黄土高塬沟壑区植物路面与土质路面水动力参数特征对比

 黄土高塬沟壑区道路侵蚀异常严重,给农业生产与农产品运输造成了极大不便,目前情况下植物路是防治道路侵蚀最经济有效的方式。通过野外放水冲刷试验,系统对比分析了植物路与土质路土壤剥蚀率与各水动力参数间的关系。结果表明:3°9°的植物路较土质路平均减沙64.68%;道路侵蚀剥蚀率与各水力学参数之间具有很好的相关性,其中水流功率与土壤剥蚀率相关性最高;土壤剥蚀率与水流剪切力呈幂函数关系,与水流功率和单宽能耗呈线性关系。研究结果对深入揭示植物路防蚀机制有重要意义。     

坡面土壤剥蚀率与水蚀因子关系室内模拟试验

为了确定影响十壤剥蚀率的丰要侵蚀因子,该文采用变坡土槽在较大坡度(9°～24°)和流量(2.5～6.5 L/min)范围内进行了径流冲刷试验,运用逐步回归法,系统地分析了土壤剥蚀率与坡度和流量、水流剪切力、水流功率、单位水流功率和单宽能耗各因子之间的关系,建市了基于水流功率和坡度的土壤剥蚀率二元线性公式(R2=0.977).结果表明,土壤剥蚀率和各水蚀因子都显著相关,土壤剥蚀率与坡度和流量呈幂函数关系(R2=0.77),土壤剥蚀率与水流剪切力呈幂函数关系(R2=0.908),土壤剥蚀率随着水流功率的增加呈线性增加(R2=0.945),土壤剥蚀率和单宽能耗呈线性关系(R2=0.91),土壤剥蚀率与单位水流功率呈三次方关系(R2=0.52);坡度和水流功率是影响土壤剥蚀率的土要凶素.     

土壤剥蚀率与水流功率关系室内模拟实验

为了验证土壤剥蚀率模拟公式，系统地研究土壤剥蚀率与坡度和流量、水流功率之间的关系，该文在较大坡度范围(3°～30°)和流量(2.5～6.5 L/min)进行了径流冲刷实验，实验结果表明：土壤剥蚀率是坡度和流量的幂函数，随着坡度和流量的增大而增大；坡度和流量与土壤剥蚀率之间呈显著相关关系，流量对土壤剥蚀率的影响明显大于坡度；土壤剥蚀率随着水流功率的增加呈线性增加(R²=0.945，9°≤S≤24 °)，当水流功率大于土壤剥蚀临界水流功率0.344 N/(m·s)时，土壤发生剥蚀；利用水流功率可以更准确地预测土壤剥蚀率。     

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。     

急陡黄土坡面土壤剥蚀率变化的水动力学机制研究

为探明模拟降雨条件下急陡黄土坡面侵蚀产沙的水动力学特征,采用室内模拟降雨的方法研究了6个坡度(25°,30°,35°,40°,45°,50°)和3个雨强(1.0,1.5,2.0mm/min)组合条件下急陡黄土坡面土壤剥蚀率变化规律以及土壤剥蚀率与各水动力学参数之间的关系。结果表明:同坡度下土壤剥蚀率随雨强的增加而增大,相同雨强下坡度对土壤剥蚀率的影响存在临界效应(40°~45°),当坡度小于临界坡度时,土壤剥蚀率随着坡度的增加而增大,当坡度大于临界坡度时,土壤剥蚀率随坡度的增加而减小;径流剪切力、径流功率与过水断面单位能随坡度和雨强的增大均呈增加趋势,其中规律最好的是径流功率;急陡黄土坡面土壤剥蚀率与平均径流剪切力、平均径流功率与平均过水断面单位能均呈幂函数关系,就拟合优度而言,R~2(ω)R~2(τ)R~2(E)。因此本试验条件下平均径流功率是描述急陡黄土坡面径流侵蚀的最优水力学参数。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。     

野外模拟降雨条件下矿区土质道路径流产沙及细沟发育研究

为研究矿区土质道路径流产沙及细沟形态发育特征,在野外调查的基础上,设计坡度(3°、6°、9°、12°)和雨强(0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min)2个处理,在野外建立不同坡度的道路小区,采用人工模拟降雨的方法,测定了不同处理道路径流产沙参数和细沟形态指标。结果表明:1)各坡度道路径流率为1.12~8.24 L/min,与雨强线性关系极显著,随坡度变化不显著;除0.5 mm/min雨强3°~9°坡及1.0 mm/min雨强3°坡道路径流流态为层流外,其余为紊流,雨强-坡度交互作用(I×S)对流态影响显著;阻力系数只与坡度相关。2)各坡度道路剥蚀率为0.92~324.46 g/(m2·s),与雨强、坡度和径流率呈极显著幂函数关系(R2=0.968,P0.01),道路土壤发生剥蚀的临界剪切力和临界径流功率分别为2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。3)3°道路以片状侵蚀为主,6°~12°道路细沟发育,细沟宽深比、复杂度、割裂度和细沟密度分别为1.80~3.75、1.07~1.55、0.20%~10.33%和0.067~2.01 m/m2,细沟发育程度是雨强和坡度交互作用(I×S)的结果。4)6°~12°道路细沟侵蚀量占总侵蚀量比例为18.0%~57.16%,总侵蚀量与细沟宽深比、细沟复杂度、细沟割裂度和细沟密度均呈显著的函数关系(R2=0.35~0.96,P≤0.01),割裂度是影响土质道路总侵蚀量的最佳细沟形态因子。结果可为矿区土质道路水土保持工程设计及生产安全提供参数支持。     

黄土区坡耕地耕作对浅沟径流产沙及其形态发育特征的影响

为研究耕作对浅沟径流产沙及形态发育特征的影响,在野外调查的基础上,设计坡度(15°、20°、25°)、雨强(1.0、1.5、2.0 mm/min)及放水流量(7.53~23.45 L/min)3个处理,采用室内模拟降雨和放水冲刷的方法,测定了不同处理下浅沟径流量、产沙量。结果表明:1)2种浅沟水流均为紊流,耕作使浅沟水流雷诺数和弗劳德数分别减小0.95%~30.77%、2.64%~39.14%,阻力系数和糙率系数分别增加4.01%~58.82%、0.88%~27.87%;2)试验条件下,耕作使浅沟土壤剥蚀率增大9.48%~37.87%,未耕作与耕作浅沟土壤剥蚀率分别与坡度—流量交互作用、雨强—坡度交互作用呈极显著线性关系,土壤剥蚀率与径流剪切力、径流功率及单位径流功率均呈显著的线性关系,未耕作浅沟发生剥蚀的临界剪切力、临界功率及临界单位径流功率分别为17.576 N/m2、5.036 W/(m2·s)、0.0381 m/s,耕作浅沟为10.585 N/m2、3.544 W/(m2·s)、0.0277 m/s;3)耕作使浅沟宽度增加1.98%~31.79%,浅沟面积增大0.84%~32.03%,下切深度降低2.82%~26.67%;4)耕作使浅沟土壤侵蚀量增加0.91%~22.80%,未耕作和耕作浅沟土壤侵蚀量分别占坡面土壤侵蚀总量的44.09%~74.16%和42.44%~56.44%,与雨强—流量交互作用均呈极显著的线性函数关系。结果可为该区浅沟侵蚀预测模型的建立及农业生态环境安全与保护提供科学依据。     

冻融坡面土壤剥蚀率与侵蚀因子关系分析

为确定影响冻融坡面土壤剥蚀率的主要土壤侵蚀因子,采用2个(10°、15°)坡度、2个(3、9 L/min)流量和4个(2、5、8、11 cm)起始解冻深度组合进行野外冲刷试验,分析土壤剥蚀率随坡度、流量和解冻深度变化规律,研究土壤剥蚀率与水蚀动力参数(径流水深、水流剪切力、水流功率、单位水流功率)间的相关关系,运用逐步回归分析方法,建立冻融坡面土壤侵蚀预测模型。结果表明:相同起始解冻深度条件下土壤剥蚀率随着坡度和流量的增加有增大的趋势,相同坡度条件下,流量为3 L/min时,起始解冻深度5 cm时土壤剥蚀率最大;流量为9 L/min时,随着起始解冻深度的增加土壤剥蚀率增加;土壤剥蚀率与水流剪切力、水流功率、单位水流功率分别呈显著线性正相关关系(P0.01);建立了基于水流功率和起始解冻深度的土壤剥蚀率预测方程(R~2=0.967)。     

土壤侵蚀物理模型中紫色土细沟侵蚀参数研究

以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟土槽,研究不同流量、坡度和沟长情况下,紫色土细沟侵蚀特征,并量化了细沟侵蚀参数。结果表明:细沟侵蚀受水流水力特征、土壤性质和坡面影响,随着水流含沙量的增大,细沟侵蚀速率呈现减小趋势;流量越大,坡度越陡,细沟水流的剥蚀率越大,造成细沟侵蚀速率也越大。在5L/min的小流量下,细沟侵蚀速率受剥蚀率限制与含沙量没有出现线性关系,15,25L/min流量下,细沟侵蚀速率与含沙量呈线性相关。侵蚀速率在细沟开始处最大,随沟长的增大,水流能量消耗于挟带泥沙而迅速减小,相关性分析得到侵蚀速率与沟长呈指数递减,相关系数R2变化于0.45~0.98之间。通过回归分析得到试验条件下,紫色土细沟土壤可蚀性均值为0.005 3s/m,临界剪切力均值为2.92Pa。研究结果对于坡面土壤侵蚀物理模型的建立和推广应用提供数据支撑,为紫色土坡面侵蚀研究提供借鉴。     

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间，揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法，通过2.125、3.205、5.250、7.185 L/min 4个不同的放水流量，在4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上，对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明：对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125 L/min时的38.13％，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01％。对于黄土高原水土流失治理，单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量，采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。     

黄土高原水蚀风蚀交错区风沙土细沟分离能力探究

细沟侵蚀产沙是黄土高原水蚀风蚀交错区坡面侵蚀产沙的主要来源,明确该区细沟侵蚀过程特征及其影响因素,对有效防控入黄泥沙和维护流域安全具有重要的科学意义和实践价值。选取水蚀风蚀交错区下垫面典型风沙土为研究对象,通过不同流量(3,5,7,9,11 L/min)、不同坡度(9°,12°,15°,18°,21°)组合下的室内水槽冲刷试验定量揭示风沙土细沟分离过程对坡度、流量以及流速的响应关系,并建立分离能力方程。结果表明:(1)分离能力对坡度和流量的响应均呈线性正相关关系,且相关性极显著。流量对风沙土分离能力的影响大于坡度。除了受到坡度、流量的影响,分离能力还受到坡度和流量叠合作用的影响,这3种因子对分离能力影响由强到弱依次为流量、坡度和流量的叠合作用、坡度,且分离能力与这3种因子的关系可用线性正相关关系表示。(2)流速可作为反映坡度和流量之间叠合作用的关键因子。细沟分离能力对流速的响应呈显著线性正相关关系,试验条件下,临界流速为0.607 m/s。(3)坡度与流量组合下,坡度、流量与坡度和流量叠合作用组合下,单个流速因子下以及坡度、流量与流速因子组合下的4个分离能力方程均能较好地预测和模拟风沙土的分离能力,其中考虑坡度、流量以及坡度和流量叠合作用的方程拟合效果最佳。该研究结果可为完善水蚀风蚀交错区细沟水蚀过程模型提供一定的理论基础。     

黄土丘陵沟壑区浅沟水流水动力学参数实验研究

浅沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区重要的侵蚀类型,浅沟水流的水动力学参数研究是建立浅沟侵蚀物理模型或概念模型的基础。以黄土丘陵沟壑区延安市燕儿沟小流域的坡地为对象,通过野外放水冲刷实验,对浅沟水流的水动力学参数变化特征进行研究。结果表明：浅沟水流属于紊流范围,大多数情况下是急流;在坡度18°左右时,携沙水流的流速最小,阻力最大,此时水流的能量分配在侵蚀与携沙之间达到平衡;浅沟水流在坡度26°左右时流速达到最大,水流功率达到最大,最利于浅沟侵蚀的发生和发展。研究结果可为黄土区浅沟侵蚀物理模型的建立提供理论支撑。     

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.     

Modeling Interrill Erosion on Unpaved Roads in the Loess Plateau of China

Unpaved roads play an important role in soil loss in small watersheds. In order to assess the impact of these unpaved roads in the Loess Plateau of China, runoff and sediment yields from road‐related sources must be quantified. Field rainfall simulation experiments were conducted under three slope gradients and five rainfall intensities on unpaved loess roads in a small watershed. Results showed that the runoff generation was very fast in loess road surface (time to runoff < 1 min) and produced a high runoff coefficient (mean value > 0·8). Soil loss rates were decreased as surface loose materials were washed away during a rainstorm. Rainfall intensity, initial soil moisture, and slope gradient are key factors to model surface runoff and sediment yield. Soil loss on loess road surface could be estimated by a linear function of stream power (R² = 0·907). Four commonly interrill erosion models were evaluated and compared, and the interrill erodibility adopted in the Water Erosion Prediction Project model was determined as 1·34 × 10⁶ (kg s m⁻⁴). A new equation taking into account different parameters like rainfall intensity, surface flow discharge, and slope gradient was established. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

董志塬沟头溯源侵蚀过程及崩塌中孔隙水压力变化

为研究董志塬沟头溯源侵蚀过程及孔隙水压力变化规律,采用模拟降雨+放水冲刷的方法,研究集水区坡度(1°、3°、5°、7°)和放水流量(3.0、3.6、4.8、6.0、7.2m3/h)对董志塬沟头溯源侵蚀过程和孔隙水压力特征值的影响。结果表明:1)崩塌发生频率由试验初期0～30 min时的6.29%增加到150～180 min时的27.48%。2)放水流量为3.0～7.2 m3/h时,产沙率随试验时间呈对数函数减小。产沙量随坡度和放水流量的增加而加大,建立了产沙量与二者间的多元线性回归方程。3)坡度为1°～7°时,崩塌会增加22.75%～324.59%的产沙率,产沙率突变点出现时间相较于崩塌而言存在"滞后"现象。4)孔隙水压力随试验时间呈显著线性或对数函数关系,孔隙水压力的上升是影响溯源侵蚀崩塌发生的关键因素。研究结果可为黄土高塬沟壑区生态治理提供参考。     

上方来水来沙对浅沟侵蚀产沙及水动力参数的影响

 浅沟侵蚀是黄土高原重要的侵蚀类型,上方汇水对坡面浅沟侵蚀具有重要的影响。采用野外放水冲刷试验,定量分析26°坡耕地在上方来水量为5、10和15L/min时对坡下方浅沟侵蚀产沙及其水动力参数的影响。结果表明：上方来水的汇入使浅沟水流流速明显增大,雷诺数、弗劳德数、水流功率和剪切力分别增大33%～76%、21%～47%、29%～72%和18%～42%,阻力系数减少11%～13%,导致浅沟侵蚀产沙量明显增大;除流速和弗劳德数外,其余水动力参数随放水时间的延长呈递增趋势;上方来水使浅沟侵蚀产沙量相对增量与水流功率和剪切力相对增量均呈幂函数关系。     

黄土丘陵沟壑区浅层滑坡和崩塌形态特征与发育临界地形

退耕还林(草)工程的深入实施有效遏制了黄土高原水土流失,但以浅层滑坡和崩塌为主的重力侵蚀在黄土高原广泛分布,且已成为小流域侵蚀泥沙主要来源之一.为探究黄土丘陵沟壑区浅层滑坡和崩塌的形态特征和发育临界地形,在陕西省安塞区纸坊沟小流域调查了 53处浅层滑坡和40处崩塌,记录其植被特征,同时进行无人机摄影测量.结果表明:浅层...     

黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙来源模拟试验

为了进一步明确黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙主要来源及其动态变化过程,该文利用室内概化坡沟系统模型,结合稀土元素（REE）示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原的坡沟系统侵蚀泥沙来源问题进行了研究。结果表明,在该试验的坡沟系统中,侵蚀泥沙主要来自坡沟系统的坡面,距离坡面顶端2 m的侵蚀产沙量占到坡面总侵蚀量的57%～74%,沟坡部分的侵蚀产沙量较少;坡面部分的4种示踪元素侵蚀带,在流量为6、8、10和14 L/min时,各个侵蚀带的侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Tb元素示踪带＞Sm元素示踪带,但在流量为12 L/min时,侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Sm元素示踪带＞Tb元素示踪带;坡面侵蚀产沙泥沙百分比随着冲刷历时的增长,总体上呈现出波动式的递增趋势,25 min以后又开始减小,沟坡侵蚀产沙量的变化趋势与坡面相反。研究为黄土高原小流域坡沟的治理提供了科学依据。     

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.