基于7Be示踪和细沟沟网分形维数研究坡面土壤侵蚀

本文试图结合7Be示踪和分形理论定量化描述降雨对坡面的侵蚀过程。7Be示踪结果显示,降雨初期,坡面细沟间侵蚀贡献率高,细沟侵蚀贡献率低,随着降雨的进行,细沟间侵蚀贡献率降低,而细沟侵蚀贡献率增大并处优势,在降雨后期,细沟间侵蚀贡献率又有增大的趋势。整个降雨过程坡面细沟沟网分形维数整体呈增大趋势,在细沟发育中前期增加快,后期增加变缓,中间有波动。细沟沟网分形维数与总侵蚀量和细沟侵蚀量均呈正相关,分维变与相对应总侵蚀量和细沟侵蚀量也均呈正相关,但与细沟侵蚀量的相关性最好,说明细沟沟网分形维数可表征细沟发育过程和坡面侵蚀强度的变化。     

稀土元素示踪坡面次降雨条件下的侵蚀过程

为定量研究次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程,该文利用REE-INAA（稀土元素-中子活化分析）方法,将REE元素沿坡面垂直分层布设并结合室内模拟降雨试验,研究了次降雨条件下面蚀和细沟侵蚀的转变和动态发育过程。结果表明：降雨初期坡面主要发生面蚀,细沟出现后,坡面侵蚀将加快加剧,细沟侵蚀深度随之迅速增加。坡面侵蚀中面蚀量约占总侵蚀量的30%左右,细沟侵蚀量占70%左右。单位深度范围内最上层土壤侵蚀量最大,向下依次递减。可以将坡面侵蚀形态演变过程划分为面蚀、细沟发育和细沟稳定3个阶段,各阶段转化都有明显的拐点出现。因此,利用REE-INAA方法可以对土壤侵蚀演变过程进行较准确地定量研究。     

7Be示踪坡耕地次降雨细沟与细沟间侵蚀

对于坡面细沟与细沟间侵蚀过程的了解是建立侵蚀预报模型的基础,但传统方法难以对其进行深入研究。利用7Be示踪技术并结合人工模拟降雨,考虑坡脚沉积作用,研究了25°坡耕地径流小区次降雨过程中细沟与细沟间侵蚀动态。结果表明：根据流出径流小区泥沙7Be含量变化计算坡面明显细沟出现时间,由于坡脚沉积作用使得A、B两试验小区这一时间比实际细沟出现分别延迟了45 min和11 min;根据坡面-侵蚀泥沙中7Be总量守恒和泥沙质量平衡原理,坡面细沟间侵蚀及细沟侵蚀在坡面总侵蚀、坡脚沉积区泥沙及流出径流小区泥沙中的比例被定量区分开;总体上,细沟间侵蚀量在径流泥沙中的比例逐渐减少,而细沟侵蚀量逐渐增加。两试验小区中7Be示踪计算坡面细沟侵蚀量和坡脚沉积量与实测值相比相对误差均较小,因此7Be示踪技术可以对土壤侵蚀进行较为准确地定量研究。     

坡面侵蚀泥沙来源立体分布研究

采用REE-INAA方法,采取沿坡面分层分段的新型试验布设方法,研究次降雨条件下坡面侵蚀泥沙来源立体分布规律。结果表明:坡面侵蚀形态演变过程可划分为面蚀、细沟发育和细沟稳定3个阶段。细沟侵蚀是坡面侵蚀产沙的主要原因,试验中的细沟侵蚀产沙量约为面蚀产沙量的9.9倍。可以利用侵蚀产沙贡献率来表征不同试验区域产沙量对总产沙量贡献作用的大小。处于坡面底部的Eu区和Yb区是面蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为3.1%和3.3%。处于坡面底部的Nd区和Ce区是细沟侵蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为42.8%和37.5%。坡面中下部是坡面侵蚀泥沙来源的主要区域。     

玉米秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响

玉米秸秆覆盖缓冲带是一项有效的坡面水土保持措施,为探究其减少细沟侵蚀的效果及水动力学机理,在室内人工模拟连续降雨条件下,选取黄土高原高强度侵蚀性降雨标准和细沟发育活跃的典型坡度,根据细沟发育的不同阶段,研究了不同布设部位(坡面中部5 m和坡面下部7 m)的秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响。结果表明:与裸露处理相比,玉米秸秆覆盖缓冲带可以减少坡面侵蚀量27.2%~54.8%,减少细沟侵蚀量40.8%~59.2%,减小细沟侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率。对于细沟形态,缓冲带可减少细沟割裂度23.0%~32.0%,减少细沟平均深度6.7%~10.5%。比较2种布设部位,在坡面细沟发育后期,坡面下部7 m处布设的秸秆缓冲带可以取得更好地减少侵蚀和约束细沟形态变化的效果。对于单条细沟,裸露坡面上的细沟宽度沿坡长方向呈现约1.2 m长的周期性变化规律,而秸秆缓冲带改变了细沟宽度沿坡长方向的周期性变化趋势,此外还通过拦截淤积上方来沙减小了布设位置细沟侵蚀深度,通过拦截径流保护下方有限长度内的细沟。分析其水动力学原因可知,玉米秸秆覆盖缓冲带可使细沟水流向缓层流流态方向延伸,与缓冲带上方相比,秸秆缓冲带下方的细沟水流流速显著减小19.6%~21.9%,雷诺数和佛汝德数分别减少了29.6%~37.9%和8.3%~18.5%,而通过秸秆缓冲带后,细沟水流Darcy-weisbach阻力系数增加了22.4%~43.3%,水流剪切力、单位水流功率和断面单位能量分别减小13.6%~21.5%、20.0~21.0%和9.5%~21.0%,径流能量和侵蚀能力的降低最终导致了坡面总侵蚀量的减小。因此,在坡面上每隔5~7 m布设缓冲带可以有效的削弱坡面径流侵蚀能力,减少坡面细沟侵蚀量和总侵蚀量。该研究结果可为类似地形条件下的坡面水土保持措施合理配置提供理论基础。     

玉米秸秆缓冲带防治黄土坡面细沟侵蚀的效果

采用室内人工模拟降雨试验,设计降雨强度100 mm/h,坡度20°,在2个玉米秸秆缓冲带布设坡位(斜坡长4.5~5.5 m和6.5~7.5 m)与2个降雨历时(单次降雨30 min和2次连续降雨30 min+30 min)的试验处理组合,研究在黄土坡面不同坡位布设玉米缓冲带对防治细沟侵蚀的影响。结果表明:1)玉米秸秆缓冲带可减少坡面侵蚀量和细沟侵蚀量,其中,坡面侵蚀量减少7.3%~14.2%,细沟侵蚀量减少11.0%~30.6%,细沟侵蚀量对坡面侵蚀的贡献率减少3.4%~15.0%,径流含沙量降低5.5%~12.8%;2)单次降雨情况下在斜坡长4.5~5.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果最佳,坡面侵蚀量、细沟侵蚀量和径流含沙量分别减少14.2%、30.6%和11.6%,细沟平面密度和细沟平均深度分别减少12.9%和21.9%;3)2次连续降雨情况下在斜坡长6.5~7.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果较好,坡面侵蚀量、细沟侵蚀量和径流含沙量分别减少13.5%、25.0%和5.5%,细沟平面密度和细沟平均深度分别减少15.5%和16.3%。     

黄土坡面细沟侵蚀发育阶段的影响因素及其效应分析

通过组合不同坡度(10°,15°,20°,25°)、不同坡长(5,10 m)、不同降雨强度(1.5,2 mm/min)的室内纯净水模拟降雨试验,对坡面细沟侵蚀发生过程进行阶段划分,并探索分析各阶段影响因素及其效应.试验结果显示,细沟侵蚀可以分为面蚀、细沟雏形、细沟发育和细沟调整4个阶段;面蚀阶段的坡面平均含沙量随着坡度的增大呈增大的趋势,降雨强度在此阶段对坡面侵蚀速率影响较坡度影响明显;细沟发育阶段坡面侵蚀产沙比例占总侵蚀比例最大,坡面总侵蚀量与细沟发育阶段最大15 min侵蚀量之间呈线性关系.     

人为破坏植被开垦耕种对坡面细沟侵蚀的影响

作者利用野外调查资料和人工降雨资料研究了人为破坏植被开垦地耕种对细沟侵蚀的影响。所得结论为人为破坏植被开垦地耕种坡面细沟侵蚀急剧发展。细沟宽为5～30cm,深为5～15cm,此细沟深度值小于陕北安塞一带坡面上的细沟深;细沟侵蚀量为2200～6700t/（km²·a）,也小于安塞一带坡面上的细沟侵蚀量。在片蚀+细沟侵蚀带,一旦坡面上发生细沟侵蚀,则随着坡面土壤侵蚀的继续进行,细沟侵蚀占主导地位,而细沟侵蚀方式以沟头溯源侵蚀为主。降雨和地形因子对细沟侵蚀的影响非常明显。     

不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

为了明确降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理,探讨冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异。通过室内模拟降雨试验,采用3种降雨强度(0.6,0.9,1.2 mm/min)对比定量研究冻土坡面和未冻土坡面产流产沙过程及水沙关系。结果表明:在0.9、1.2 mm/min雨强下,冻土坡面的产流时间相对对照坡面提前了18.7,6.4 min。冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面,在0.9,1.2 mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的1.16,1.19倍,侵蚀量分别是对照坡面的10.40,6.40倍。随着降雨进行,坡面产生不同程度的细沟,其中,冻土坡面相比对照坡面细沟出现时间分别缩短了18 min,22 min,且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%,此比例大于同雨强下的对照坡面。两种坡面的累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系,在细沟间侵蚀阶段,冻土坡面的k值是对照坡面的8.48～9.02倍,而在细沟侵蚀阶段,则为对照的3.68～7.50倍。研究结果表明细沟侵蚀是冻土坡面土壤侵蚀率增大的主要原因,而冻结层的阻水作用是导致坡面上细沟出现时间提前的最重要因素。该研究可以为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考价值。     

川中紫色丘陵坡耕地细沟发生临界坡长及其控制探讨

细沟侵蚀是坡面土壤侵蚀的主要形式之一,是介于片状侵蚀与沟道侵蚀之间的一种侵蚀类型,细沟一旦发生,坡面侵蚀量将成倍增加.由于细沟侵蚀的发生需要一定的坡长来汇集径流,对于某一坡度的地块,一次暴雨中细沟总是表现在一定的坡长处发生,这一坡长称为细沟发生的临界坡长.在细沟发生的临界坡长处采取措施控制细沟的发生将大大降低坡耕地水土流失量.通过人工降雨试验发现:细沟发生过程分为片蚀为主阶段、跌坎发育阶段、细沟侵蚀为主阶段和雨后径流侵蚀阶段,紫色土坡耕地细沟的发生以坡面跌坎的贯穿为标志;10°、15°、20°、25°坡耕地细沟发生的平均临界坡长分别为6.25,4.19,2.77,1.60 m;细沟发生临界坡长与坡度呈二次抛物线关系.在人工降雨试验基础上,总结了以控制细沟发生为核心的"大横坡+小顺坡"耕作模式,通过构建横坡截流沟分割地块,实施有效的拦截径流,减少坡面侵蚀泥沙.     

黄土坡面细沟侵蚀发育过程与模拟

以坡面细沟侵蚀过程为研究对象,利用人工模拟降雨试验和三维激光扫描技术,研究了同一坡面三场间歇性降雨下细沟侵蚀发生、发展和演化的图形化过程;同时,采用已有细沟侵蚀过程模型(CARill),结合Net Logo软件,将试验结果与模型模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)扫描三场降雨图形化过程显示:侵蚀阶段呈现出溅蚀—片蚀—跌坑—断续细沟—连续细沟—细沟崩塌过程,沟长发育迅速,沟宽和沟深发育相对缓慢,细沟沟网形成迅速,降雨结束后侵蚀强度达到22.11 kg m-2,较初期降雨侵蚀增加了22.04倍。(2)CA-Rill模型模拟结果显示,在细沟侵蚀演化图形化过程方面,该模型可较完整地模拟细沟形态发育过程,实现细沟侵蚀的发生、发展以及演化过程中细沟形态的可视化模拟;(3)模型模拟三场降雨细沟侵蚀参数t检验结果发现:最长平均沟深、最大沟深、最长沟平均沟宽模拟效果不好;而细沟平面密度、最长沟长、侵蚀强度模拟效果较好。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。     

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。     

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究。采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm; 3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征。结果表明:不同近地表水流饱和深度下细沟剥蚀率随沟长和含沙量分别呈指数和线性下降,剥蚀能力在近地表水流饱和深度为15 cm时最大,随着近地表水流饱和深度减小而减小;多元非线性回归方程分析表明,细沟剥蚀率与流量、坡度和近地表水流饱和深度均呈正相关关系,其标准化系数分别为1.14,0.72,0.36,说明细沟剥蚀率在近地表水流存在的条件下对流量的敏感性大于坡度。研究结果为紫色土近地表水流作用下细沟侵蚀机理提供一定的理论依据。     

坡面细沟侵蚀断面形态发育影响因素分析及动力特性试验

研究细沟形态发育过程对认识细沟侵蚀具有重要作用,该文采用6种坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°),5种流量(8、16、24、32、40 L/min)下的组合冲刷试验,系统研究了坡面细沟横纵断面形态发育影响机制及动力特性。结果表明:细沟宽深比变化范围为3.006~4.884,根据水力最佳断面,细沟水流远未达到稳定。横断面形态系数随坡度的变化范围为0.36~0.522,细沟横断面形态随流量、坡度以及冲刷历时均趋近于梯形水力最佳断面,即阻力最小的断面。随着流程长度的增加,横断面形态由宽深逐渐变窄,横断面形态系数也随之减小。细沟纵断面形态范围为0.60~11.26,且随坡度的增大而增大,与流量相关性不大。综合阻力系数及消能率均与细沟纵断面形态系数呈良好的幂函数关系。     

工程堆积体坡面细沟形态发育及其与产流产沙量的关系

为揭示工程堆积体坡面细沟形态动态变化规律以及细沟形态指标与侵蚀产流产沙量之间的关系,选取5、9、13和17 L/min 4个放水流量,模拟0.5、1.0、1.5和2.0 mm/min雨强条件,对24°、28°和32°共3个坡度工程堆积体进行冲刷试验,选取沟深、沟宽、宽深比和断面积等指标刻画侵蚀过程中细沟形态变化。结果表明：1）随冲刷历时增加,在前9 min内沟宽和沟深快速发育,沟宽发育宽度占总宽度的57%～90%,沟深发育深度占总深度的38%～73%;2）宽深比随冲刷延长呈先减小后趋于稳定的变化过程,宽深比在0～27 min内快速减小,细沟沿流程纵深方向发育的能力减弱,在27 min之后保持稳定,最终恒定在0.81～1.48,表明细沟断面形态最终大致呈矩形形状;3）沟宽和沟深均随流量的增大而增大,与坡度相比流量对细沟发育的影响更显著;4）沟宽和沟深与放水时间之间存在对数函数关系,断面积与放水时间之间存在线性函数关系,沟宽与径流量之间存在指数函数关系,沟深与径流量、断面积与累计产沙量和累计径流量之间存在幂函数关系。坡面细沟形态的发育过程存在时间差异性,断面积可用来描述侵蚀量的变化过程,宽深比可作为表征工程堆积体坡面细沟发育方向和能力的重要指标。该研究可以为工程堆积体坡面细沟形态指标的动态变化量化提供参考。     

黑土区治理后侵蚀沟道融雪侵蚀观测研究

融雪侵蚀是季节性积雪区水土流失的重要组成部分,融雪作用对侵蚀沟发育的影响对侵蚀沟防治有重要意义。通过野外实地监测和测量,对东北黑土区治理后侵蚀沟融雪侵蚀过程及沟坡细沟形态特征进行分析,探讨水土保持措施对融雪侵蚀的防控效果。结果表明:除侵蚀沟G2未产流外,侵蚀沟G1和G3在融雪中期径流率和泥沙含量明显高于融雪末期和融雪初期。融雪径流率和泥沙含量的日动态变化过程均呈先增加后下降的趋势。融雪期3条侵蚀沟沟坡细沟平均宽度变幅为6.7~9.4cm,平均深度变幅为3.3~4.3cm。阳坡出现细沟的条数,细沟密度,细沟割裂度,平均细沟复杂度和细沟侵蚀平均深度明显高于阴坡,说明阳坡的破碎程度及细沟侵蚀程度大于阴坡。细沟主要以宽浅槽型为主,宽深比为1.91~2.18。水土保持措施在融雪期间作用明显,侵蚀沟G2水土保持措施的拦水拦沙效果达到100%,侵蚀沟G1和G3大部分融雪侵蚀的泥沙也在沟道内沉积。     

黄土坡面细沟形态变化及其与流速之间的关系

研究细沟的形态变化特征是认识细沟侵蚀的重要基础,细沟发育过程中细沟形态变化与水流动力学特性之间存在相互影响和相互作用的关系,研究细沟发育过程中细沟形态与水动力学之间的关系,有利于更好地了解细沟侵蚀过程和侵蚀机理。该研究通过室内人工模拟降雨试验,对黄土坡面细沟发育过程中的细沟形态变化及其与流速的关系进行了研究。结果表明:坡面侵蚀过程呈明显的阶段性,坡面细沟形态变化过程与坡面径流含沙量的变化情况基本一致;坡面跌坎发生的临界流速为0.19~0.21 m/s,当坡面径流流速大于这个临界值的时候,坡面会出现跌坎;细沟发育初期,细沟间的距离一定程度上影响细沟的分布,最早出现的细沟之间不会再出现新的跌坎,这一间距范围在12.5~17.5 cm之间;细沟侵蚀过程主要以下切侵蚀和溯源侵蚀为主,沟壁坍塌的侵蚀作用相对较小;细沟流速随时间的变化大致呈先增后减的趋势,细沟流速随细沟宽度的增加而显著减小,这一趋势在4 m坡段尤为明显,二者之间存在显著负相关关系(r=-0.348,P=0.04)。受试验条件所限没有研究细沟深度和流速等其他水动力学参数,以后需要不断改进试验方法来准确测量流速、水深等指标,进一步研究细沟发育过程。     

基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究

 利用三维激光扫描仪探索多场降雨情况下同一坡面细沟侵蚀的动态过程,为解释细沟侵蚀过程提供一定的理论依据。采用室内人工模拟降雨,在坡度为15°的土槽上进行恒降雨强度的7场降雨冲刷实验,利用三维激光扫描仪对每场降雨冲刷后的坡面形态进行了监测,定量分析坡面细沟侵蚀的动态发育过程。结果表明：前2场降雨与后5场降雨产流产沙过程和细沟侵蚀发育过程有较大差异,细沟从第3场降雨开始明显发育。表现为小跌水一下切沟头一断续细沟一连续细沟一细沟沟网的发育过程。通过三维激光扫描仪精确监测7场降雨坡面各点微地形变化,发现细沟平均沟宽、平均沟深、沟长最大值、细沟平均密度在前2场降雨增长幅度较小,至第3场降雨后开始迅速增人,细沟侵蚀强度不断加强。侵蚀强度由第1场降雨的0. 103 kg/m2发展至第7场降雨的8.788 kg/m2,增加了84倍。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。