华西雨屏区退耕地不同植被经营模式坡面径流和产沙特征分析

利用建立坡面径流观测场,对洪雅县低山区退耕还林中几种植被恢复模式进行定点观测。结果表明:(1)该区域产生坡面地表径流和土壤侵蚀最更本的原因是土地的耕作与否,3年未被直接扰动土壤的退耕地土壤侵蚀量仅是耕地的13.3%～37.9%;(2)林 草、竹 草种植模式的地表径流和土壤侵蚀特征既不同于农耕地,又与未被扰动的生态林植被相差较大。表现为随植被经营利用而出现阶段性的变化,牛鞭草的刈割对退耕地地表径流和土壤侵蚀影响较大。进一步研究、完善林 草、竹 草生态经营技术体系,提高该类退耕种植植被恢复模式的调蓄降雨能力,对指导退耕还林及植被经营有重要的意义。     

生产建设项目边坡及弃土侵蚀影响机制研究进展

生产建设项目的土壤侵蚀是土壤侵蚀学科研究的热点话题.生产建设项目边坡及弃土侵蚀是一种典型的人为加速侵蚀,严重制约着生态文明建设和经济的发展.本文对边坡和弃土侵蚀影响机制,从降雨径流条件、土壤特性、地形及微地貌因子、水土保持防护措施等方面,将国内外研究成果进行了系统阐述.首先,总结了国内外边坡和弃土坡面侵蚀在降雨径流条件下,其坡面泥沙剥蚀、运移、沉积过程和坡面水流条件的时空变化;指出在土壤自身特性(包括外来物石砾、土壤物理性质、土壤添加物等)条件下,土壤中石砾质量分数是边坡和弃土坡面侵蚀水沙变化的重要因子,土壤物理性质决定坡面径流发生与否,土壤添加物促进土壤团聚过程,增加入渗为主;其次,揭示了坡面地形及其微地貌条件下,影响径流再分配和侵蚀分异特征;最后,对边坡及弃土坡面侵蚀在水土保持防治措施下,调控径流、削减泥沙的效果进行分析,并为今后生产建设项目边坡及弃土侵蚀研究的内容和方向作出展望,为边坡和弃土水土流失防治提供理论依据.     

植被覆盖坡面土壤侵蚀的水动力学机理

[目的]研究植被覆盖坡面土壤侵蚀发生的动力学机制,为揭示华北土石山区植被覆盖坡面侵蚀机理提供理论支撑。[方法]从坡面径流水动力学特性出发,基于人工模拟降雨的方法,定量研究油松、侧柏、栓皮栎和酸枣覆盖坡面径流水动力学过程和侵蚀过程的相互关系。[结果]侧柏覆盖坡面的产流量最大,平均总产流量为56.85 L。而产沙量最高的则是栓皮栎覆盖坡面,平均总产沙量高达1 189.15 g。各植被覆盖坡面径流流速范围为0.803±0.213～4.276±0.430 m/min。栓皮栎覆盖坡面径流流速最快,平均流速为2.930 m/min。4种植被覆盖坡面径流雷诺数和弗劳德数范围分别为7.271～62.630和0.177～0.900,径流雷诺数与弗劳德数均随着降雨强度的增大而增大。[结论]坡面植被覆被具有良好的减流减沙效果。植被覆盖坡面径流水动力学要素与产沙率密切相关,是预测土壤侵蚀过程的重要因子。     

土壤侵蚀过程中坡面流水力学特性及侵蚀动力研究评述

土壤侵蚀动力过程是水流和土壤两者相互作用的复杂物理过程,而含沙水流是土壤侵蚀的主要动力,深入理解坡面流水力学特征及侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学规律的基础.本文从坡面流水力学特性及侵蚀动力,包括:流速、水深、流态、阻力规律以及坡面流的切应力、冲刷动力、运动能量等多方面对国内外关于土壤侵蚀动力过程研究进行了系统深入的评述,并探讨了研究中存在的问题,重点指出:坡面流作为三维、非恒定非均匀沿程变量流,流动形态千变万化,坡面状况较为复杂,其均匀流理论远不能真实反应自然界复杂地表状况下的水流水力学特性及其变化规律.开展复杂地表的水流运动过程、水力学参数变化规律及坡面侵蚀水动力过程研究是今后土壤侵蚀水动力学研究的重要方向,这对于深入了解土壤侵蚀水动力过程的内在机制、构建物理侵蚀模型具有重要的研究意义.     

黄土坡面土壤侵蚀中溶质随径流迁移的水动力特性研究

通过对比分析坡面水流的水动力参数与径流溶质迁移量间的关系,研究了不同地表状况下黄土坡面土壤溶质随径流迁移的水动力学特性,以求深入了解和认识坡面土壤侵蚀中溶质随径流迁移的本质机理。研究结果表明:不同坡面地表状况下,糙率系数和平均水深之比(n/h)与侵蚀过程中随径流迁移的溶质存在一定的关系,径流溶质Br-平均浓度、径流溶质Br-的平均流失率以及径流溶质Br-的相对流失量均随n/h的增加而减小。径流溶质Br-的平均流失率以及径流溶质Br-的相对流失量与水流水动力学参数n/h具有指数关系。     

坡面径流泥沙计算中急需解决的认识问题

基于土壤侵蚀规律的研究特点，特别是坡面水蚀动力过程的研究需要，对已往传统的坡面径流泥沙计算方法进行了分析，结果表明，传统的计算方法误将土壤中的孔隙水当做坡面径流，导致误将坡面的侵蚀对象及搬运物当做坡面的侵蚀动力，给进一步分析坡面水蚀动力机制带来了困难，本文在上述分析的基础之上，提出了坡面径流泥沙的计算方法，与传统方法对照，进行了误差分析，结果表明，当土壤容重为１．２ｔ／ｍ＾３时，若含沙量达４００ｋ     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

由山林火灾导致植被变化的流域泥沙流失实态

由于山林火灾、风灾、坡面崩塌等致使流域内的植被出现大规模的变化之后,多发生土壤侵蚀.在山林火灾发生地区,以往的研究认为,由于火灾使地表形成了一种防水层、火灾产生的灰使得土壤孔隙阻塞;表层土的团粒结构被破坏等原因,导致土壤渗透力下降,地表径流增大,水土流失加剧.另一方面,关于侵蚀量的时间系列变化,根据实地观测结果,山林火灾之后的侵蚀量大于其植被恢复后的侵蚀量,因土壤燃烧程度不同侵蚀量也存在差别.另一种观点认为,由于火灾使土壤团粒结构强化,侵蚀量减少.关于以往侵蚀方面的研究,大体是在坡面上设置小面积的试验地进行短期间(1 a以内)的观测所得到的结论.到目前为止,还没有在具有一定面积的流域内对侵蚀量的变化进行长期的观测研究的结论.为探明火灾后泥沙流失的机制,掌握长期的泥沙流失量,给将来的预测提供理论依据,对山林火灾后4 a的泥沙流失量进行了调查研究.     

典型薄层黑土区前期地表风蚀作用影响坡面水蚀的研究

水力、风力、冻融作用等多营力叠加的复合土壤侵蚀是东北黑土区土壤侵蚀的重要特征,但目前该地区复合土壤侵蚀研究还相当薄弱,进而影响黑土复合侵蚀防治措施的精准实施。采用室内风洞试验和模拟降雨试验相结合的方法,分析前期地表风蚀作用对黑土坡面水蚀的影响。结果表明:(1)前期地表风蚀作用使坡面产流时间明显滞后,但其显著增加了坡面水蚀量(P0.05),且坡面径流和水蚀强度均随前期风蚀作用的风速增加而增加。(2)前期地表风蚀作用对后期坡面水蚀产生了明显的正向效应,地表风蚀作用对坡面水蚀的贡献随前期风蚀作用的风速增大而显著增加,且雨强较小时前期地表风蚀作用对后期坡面水蚀的影响更加明显。在50和100mm·h~(-1)两种降雨强度下,9、12和15m·s~(-1)风速的风蚀作用对坡面水蚀量的贡献率分别为24.2%、45.4%、80.3%和17.5%、26.3%、46.3%。(3)地表风蚀作用增加坡面水蚀的主要原因一方面是前期风蚀作用使土壤抗侵蚀能力指标(地表土壤抗剪强度和土壤硬度)减小;另一方面是风蚀过程中的风沙颗粒运动冲击、摩擦地表,使坡面形成了风蚀凹痕微形态,改变了后期坡面水蚀过程的径流路径,加快了坡面径流汇集,增加了坡面径流流速和减少了水流阻力,从而增加了坡面径流侵蚀力和搬运能力;此外,前期风蚀作用也为后期坡面水蚀过程提供了侵蚀物质。本研究结果不仅丰富了复合土壤侵蚀理论,也为黑土区土壤侵蚀防治提供了科学依据。     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量(10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1)对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子(Br-)迁移过程进行了研究。结果表明:不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。     

淤地坝“淤满”后的水沙效应及防控对策

黄土高原大规模的淤地坝建设在减少黄河泥沙以及改善区域生态环境方面发挥了巨大作用.但是,在淤地坝“淤满”的极端条件下,关于其水沙效应变化及防治对策的研究还较少涉及.经分析,淤地坝“淤满”后:1)坝控范围内坡度降低,径流长度减少,沟道比降降低,而横断面由原来的“V”型沟道,演变为“U”型沟道;2)以关地沟4号坝为例,使用RUSLE计算,修建淤地坝前,坝控范围内平均每年土壤侵蚀模数为4 472 t/(km2 ·a),淤满后,土壤侵蚀模数下降至4 019 t/(km2·a),降幅约10％,“原地”减蚀作用显著,从修建至淤满阶段,拦沙作用巨大;3)淤地坝淤满后,坝地流速显著降低,从修建淤地坝前的0.83 m/s降至0.27 m/s,但坝体外坡的流速显著增加,特别是坡底,最大流速可达3.76 m/s;4)淤地坝淤满后,淤地坝“异地”减蚀作用会降低.基于上述变化,针对淤地坝淤满后的极端条件,本文提出如下防治对策:1)以小流域为单元,以溢洪道为主体,完善沟道排洪设施布设,提高支沟内以及支沟与主沟的连通度,提升排洪能力;2)遵循“因地制宜”原则,科学合理植树种草、修建梯田,加强坡面治理,减少坡面来水来沙,消耗和分散坡面来水侵蚀能量,降低坝地淤满后被损毁的风险;3)采取“截水沟和排水沟相结合,工程措施和植物措施相结合”的方法,做好坝体陡坡防治,提高坝体外边坡植被覆盖度.研究结果以期为黄土高原淤地坝建设提供理论支撑.     

喀斯特地区不同降雨和植被覆盖的坡面产流产沙特征

[目的]分析不同降雨类型下的径流和产沙量特征,及其在不同植被覆盖类型和植被覆盖度下的响应,为喀斯特地区黄壤坡面在不同降雨和植被覆盖条件下的产流和产沙量动态特征研究提供理论基础。[方法]以贵州省黔南州龙里县羊鸡冲小流域2014—2018年径流小区实测数据为基础,基于均值分类的方法,将研究区降雨类型划分为4类,对各指标进行相关性分析、回归模型模拟以及指数函数分析。[结果]不同降雨对研究区产流产沙的影响程度不同,不同植被覆盖类型下降雨特征对产流产沙的影响存在明显的差异。总体上A型降雨(极强雨强,极大降雨量、中等降雨历时的低频次降雨事件)更容易造成侵蚀性危害,该条件下坡面产流和产沙量之间显著相关,并且经果林表现出极好的水土保持效果;B型降雨(强雨强,中等降雨量、短降雨历时的高频次降雨事件)为该地区主要降雨类型;在4种降雨条件下,混交林的水土保持效果优于其他植被覆盖类型。产沙量与雨强、径流深正相关,和植被覆盖度负相关,对产沙量的影响为:径流深平均雨强植被覆盖度。当植被覆盖度到达80%左右,其削减径流以及减沙的效果处于稳定的状态。[结论]在降雨一定的前提下,植被是影响坡面产沙量的关键因子。对于喀斯特地区黄壤坡面而言,增加地表覆盖度是减少产沙量的基础,也是防治水土流失的一项重要举措。     

草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益分析

研究草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙效益对科学评价草被防止土壤侵蚀的作用有重要科学意义。采用模拟降雨试验，分析了草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益。结果表明，草被与森林植被一样，能有效防止土壤侵蚀。当草地地面覆盖达90％时，草被拦蓄径流效益达90％以上，而基本上无侵蚀发生。草被地上部分（茎枝＋枯落物）拦蓄径流效益为23．7％，其中茎枝部分拦蓄径流效益为9．0％和枯落物层拦蓄径流效益为14．7％，减少泥沙效益为44．6％；草被地下部分土壤体拦蓄径流效益为72．7％，拦蓄泥沙效益为55．4％。     

Sediment transport rate-based model for rainfall-induced soil erosion

A one-dimensional mathematical model, termed sediment transport rate-based model, is developed for determining rainfall-induced soil erosion and sediment transport. The model is comprised of (1) the kinematic-wave equation for overland flow, (2) a transport rate-based advection equation for rainfall-induced soil erosion and sediment transport, and (3) a semi-Lagrangian algorithm for numerical solution of the soil erosion and sediment transport equation. A series of soil flume experiments under simulated rainfalls were conducted to simulate the overland flow and sediment transport and to test the sediment transport rate-based model. Numerical results of sediment transport rate-based model indicate that (i) hydrographs display an initial rising limb, followed by a constant discharge and then a recession limb; (ii) sediment transport rate graphs exhibit the distributions similar to the hydrographs; and (iii) sediment concentration graphs show a steep-receding limb followed by a constant distribution and a receding tail. The numerically simulated hydrographs, sediment transport rate and concentration distributions are in good agreement with those measured in laboratory experiments, demonstrating the efficacy of the transport rate-based model.     

川北紫色土小流域植被建设的水土保持效应

定量评价林草植被的水土保持功能对合理指导紫色土区的流域综合治理具有重要作用。该研究基于鹤鸣观流域Ⅱ号支沟1985-2001年逐日径流量和输沙量,结合实测日降雨量,采用Spearman秩相关统计法分析流域径流和输沙变化趋势,应用流量历时曲线和双累积曲线分析流域植被建设实施前后径流和输沙变化特征,并定量评估植被建设的水土保持效应。结果表明:结合防护林营造时间和双累积曲线分析,把水文序列分为基准期(1985-1990年)和评价期(1991-2001年),相比基准期,评价期小流域的年均降水量减少约8.1%,而年径流深和年输沙模数却分别减少34.6%和89.9%,说明以植被建设为主的人类活动起到重要作用。同时,植被建设的削洪增枯效果明显,评价期的丰水日径流深和平水日径流深较基准期分别减少了84.2%和76.3%,而枯水日径流深却增加了650.0%;结合双累积曲线和分离判别法可知,植被建设在径流和输沙变化中的贡献率分别达92.9%和94.3%,大规模的植被建设在减少土壤侵蚀的同时也减少了产流量,考虑到水安全问题,未来植被建设应合理规划。     

民勤绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响

[目的]研究绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响,评估保护性耕作在该区防治农田土壤风蚀的作用,为揭示相关机理提供参考。[方法]以甘肃省民勤治沙综合试验站为例,通过野外风洞试验,以传统耕作为对照,分析保护性耕作对风速廓线、风沙流结构(输沙量)、风蚀量的影响。[结果]保护性耕作近地表风速降低,大风时近地表风速随高度增加仍均匀增大,与传统耕作迅速增大不同,从而阻止风沙流结构出现"象鼻效应",输沙量在0—20 cm减小最为明显,土壤风蚀量减小。随试验风速的增大,保护性耕作土壤风蚀减小的程度越大。[结论]绿洲灌区保护性耕作能有效防止土壤风蚀,其中,立茬地表风速降低最多,输沙量、风蚀量较小,实施简便,适宜推广应用。     

Soil erosion and hydrological response to land abandonment in a central inland area of Portugal

This paper analyses the effects of land abandonment on runoff and sediment yield in a central inland area of Portugal. Rainfall simulation experiments were performed in areas of traditional land use (land cultivated with cereals) with various types of soil plant cover associated with the period of abandonment (4–5 years, 15–20 years and 30–40 years) in two different seasons, namely under very dry conditions and after a long wet period. Statistical analysis showed a notable difference between the cultivated soils and those abandoned for a long period of time, which included appreciable vegetation recovery, higher organic matter content and negligible overland flow and soil loss. Cereal cultivation, in particular ploughing, is a very negative land management practice, due to the high runoff and soil loss. Within 4–5 years a crust develops over abandoned soils with sparse herbaceous plant cover, particularly after a dry season, which enhances runoff and sediment yield. In scrubland and oak plots, although marked water repellency was registered at the end of a dry, warm season, its influence seems to be irrelevant in terms of overland flow and erosion yield. The major factor in controlling overland flow and reducing soil erosion rates appears to be the role played by vegetation in protecting the soil surface and supplying organic carbon to the top layer. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。