前期土壤含水量对坡面产流产沙特性影响的模拟试验(简报)

为了研究黄土区降雨前期土壤含水量对不同土壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响，采用室内降雨模拟试验方法，探讨了前期土壤含水量从风干土状态至近饱和条件下塿土和砂黄土坡面降雨入渗、产流产沙的特征。研究结果表明：在雨强（80 mm/h）和坡度(10°)较大情况下，前期土壤含水量对塿土坡面产流时刻、入渗和产流过程影响不明显；砂黄土坡面产流时刻受前期土壤含水量影响显著，随着前期土壤含水量的增大先延长后缩短，其极差值达到28.91 min；前期土壤含水量在风干土～10%和15%～25%两段范围内，砂黄土坡面入渗产流规律差异十分显著。基于土壤水分累积入渗过程特征，塿土前期含水量可分成“三区”，砂黄土则可分成“两区”；利用前期土壤含水量与坡面土壤流失量的二次多项式关系，分别确定出塿土和砂黄土坡面土壤流失量最少的前期含水量值为11.25%和12.74%，为黄土区坡地水土管理提供理论依据。     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

模拟降雨下前期含水量对黄绵土坡面产流产沙过程的影响

为探究不同前期土壤含水量条件下坡面产流产沙特征及产流产沙关系，以安塞黄绵土为研究对象，通过设置6个前期土壤含水量处理(5%,10%,15%,20%,25%,30%),采用室内人工模拟降雨试验来系统研究前期土壤含水量对坡面产流产沙过程的影响。每个含水量处理设置2个重复，坡面坡度为15°,设计雨强为90 mm/h,降雨历时为1 h。结果表明：(1)随着前期土壤含水量的升高，坡面初始产流时间幂函数减小，产流量线性增大。(2)坡面土壤流失量随前期土壤含水量增大呈幂函数增加，高含水量组(29.3%)土壤流失量分别是低含水量组(5.8%和10.6%)和中含水量组(15.3%,20.4%,25.1%)的86.1,8.9倍。当前期含水量接近饱和时，坡面侵蚀加剧，土壤流失量迅速增加。(3)不同前期土壤含水量条件下坡面产流量与产沙量呈幂函数关系，当产流速率超过1.4 L/min,产沙量迅速增加甚至翻倍，呈“水大沙多”的特点。前期土壤含水量通过影响入渗产流和改变径流泥沙关系双重作用来影响坡面产沙。因此，对黄绵土坡面而言，应注意防范连绵持久降雨后暴雨或特大暴雨所造成的水土流失问题，可采取耕作、植被覆盖等措施维...     

草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

饱和与非饱和黄绵土细沟径流水动力学特征及侵蚀阻力对比

近地表水文状况显著影响坡面土壤侵蚀过程。土壤饱和状态作为一种特殊的近地表水文状况,其细沟侵蚀特征较之非饱和状态存在明显的差异。以黄绵土为研究对象,采用限定性细沟模拟冲刷,对比研究了饱和与非饱和状态下黄绵土的水动力特征和侵蚀阻力。结果表明:饱和黄绵土径流流速与坡度、流量之间符合良好的幂函数关系,坡度对流速的影响更甚;饱和黄绵土径流流速约为非饱和黄绵土的1.17倍,其坡面摩擦阻力仅为非饱和黄绵土的70.3%;同种工况下,非饱和黄绵土的径流含沙量和细沟径流动能明显偏低,随着径流动能增大,2种土的径流含沙量均呈现对数型增长,径流含沙量峰值稳定在400,280kg/m~3内;饱和与非饱和黄绵土的细沟可蚀性参数分别为0.088,0.057kg/(m~2·s),相应的土壤临界剪切力分别为0.773,1.561Pa,表明饱和黄绵土更易剥蚀、流失。     

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     

多场次降雨条件下不同土岩镶嵌坡面土壤侵蚀特征

为探究多场次降雨条件下喀斯特区不同土岩镶嵌坡面土壤侵蚀特征,采用人工模拟降雨方法,研究了四场次（每场间隔24 h）降雨条件下,三类土岩镶嵌坡面（岩石嵌入土层,未露出地表（全埋）;岩石嵌入土层,露出地表（半埋）和岩石未嵌入土层,覆盖在地表（覆盖））的土壤侵蚀特征。试验坡度为25°,降雨强度为50 mm·h-1,降雨历时为90 min。结果表明：（1）随降雨场次增加,全埋、半埋和覆盖地表径流量增大,而壤中流量和地下径流量则呈先增大后减小的特征。在前两场降雨中,三类土岩镶嵌坡面的地表径流量无明显规律,但后两场降雨中地表径流量呈现为半埋>全埋>覆盖;（2）随降雨场次增加,全埋、半埋和覆盖地表产沙量增大。除第一场降雨外,后三场降雨中半埋产沙量是全埋和覆盖的1.04倍~4.82倍;（3）在多场次降雨条件下,受前期降雨影响土壤含水量增大,后续降雨中地表径流和壤中流产流时间提前5~16 min。总之,在多场次降雨条件下,岩石嵌入土壤可以增加地表产流产沙。研究结果为进一步认识喀斯特石漠化坡地水土流失过程对气候变化的响应提供了科学依据。     

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d1mm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。     

玉米苗期横垄坡面地表糙度的变化及其对细沟侵蚀的影响

通过野外人工模拟降雨试验,研究玉米苗期紫色土坡耕地地表糙度的变化特征,并分析地表糙度对细沟侵蚀过程中产流及侵蚀产沙的影响。结果表明,细沟侵蚀阶段,与降雨前相比,降雨后地表糙度整体呈减小的变化趋势。不同坡度下,地表糙度变幅(Rr)均随雨强的增大而增大,其中15°坡面变化较为明显,1.0,1.5,2.0mm/min雨强下地表糙度变幅(Rr)分别为0.50,5.82,12.96。地表径流随雨强的增大而增大,壤中流变化不明显。15°坡面,1.5,2.0mm/min雨强的地表径流显著高于1.0mm/min;20°坡面,各雨强间地表径流量差异显著。坡面侵蚀产沙量随雨强的增大而增大,15°坡面,1.5,2.0mm/min雨强的侵蚀产沙量均显著高于1.0mm/min,其侵蚀产沙量较1.0mm/min条件下分别提高9.74倍和16.91倍;20°坡面,各雨强间侵蚀产沙量差异显著,1.5,2.0mm/min雨强的侵蚀产沙量较1.0mm/min条件下分别提高5.38倍和8.96倍。地表糙度变幅(Rr)、雨强与地表径流量和细沟侵蚀产沙量均呈极显著相关,可较好地实现坡面径流和侵蚀产沙的预测。     

沂蒙山区坡面侵蚀过程

通过组合不同降雨强度、坡度的室内模拟降雨试验,研究沂蒙山区坡面侵蚀过程。结果表明：坡面产流时间随降雨强度、坡度的增加而提前,降雨强度对产流时间的影响较大;径流速度与降雨强度、坡度正相关,降雨强度对径流速度的影响相对坡度较弱,褐土表面径流速度大于棕壤;坡面径流量随降雨强度增大而增大,随坡度的增大而减少;土壤侵蚀率与总侵蚀量皆随降雨强度、坡度的增大而增大,但波动规律不同,细沟侵蚀使土壤侵蚀率急剧增加。对于棕壤,小降雨强度时,坡度是影响侵蚀率的主导因子,大降雨强度时,主导作用被降雨强度替代;对于褐土,侵蚀率的大小主要受控于降雨强度。在相同试验条件下,棕壤的侵蚀率、总侵蚀量要大于褐土,说明棕壤抗侵蚀能力小于褐土。     

降雨类型对褐土横垄坡面土壤侵蚀过程的影响

雨型是影响土壤侵蚀过程的重要因子之一,而影响效应与耕作措施密切相关。目前,雨型对横垄坡面土壤侵蚀过程的影响机制尚不清楚。该文以褐土横垄坡面为研究对象,设计了平均雨强和降雨量相同的4种雨型(增加、减弱、增加-减弱和减弱-增加型),采用可同时调节垄向和坡面坡度的土槽进行模拟降雨,研究各个雨型下不同侵蚀阶段的产流产沙特征。结果表明:雨型间的径流量和侵蚀量在细沟间和细沟侵蚀阶段均差异显著,且差异在细沟阶段体现的更为明显。雨型间径流量的大小顺序为增加-减弱型减弱型减弱-增加型增加型,侵蚀量则为增加-减弱型减弱-增加型减弱型增加型。给定雨强下(30、60或90 mm/h),径流量、径流贡献率和侵蚀量贡献率均随降雨过程中雨强发生时序的延迟而增加,而单位径流侵蚀量呈相反趋势;雨型间给定雨强同一发生时序下的径流量和侵蚀量及其它们对总径流量和总侵蚀量的贡献率均差异显著。4种雨型下,幂函数均能很好的描述细沟间和细沟侵蚀阶段内产沙率与径流率间的关系,且方程中的指数均低于2,但雨型间幂函数方程中的指数存在明显差异。以上研究结果有助于深入理解褐土垄作系统下的土壤侵蚀机理,并为横坡垄作的合理利用提供科学指导。     

降雨和上方来水条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀特征

定量分析降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面产流产沙过程,对于完善多驱动力条件下堆积体坡面土壤侵蚀特征具有重要意义。该研究运用人工模拟降雨和冲刷试验,在野外径流小区(7 m×1 m×0.5 m,坡度36°)上分别开展5个降雨强度(40、50、70、100、120 mm/h)、4个上方来水强度(10、15、20、25 L/min)单独作用及共同作用下坡面土壤侵蚀过程试验,比较2种驱动力单独作用及共同下堆积体坡面土壤侵蚀与形态特征。结果表明:1)降雨条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现阶段性差异发育,中小雨强(40、50和70mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时延续呈现2个不同阶段(波动、平稳),侵蚀形态为不连续跌坎,大雨强(100和120 mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时的延续呈现3个不同阶段(波动、平稳、剧烈),坡面侵蚀形态为细沟。2)上方来水条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现相对平稳发育,坡面侵蚀形态均为细沟。3)上方来水与降雨共同作用下,堆积体坡面侵蚀过程呈现剧烈波动发育,产沙率随历时的延续呈现持续"多峰多谷"变化态势,随着时间延续,产沙率波动振幅逐渐增大,堆积体坡面侵蚀形态均为侵蚀沟,且发育剧烈。4)上方来水和降雨共同作用下,坡面径流量和泥沙量均增大,且泥沙量的增大幅度大于径流量,相比单独降雨,径流量和泥沙量分别增大86%~629%和86%~4914%,相比单独上方来水,径流量和泥沙量分别增大12%~175%和15%~505%。上方来水和降雨共同作用下,汇流与降雨之间存在交互作用,两者对径流和泥沙的影响均显著。研究结果对于完善堆积坡面土壤侵蚀特征及揭示复杂水动力条件下的侵蚀机理具有重要意义。     

黑土区坡耕地横坡垄作措施防治土壤侵蚀的土槽试验

为了研究黑土区坡耕地横坡垄作防治坡面土壤侵蚀的效应,该文利用8 m×1.5 m的试验土槽,设计3个降雨强度(50、75和100 mm/h)、1个典型坡度(5°)以及横坡垄作和无垄作(平坡裸地对照试验)的试验处理进行模拟降雨试验,研究东北黑土区横坡垄作坡面在不同降雨强度下的防治坡面侵蚀效应。结果表明:横坡垄作在50 mm/h降雨强度下坡面基本不发生土壤侵蚀,但在75和100 mm/h降雨强度下会发生断垄,造成防蚀效应急剧降低。横坡垄作坡面的径流和侵蚀过程均明显存在以断垄时间为界的突变,在3个降雨强度下,横坡垄作断垄前可使坡面径流量和侵蚀量分别减少97.7%和99.1%以上,坡面蓄渗率达到97.2%以上;而断垄后坡面径流量和侵蚀量分别增加23.3~25.9倍和136.8~171.5倍,蓄渗率下降至50%以下。试验研究表明横坡垄作在≤50 mm/h的降雨强度下具有很好的坡面防治侵蚀效应,但当遇到强降雨时易发生断垄,防蚀效应急剧降低。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

模拟降雨下初始含水量对砂黄土硝态氮迁移特征的影响

利用室内人工模拟降雨，研究了不同初始含水量砂黄土在降雨条件下入渗-径流、土壤侵蚀，以及NO3--N随径流流失和土壤深层淋溶特征。结果表明，初始含水量对产流时刻影响在相对含水量为49.4%和76.9%之间存在一个转折点，高初始含水量较低含水量产流提前大约15 min；土壤侵蚀量随着土壤初始含水量的增加而增加，相对含水量为97.1%时，侵蚀泥沙量分别是相对含水量22.9%的2.8倍，49.4%的2.3倍，76.9%的1.5倍。初始含水量高的处理径流初始NO3--N浓度高，随后各处理均衰减很快，10 min左右NO3--N含量趋于雨水本底值；土壤初始含水量越低，NO3--N被淋洗的程度越严重，土壤剖面中NO3--N的浓度峰越深。对于黄土高原坡地砂黄土NO3--N迁移特征来看，按照NO3--N迁移数量，随径流和泥沙流失量比向土壤深层迁移的数量小。说明在降雨条件下，NO3--N主要通过土壤深层淋溶损失，且土壤初始含水量越低其损失越严重。针对黄土高原降水量小，分布集中的特点，采取措施增加入渗，蓄积水分，在一定含水量下施肥，以提高氮肥利用率，降低NO3--N的淋溶。     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

不同土质工程堆积体径流产沙差异

依据野外调查结果概化堆积体下垫面,采用室内人工模拟降雨方法,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min)条件下4种砾石质量分数(0、10%、20%、30%)的壤土、黏土及砂土工程堆积体径流产沙特征差异。结果表明:1)砂土堆积体坡面产流开始所需时间较壤土及黏土堆积体长。3种土壤质地工程堆积体含砾石的平均流速较纯土体(砾石质量分数为0)小,大小表现为黏土壤土砂土。砂土堆积体平均径流率较壤土和黏土分别减少20.7%和18.8%;2)砂土堆积体平均侵蚀速率分别是壤土和黏土的3.0和2.3倍。3种土壤质地工程堆积体的平均侵蚀速率随雨强增大递增,但随砾石质量分数递增呈显著线性递减(P0.05);3)砂土堆积体平均侵蚀量分别是壤土和黏土的4.5和3.4倍。3种土壤质地工程堆积体的侵蚀量与径流量和雨强均显著相关。研究成果可为建立生产建设项目工程堆积体水土流失量测算模型提供数据基础和理论依据。     

粗质地土壤坡度和前期含水量对土壤侵蚀的影响

利用野外模拟降雨试验,研究了粗质地土壤裸地和苜蓿地在不同坡度(5°,15°,25°)、不同前期含水量(低、中、高)条件下坡面降雨产流、产沙的过程及其特征,以此探究该区退耕还草效益。结果表明:3种坡度条件下裸地和苜蓿地的产流过程在不同前期含水量下均为先增大后趋于稳定,不同坡度之间的径流量差异不显著,但泥沙流失量随着坡度的增大而显著增加,在降雨过程中先增大达到峰值趋于稳定波动,裸地的波动幅度大于苜蓿地。2种处理的前期含水量对径流量以及平均入渗率的影响均达显著水平,裸地在相同的坡度下,前期含水量由低水平增加到中水平、低水平增加到高水平,径流量分别增加38.2%~52.8%,39.7%~42.8%,苜蓿地径流量分别增加27.3%~77.8%,45.5%~91.1%。坡度对泥沙流失量及含沙率影响显著,在相同的前期含水量下,裸地由5°增加到15°,15°增加到25°的泥沙流失量分别增加96.3%~268.7%,6.9%~40.3%,苜蓿地的泥沙流失量分别增加81.1%~384.2%,61.7%~169.9%。在相同坡度和前期含水量下,苜蓿地的径流量和泥沙流失量均显著低于裸地。研究结果表明粗质地土壤前期含水量和坡度显著影响坡地土壤侵蚀过程和总量,植被不但因为冠层拦截而减少径流,而且因为耗水量增加,降低了土壤前期含水量而减水减沙。