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。     

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.     

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)。     

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。     

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.     

黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀临界水动力学试验研究

道路侵蚀是黄土高塬重要的侵蚀方式,通过野外放水冲刷试验研究了黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀水力学及产沙特性。结果表明,平均输沙率随坡度和流量的增加而增大,输沙率与坡度之间呈对数关系。水流剪切力在3°～12°的坡度变化中呈增大趋势,在9°～12°其增大趋势变缓。进一步的分析结果表明,道路侵蚀的发生具有一定临界条件。土壤剥蚀率与径流剪切力、水流功率和单宽能耗之间均呈线性关系,其中临界剪切力为2.443N/(m2.min),临界水流功率为0.369N/(m.s),临界单宽能耗为1.993J/(min.cm);对比分析知,土壤剥蚀率与水流功率相关系数最高。     

黄土坡面径流能耗与土壤剥蚀率影响因子

为研究黄土坡面径流能耗与土壤剥蚀率的影响因子,采用人工径流冲刷的方法,研究黄土坡面小区在不同出流量、不同坡度下的土壤侵蚀量、径流能耗和土壤剥蚀率。结果表明：20°坡面径流小区土壤侵蚀量随出流量的增加而增加,1.0 L/min出流量时的稳定土壤侵蚀量是5.0和7.5 L/min出流量时的1%左右,而3.0 L/min出流量时的稳定土壤侵蚀量是二者的20%左右;相同出流量时,10°坡面径流小区的稳定土壤侵蚀量只有20°、30°坡面的1/10;不同出流量时坡面径流能耗相差很大,1.0 L/min出流量时黄土坡面的径流能耗为16.6 J/min,约是3.0 L/min出流量时坡面径流能耗的1/3,是5.0 L/min出流量时的1/5,是7.5 L/min出流量时的1/8;相同条件下,20°与30°坡面的径流能耗基本相差不大,都约比10°坡面径流能耗小0.3 J/min;5.0和7.5 L/min出流量时的土壤剥蚀率比较接近,是3.0 L/min出流量时稳定剥蚀率的2.5倍,是1.0 L/min时的50倍左右;20°和30°坡面的土壤剥蚀率比较接近,是10°坡面稳定剥蚀率的40倍。研究成果可为黄土高原治理提供技术依据及数据支撑。     

工程堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机制研究

工程堆积体极易产生水土流失,是生产建设项目水土流失防治的重点。为探明工程堆积体植物篱控蚀效果和机理,通过野外模拟径流冲刷试验,该文采用35、45、55 L/min 3种放水流量,对24°、28°、32°三种坡度的植物篱(H)及裸露对照小区(C)堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取产沙率、径流含沙量、减沙量、径流挟沙力、剪切力、剥蚀率和径流功率等因子对堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机理进行分析。结果表明:堆积体侵蚀时间段集中在产流中后期(10~32 min),侵蚀位置主要在坡面中上段(0~10 m),植物篱具有10%~45%的减沙效益,其控蚀能力与冲刷历时之间存在二次函数的关系,临界时间随坡度和流量的增加而提前;植物篱坡面产流后期径流含沙量超过裸坡,这与其在侵蚀过程中的"源-汇"转变有关;植物篱可降低坡面土壤剥蚀率,提高坡面的临界剪切力和临界径流功率,能抑制细沟向坡面下部的发育,基于径流功率,其可蚀性参数(3.58 g/(N·m))大于对照坡面的可蚀性参数(2.83 g/(N·m))。研究结果可为坡面植物篱的合理利用提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体措施条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供部分参数支持。     

冻融坡面土壤剥蚀率不同预测模型比较

为探究水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率的影响,采用2个坡度(10°,15°)、4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)和4个起始解冻深度(2,5,10,15cm),模拟野外径流冲刷试验。采用BP神经网络方法和逐步回归分析法,分析土壤剥蚀率和流量、坡度、起始解冻深度、流速、水流剪切力、水流功率与单位水流功率7个水蚀因子关系。结果表明:通过BP神经网络连接权关系分析水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率影响顺序为水流功率单位水流功率起始解冻深度水流剪切力流量流速坡度。BP神经网络模型的土壤剥蚀率预测平均误差为2.848%(R~2=0.954);逐步回归模型的土壤剥蚀率预测平均误差4.820%(R~2=0.925);基于单一水蚀因子(水流功率)模型的土壤剥蚀率预测平均误差5.298%(R~2=0.867)。基于BP神经网络的土壤剥蚀率预测效果最好,为春季解冻时期冻融坡面不同起始解冻深度条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供了新思路。     

黄土坡面径流输沙能力试验研究

为了建立合理的土壤侵蚀评价和预报模型,基于坡面流理论,通过室内径流冲刷模拟试验,以黄土坡面为研究对象.研究了坡面径流输沙能力.研究结果表明,当坡面侵蚀达到相对平衡时,在同一坡度条件下,坡面径流输沙率随流量的增加呈阶梯性增加,即表现为"缓一陡一缓一陡"的变化过程;坡面径流输沙率与坡度和流量之间存在指数函数关系,且流量对输沙率影响大于坡度;坡面径流输沙率与坡面径流切应力、单位水流功率及Re之间均存在着良好的线性关系.     

A rational method for estimating erodibility and critical shear stress of an eroding rill

Soil erodibility and critical shear stress are two of the most important parameters for physically-based soil erosion modeling. To aid in future soil erosion modeling, a rational method for determining the soil erodibility and critical shear stress of rill erosion under concentrated flow is advanced in this paper. The method suggests that a well-defined rill be used for shear stress estimation while infinite short rill lengths be used for determination of detachment capacity. The derivative of the functional relationship between sediment yield and rill length at the inlet of rill flow, as opposed to average detachment rate of a long rill, was used for the determination of detachment capacity. Soil erodibility and critical shear stress were then regressively estimated with detachment capacity data under different flow regimes. Laboratory data of rill erosion under well defined rill channels from a loess soil was used to estimate the soil erodibility and critical shear stress. The results showed that no significant change in soil erodibility (K_r) was observed for different slope gradients ranging from 5 to 25 while critical shear stress increased slightly with the slope gradient. Soil erodibility of the loess soil was 0.3211 ± 0.001 s m^− 1. The soil erodibility and critical shear stress calculations were then compared with data from other resources to verify the feasibility of the method. Data comparison showed that the method advanced is a physically logical and feasible method to calculate the soil erodibility and critical shear stress for physically-based soil erosion models.     

饱和状态下黄绵土坡面细沟侵蚀可蚀性和临界剪切应力特征

土壤可蚀性参数和临界剪切应力是评价土壤易侵蚀程度和抗水流剪切变形能力的重要指标,目前在黄绵土坡面细沟侵蚀过程中,土壤饱和条件下可蚀性参数和临界剪切应力的变化尚不明确。该研究采用室内土槽模拟冲刷试验确定不同坡度（5°、10°、15°、20°）和流量（2、4、8 L/min）下饱和黄绵土坡面的最大细沟剥蚀率,基于数值法、修正数值法和解析法计算土壤可蚀性参数和临界剪切应力。结果表明,3种方法所得最大细沟剥蚀率均随坡度和流量增加而增大,其中修正数值法和解析法计算的最大细沟剥蚀率更接近。土壤可蚀性参数分别是0.485、0.283和0.268 s/m,土壤临界剪切应力分别为1.225、1.244和1.381 N/m2。修正数值法可提高数值法近似计算的精度,使近似计算结果更接近解析法计算获得的理论值。饱和较未饱和黄绵土的土壤可蚀性参数略有减小（16.83%）,而临界剪切应力减小了66.97%,表明土壤饱和对黄绵土土壤可蚀性参数影响很小,但大幅度削弱了土壤临界剪切应力,使得黄绵土坡面饱和后土壤侵蚀更为强烈。此外,饱和黄绵土边坡的临界剪切应力比饱和紫色土坡面大6.38%,而细沟可蚀性参数大2.35倍,表明土壤饱和对2种土壤临界剪切应力影响程度相似,但黄绵土较紫色土对土壤侵蚀的敏感性更高。研究结果可为饱和状态下不同土壤坡面细沟侵蚀模型参数的优化提供参考。     

坡面薄层水流的土壤分离实验研究

土壤分离是土壤侵蚀的重要过程之一。准确预测土壤分离对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用变坡水槽实验测试了土壤分离速率与坡度和流量的关系，并与水流剪切力、水流功率和单位水流功率三种水动力参数进行比较，结果表明：土壤分离速率随着坡度和流量的增加而线性增加；当流量小于某一临界流量时，土壤分离将不发生；利用坡度和流量回归的线性模型能准确预测土壤分离速率；在水流剪切力、水流功率和单位水流功率三个水力参数之间，水流功率是描述土壤分离速率的最好参数；比较坡度-流量模型与水流功率模型，认为坡度-流量模型更具有实用性和     

Determination of rill erodibility and critical shear stress of saturated purple soil slopes

The hydrological conditions near the soil surface influence the soil erosion process, as determined by the soil erodibility and critical shear stress. The soil erodibility and critical shear stress of saturated purple soil slopes were computed and compared with those of unsaturated purple soil slopes. The detachment capacities computed through the numerical method (NM), modified numerical method (MNM) and analytical method (AM), from rill erosion experiments on saturated purple soil slopes at different flow rates (2, 4, and 8 L min^?1) and slope gradients (5, 10, 15, and 20°), were used to comparatively compute the soil erodibility and critical shear stress. The computed soil erodibilities and critical shear stresses were also compared with those of unsaturated purple soil slopes. At the different slope gradients ranging from 5° to 20°, there were no significant differences in the soil erodibilities of the saturated purple soil and also in those of the unsaturated purple soil. The critical shear stresses slightly varied with the slope gradients. The saturated purple soil was relatively significantly more susceptible to erosion. The NM overestimated the soil erodibility of both saturated and unsaturated soils by 31% and underestimated the critical shear stress. The MNM yielded the same soil erodibility and critical shear stress values as the AM. The results of this study supply parameters for modeling rill erosion of saturated purple soil slope.     

Estimation of runoff critical shear stress for soil erosion from soil shear strength

Critical shear stress is an important soil parameter governing detachment by runoff which appears in numerous erosion models. Soil shear strength has been often presented as the best soil property to predict critical shear stress. However, only a few studies have documented the relationship between soil shear strength and critical shear stress, and the results obtained have sometimes seemed contradictory. This is why we have put together all available data about the relationship between critical shear stress and soil shear strength in order to analyse and discuss its significance and its generality. Results showed that contradictions between different studies mainly arise because total shear stress is a poor predictor of detachment on rough soils. When grain shear stress is used rather than total shear stress, a significant relationship between saturated soil shear strength and critical shear stress does exist. Soil shear strength may thus be used to predict critical grain shear stress. However, it is recalled that in general only total shear stress is predicted by erosion models, which makes detachment predictions difficult on rough natural soils.     

西南地区黄壤坡面径流冲刷过程研究

土壤分离是土壤坡面侵蚀产沙的必要途径和重要过程,准确预测土壤分离过程对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用变坡钢槽,在不同坡度（8.8%～46.6%）流量（0.5～2.5 L s-1）组合下,研究了喀斯特地区黄壤分离速率与坡度、流量以及水流剪切力、水流功率、单位水流功率的关系。对比了相同流量典型坡度组合下黄壤与黄土的分离速率差异。研究结果表明,喀斯特地区黄壤的分离速率随坡度和流量的增大而增大;坡度和流量的多元回归分析结果能够很好地预测土壤分离速率值（R2=0.9）。水流功率和单位水流功率与黄壤分离速率呈现较好的幂函数关系,决定系数比较接近（R2=0.83、0.79）;而水流剪切力预测黄壤分离速率较差（R2=0.18）。黄土的土壤分离速率明显大于黄壤,且二者分离速率差异随坡面冲刷流量的增大而增大。尽管坡度、流量、水流功率和单位水流功率都可以很好地预测土壤分离速率,且回归方程形式与国内他人研究相差不大,但方程中表征土壤可蚀性的系数相差较大,体现了黄壤坡面侵蚀过程及其受径流影响作用的特殊性。     

黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究

对土壤分离过程进行模拟是建立土壤侵蚀过程模型的基础。利用变坡实验水槽,在较大流量(0.5~2.0L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,系统研究了黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理。研究结果表明:原状黄土的分离速率远小于扰动土的分离速率,因此,用原状土研究土壤侵蚀机理是十分必要的;土壤分离速率随着流量和坡度的增大而增大,但增大的形式稍有差异,可以用流量和坡度的幂函数准确模拟土壤分离速率(R2=0.95);用平均流速可以对土壤分离速率进行比较准确的模拟和估算;受径流输沙和土样扰动的影响,国内外扰动土样的土壤可蚀性参数与原状黄土的研究成果差异显著;在水流剪切力、单位水流功率和水流功率3个国际上流行的用于模拟土壤分离过程的水动力学参数中,水流功率与土壤分离速率间的关系最为密切,从而表明土壤侵蚀过程受水流能量大小的控制。     

坡面径流水蚀动力参数室内试验及模糊贴近度分析

为了确定何种水蚀动力参数能更好地描述径流剥蚀土壤的过程，该文在坡度为3°～30°和流量为2.5～6.5 L/min范围内采用变坡土槽径流冲刷试验,对土壤水蚀动力过程进行了系统模拟，并运用模糊贴近度的分析方法,系统地研究了坡面水蚀动力参数(单宽径流能耗、水流剪切力、水流功率和单位水流功率)与土壤剥蚀率之间的贴近程度。研究结果表明:流量相同时,单宽能耗与土壤剥蚀率贴近程度最大,水流功率次之，且单宽能耗和水流功率分别与土壤剥蚀率呈线性关系，该研究说明单宽能耗和水流功率能较好地描述径流剥蚀土壤过程。     

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。