物质的来源,尝试采用泥沙粒径作为指纹因子进行侵蚀泥沙来源贡献的辨识。[结果]不同泥沙粒径组的3个指纹因子(粒径范围分别为：26.303～34.674,104.713～138.038,138.038～181.970μm)通过检验被确定为最佳指纹因子。基于最佳指纹因子,通过多元混合模型计算得出,在对同一土槽进行的3个阶段模拟降雨试验中覆沙层和黄土层的平均泥沙贡献率分别为48.2%和51.8%,24.8%和75.2%,6.8%和93.2%,且MAF>0.8。覆沙层的泥沙贡献率为第一阶段试验>第二阶段试验>第三阶段试验,计算结果与DEM相吻合。[结论]泥沙源地和侵蚀泥沙中的不同泥沙粒径组可作为指纹因子进行泥沙来源辨别,复合指纹法具有较好的适用性。     

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。     

不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀过程的影响

为研究不同雨强对紫色土坡面侵蚀过程的影响,通过人工模拟降雨试验和室内分析,采用降雨总量(30mm)一定、降雨历时不定的原则,在2种覆盖度(50%和75%)下,分析了3个雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)对紫色土土壤坡面产流产沙的影响。结果表明:在50%和75%覆盖度下,(1)雨强越大紫色土坡面产流总量和径流率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下的2种覆盖度产流量分别占坡面产流总量的18%,30%,52%。(2)雨强越大紫色土坡面产沙量和侵蚀率越大。相同时间内,不同雨强(0.5,1.0,1.5mm/min)下,2种覆盖度产沙量分别占坡面产沙总量的13%,33%,54%。(3)紫色土坡面侵蚀泥沙中的水稳性团聚体的粒径主要集中在0.25,3mm,分别占泥沙总量的74%和67%,0.25~3mm粒径的水稳性团聚体分别占泥沙总量的30%和26%。(4)相关分析表明,雨强和紫色土坡面产流产沙量均为极显著正相关(P0.01)。雨强与产沙量之间均拟合为一次线性方程;雨强与产流量之间分别拟合为一次线性方程和二次方程。研究结果为控制紫色土坡面水土流失和揭示其相关侵蚀机理提供参考。     

黔西北乡土植物篱对典型石漠化区石灰土侵蚀动力学过程的调控

在自然降水条件下,定量研究黔西北喀斯特石漠化区典型乡土植物刺梨在坡耕地产流产沙的变化规律,分析该植物篱控制侵蚀产沙的水动力学机理。结果表明,刺梨植物篱截流、分流作用延缓径流产生及汇流时间,增加喀斯特坡面径流入渗量,减小坡面侵蚀动力。在不同降雨强度条件下,喀斯特坡面入渗率与径流量和产沙量呈负线性相关。植物根系缠绕串连黏结根土,改变土壤的入渗特性,增强土壤抗冲性与抗蚀能力。根系密度随土层深度增加而减少,减沙效应亦变小。土壤抗侵蚀能力与d<1mm的须根密度呈极显著正相关关系,与d≤2mm须根的根量、根长与土壤抗冲指数存在线性回归关系。当I30雨强为2.41mm时,植物篱小区几乎无流水侵蚀,而对照样地侵蚀产生较多泥沙;当I30为4.72,8.35mm时,研究小区皆已侵蚀产沙,并在对照样地侵蚀产生细沟,显示雨强加大,坡面产流动力加强,冲沙携沙能力加大。说明植物篱起到保水固土减沙和对土壤侵蚀水动力过程的调控。喀斯特坡面流侵蚀产沙水动力主要受降雨强度和雨滴动能影响,雨滴侵蚀力的大小取决于雨量、雨强、雨滴大小。侵蚀产沙量与雨强、降雨历时呈显著的幂函数关系。揭示了植物根系固土减沙和提高土壤抗侵蚀水动力的调控机理。     

雨强对华北土石山区坡面侵蚀及其颗粒富集过程的影响

为研究雨强对华北土石山区坡面侵蚀过程和泥沙颗粒分布规律的影响,采用室内人工模拟降雨试验,以华北土石山区2种典型土壤为研究对象,在4种雨强(30,60,90,120mm/h)条件下,分析了径流的变化过程和侵蚀泥沙的颗粒组成及其颗粒富集率的变化规律。结果表明:(1)随着雨强从30mm/h增大至120mm/h,黄土性褐土和石灰性褐土的产流时间均逐渐减小,分别缩短了79%和85%;(2)在60,90,120mm/h雨强条件下,黄土性褐土的径流强度和泥沙浓度均随降雨时间先减小后增大,而后趋于稳定状态,石灰性褐土仅在120mm/h雨强条件下出现相似规律;(3)当雨强从30mm/h增大至120mm/h,黄土性褐土泥沙流失朝粗颗粒化发展,侵蚀泥沙的砂粒和粗粉粒含量分别增加了86%和21%,而石灰性褐土的变化不明显;(4)在降雨初始阶段,粒径较小的黏粒和细粉粒明显富集,而粒径较大的粗粉粒和砂粒不易流失,但随着降雨历时的延长,不同粒径泥沙颗粒的富集率趋于1,这种现象在大雨强下表现得尤为明显。     

Effects of soil crust and crop on runoff and erosion in Loess Plateau

Soil crust formed after rainfall has a strong influence on soil erosion, water use, and crop growth on sloping farmland. To study the effect of soil crust on sloping farmland on runoff amount and erosion sediment yield, the soil crust on sloping farmland has been studied in this paper for plantings of corn, soybeans, millet, and winter wheat. Using an outdoor rainfall simulator, the influence of soil crust on runoff rate and sediment yield on sloping farmland covered by crops has been observed. The results revealed that soil crust thickness was increased after rainfall and soil crust coverage showed little change after rainfall. Soil crust had a significant impact on runoff and sediment yield on sloping farmland. Slopes with soil crust showed higher runoff rate and less soil loss than slopes without soil crust. On slopes planted with four crops (corn, soybeans, millet, and winter wheat), runoff rates on slopes with soil crust were respectively 20%, 25%, 25%, and 21% higher than on slopes without soil crust; sediment yield on slopes with soil crust was respectively 15%, 14%, 14%, and 8% lower than on slopes without soil crust. Crops enlarged the runoff difference between the two kinds of slope and decreased the sediment yield difference between them. Crop growth enhanced these differences in runoff and sediment yield between slopes with and without soil crust.