雨强和坡度对嵌套砾石红壤坡面产流产沙的影响

采用人工模拟降雨的方法研究了嵌套砾石红壤坡面的产流产沙特征,分析了雨强(60,120mm/h)和坡度(10°,15°,20°,25°)条件下嵌套砾石和无砾石红壤坡面的产流和产沙过程差异。结果表明:(1)产流开始时间T_(嵌套砾石)T_(无砾石),60mm/h雨强条件下嵌套砾石较无砾石坡面在10°,15°,20°,25°坡度分别延迟4.20,2.95,2.23,1.03min;(2)坡度相同时,嵌套砾石坡面较无砾石坡面产流率明显减少,但雨强的增大会掩盖嵌套砾石对坡面产流率减小的影响;(3)嵌套砾石红壤坡面在60mm/h雨强、坡度10°条件下平均产流率最小,在120mm/h雨强、25°坡面下平均产流率是前者的4.5倍;无砾石红壤坡面在120mm/h雨强、坡度25°条件下平均产流率最大,为最小平均产流率的4.8倍;(4)各坡面产沙强度、次降雨产沙量随雨强和坡度增大而增大,60mm/h雨强、坡度10°和25°时,嵌套砾石坡面平均产沙强度为无砾石坡面的6.0%和28.4%;120mm/h雨强时,此两个坡度的嵌套砾石坡面为无砾石坡面平均产沙强度的33.9%和25.3%。     

坡面氮素流失的坡度和雨强效应模拟研究

为了研究坡面径流和壤中流中全氮(TN)的流失特征,探索坡度和雨强对TN流失的影响,以风化花岗岩母质发育的土壤为研究对象,选定坡度(5°,8°,15°,25°)和降雨强度(60,90,120,150mm/h)作为可变量,采用原状土搬迁的方式,在室内设计的径流槽上进行人工模拟降雨试验,设计试验降雨时长为坡面径流产流后90min,壤中流水样收集延续直至无出流为止。结果表明:(1)坡面径流TN流失浓度在产流初期快速下降,随雨强的减小或坡度的增大而增大,产流后期浓度趋于稳定且差距不大。(2)壤中流TN流失浓度均明显高于坡面径流,其流失过程规律为"上升—下降—略有上升—平稳",总体上随雨强的减小或坡度的增大而增大。(3)坡面径流和壤中流的TN流失量均随雨强或坡度的增大而增大。壤中流是坡面TN流失的主要途径,流失比例可达91.26%~99.61%。坡面径流中TN流失量占坡面TN总流失量的比例随雨强的增大而增大。(4)雨强、流量与坡面径流、壤中流TN总流失量均呈极显著正相关,而坡度只与壤中流TN总流失量呈显著正相关。(5)在雨强90mm/h与120mm/h之间存在一个临界雨强,超过这个临界雨强,坡面径流TN流失量及其占总流失量的比例都会大幅上升。     

砾石覆盖对坡面产流产沙的影响

采用人工模拟降雨试验的方法,试验中设置降雨强度为30mm/h和60mm/h,坡度为10°和20°,地表砾石覆盖度为0,10%,20%,30%,40%和50%,对北京山区褐土坡面产流产沙特征进行研究。研究结果表明:(1)坡面产流时间随砾石覆盖度的增大而延迟,且两者有着较好的线性关系。(2)坡面总产流量随砾石覆盖度的增大呈线性减小,在雨强为30mm/h,坡度为10°和20°条件下,砾石覆盖度为50%的坡面总产流量比砾石覆盖度为0时的坡面产流总量减少45.19%和49.87%;在雨强为60mm/h时,坡度为10°和20°条件下,砾石覆盖度为50%的坡面总产流量比砾石覆盖度为0时的坡面产流总量减少24.33%和33.46%。(3)坡面土壤侵蚀量随砾石覆盖度的增加呈负指数减小,在雨强为30mm/h,坡度为10°和20°条件下,砾石覆盖度为50%的坡面总侵蚀量比砾石覆盖度为0的坡面总侵蚀量减少92.40%和68.21%;在雨强为60mm/h时,坡度为10°和20°条件下,砾石覆盖度为50%的坡面总产流量比砾石覆盖度为0时的坡面总侵蚀量减少69.65%和65.62%。(4)降雨强度和坡度不影响砾石覆盖影响坡面产流产沙的趋势。     

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。     

不同母质红壤坡面产流产沙特征比较

采用人工模拟降雨的方法,研究花岗岩、第四纪红黏土、红砂岩3种母质发育的红壤坡面产流产沙特征差异。结果表明:(1)地表产流方面,3种母质红壤地表产流时间为花岗岩红壤红砂岩红壤第四纪红壤,总径流量和场均产流速率均为花岗岩红壤红砂岩红壤第四纪红壤,其中45mm/h条件下花岗岩红壤的地表径流量为红砂岩和第四纪红壤的1.79~2.47倍,场均产流速率为后者的1.58~2.32倍。(2)地表产沙方面,在45mm/h条件下,场均泥沙浓度为第四纪红壤花岗岩红壤红砂岩红壤;135mm/h条件下,场均泥沙浓度为花岗岩红壤红砂岩红壤第四纪红壤。雨强对红壤坡面产沙的影响较大,135mm/h条件下的泥沙浓度为45mm/h条件下的8.31~11.32倍。(3)径流组成方面,3种母质红壤中壤中流所占径流比最高为第四纪红黏土发育的红壤,在2种雨强条件下为8%~44%。雨强越大,地表汇流越明显;135mm/h条件下,红壤坡面地表径流量可达到总径流的79%~90%。(4)壤中流产流方面,壤中流产流时间顺序与地表产流一致,均为花岗岩红壤红砂岩红壤第四纪红壤,花岗岩红壤的壤中流量最小,仅为第四纪红壤的53%~67%,峰值为后者的42%~52%;对于红壤而言,停雨后的壤中流消退过程可以用指数函数方程进行预测,在所有试验条件下,其决定系数均在0.82以上,表明具有较好的预测性。     

侵蚀性风化花岗岩坡地降雨产流及水文过程研究

为研究坡地的降雨产流分配及水文动态过程,以侵蚀性风化花岗岩坡地为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(30,60,90,120,150mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下坡面径流和壤中流的分配特征与水文过程。结果表明:坡面径流的初始产流时刻均随降雨强度和坡度的增大而提前,壤中流的初始产流时刻明显滞后于坡面径流。壤中流径流量在不同坡度下随降雨时间的延长呈先递增后趋于平稳的现象,雨强越大达到峰值的时间越早,在降雨停止一段时间后径流量开始下降。多数情况下,壤中流所占总径流量的比重均大于坡面径流,坡面径流量比重随雨强的增大而增大,随坡度的变化幅度较小。坡面径流的径流系数与雨强的相关性较强,而壤中流径流系数与坡度之间的拟合效果较好。不同坡度下坡面径流、壤中流和混合流(坡面径流与壤中流同时发生)的径流模数与雨强呈正相关关系,不同类型径流的径流模数大小依次为混合流壤中流坡面径流。     

模拟降雨条件下不同砾石含量工程边坡土壤侵蚀及水动力学特征

[目的]探究砾石含量对急陡工程边坡土壤侵蚀及流水力学特征的影响。[方法]采用室内模拟降雨试验和人工制备土壤等方法,研究了在3种降雨强度(40,60,80 mm/h),5种砾石含量(3%,15%,35%,55%,75%)条件下50°工程边坡土壤侵蚀率变化特征以及土壤侵蚀率与各水动力学参数的关系。[结果]①40,60,80 mm/h雨强下,各砾石含量坡面径流率较土质坡面分别减少了10.1%～55.9%,13.9%～41.9%,19.6%～47.7%;径流剪切力、径流功率、过水断面单位能分别与砾石含量呈显著递减的线性函数、指数函数、幂函数关系。②坡面侵蚀率随着砾石含量的增加而减小,不同试验雨强下侵蚀率大小及变化过程具有明显差异。当雨强为40 mm/h时,坡面整体产沙率较低,随降雨过程整体呈现出缓慢增加的趋势;当雨强为60 mm/h时,不同砾石含量下侵蚀率迅速增加后呈波浪式缓慢上升或平稳下降的趋势;当雨强为80 mm/h时,砾石含量为3%条件下,坡面侵蚀率迅速增长后增速降低,当砾石含量大于15%时,边坡侵蚀率达到峰值后均开始缓慢下降。③工程边坡土壤侵蚀率与径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能均呈显著线性函数、对数函数、幂函数关系。[结论]工程边坡土壤中的砾石具有抗侵蚀作用,随着砾石含量的增多,坡面土壤侵蚀量和各水动力学参数均明显降低。     

不同砾石含量塿土堆积体坡面侵蚀特征研究

为明确砾石含量对关中塿土堆积体坡面径流和侵蚀特性的影响,采用室内模拟降雨试验方法,以土质坡面为对照,研究了10%、20%、30%三种砾石含量堆积体坡面的侵蚀特征。结果表明:(1)1.0mm·min–1雨强下,10%砾石含量时初始产流时间最大,雨强1.0 mm·min–1时,各坡面初始产流时间在10%砾石含量时最小;(2)各砾石含量坡面平均流速均随雨强增大而增大,1.0和2.5mm·min–1雨强条件下10%砾石含量坡面流速最大,而1.5和2.0mm·min–1雨强下,含砾石坡面流速较土质坡面分别减少15.3%～21.2%和13.6%～14.1%;(3)不同雨强条件下各含砾石坡面含沙量在产流前期(0～6 min)急剧下降;产流6 min后,含沙量在1.0、1.5 mm·min–1雨强下逐渐趋于稳定,在2.0、2.5 mm·min–1雨强下呈多峰多谷的变化,该时期砾石主导产沙过程;(4)次降雨侵蚀量随雨强增大呈显著的幂函数关系;而随雨强的增大各砾石坡面侵蚀量较土质坡面分别减少22.4%～42.6%、8.2%～66.3%、2.2%～56.5%和45.0%～68.3%。该研究可为关中地区堆积体坡面水蚀模型的建立提供理论依据。     

人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程

为了研究人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程,利用人工模拟降雨系统和变坡土槽,分别采用140,160,190mm/h的雨强和10°,15°,20°,25°的坡度,对经过简单人工处理的红壤坡面在超大雨强降雨条件下的产流产沙响应过程进行了试验。结果表明:经过简单人工处理的红壤坡面在140~190mm/h超大雨强下的土壤侵蚀模数明显低于50~120mm/h雨强下未进行相应处理的坡面,细沟发育较为缓慢,对坡面土壤的处理方式能够有效提高坡面的抗侵蚀能力。在同雨强下,随着坡度的增加,产流时间先延长后缩短,在20°~25°存在产流的临界坡度。侵蚀模数在同雨强下随着坡度的增大呈先增大后减小的趋势,且不同雨强的临界坡度不一致,雨强为140mm/h时侵蚀临界坡度为15°~20°,雨强为160mm/h和190mm/h时侵蚀临界坡度为20°~25°。总体来看,侵蚀过程受雨强的影响大于坡度的影响,雨强为140mm/h时,不同坡度的侵蚀过程均较为平稳,细沟发育微弱;雨强为160mm/h时,侵蚀有所加强,但侵蚀过程无明显规律;雨强为190mm/h时,侵蚀主要发生在降雨的前30min,且细沟发育相对较为剧烈,30min之后趋于稳定。     

不同降雨强度下地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响

通过室内模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下地面坡度对红壤坡面产流过程和侵蚀过程的影响,结果表明,红壤坡面起始产流时间随坡度的增加有所提前,但不明显,坡面起始产流时间的早晚主要受降雨强度控制;坡面径流量随雨强的增大而增大,随坡度的变化比较复杂,在雨强为50mm/h时,径流量随坡度的增加而减小,在雨强为75mm/h时,径流量随坡度的增加先增大后减小;不同降雨强度下各坡度的侵蚀产沙率都是在降雨初期急剧上升,随后以指数下降,形成一个向左倾斜的曲线。坡度对坡面侵蚀产沙的影响随雨强的增大而增强;红壤坡面土壤侵蚀量随雨强的增大明显增大,随坡度的增加,在50mm/h小雨强时呈现先增加后减小的变化趋势,在坡度20°附近存在临界坡度;在75mm/h雨强下,侵蚀量随坡度增大而增大。     

胶东铁路弃土弃渣体产流产沙特征

通过人工模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对胶东铁路弃土弃渣体产流产沙的影响。根据青荣铁路沿线降雨和弃土弃渣体堆积特点,设计3种雨强(20,40,60mm/h)和3个坡度(20°,30°,40°)。结果表明:(1)当降雨强度由20mm/h增加到60mm/h,产流开始时间可缩短11~20s;当坡度由20°变化到40°,产流开始时间可提前17~22s。(2)径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。(3)相同坡度条件下,雨强40 mm/h下的径流量较20 mm/h时增加37.3%~122.6%,产沙率约为20mm/h时的1.5~19.5倍;而雨强60mm/h下的径流量较40mm/h时仅增加19.1%~26.7%,产沙率仅为40mm/h时的62.5%~151.8%。(4)相同雨强条件下,坡度对径流量、产沙率的影响存在临界坡度(30°~40°),径流量、产沙率随坡度的增大先增加后减小。(5)弃土弃渣体坡度为30°时坡度对坡面侵蚀量的贡献率大于雨强贡献率;而40°时雨强贡献率明显超过坡度。研究结果可为胶东半岛区域铁路项目建设期间弃土弃渣体的水土流失监测及防治提供技术支撑。     

暴雨下川东黄壤区不同径流路径调控措施对坡面侵蚀特征的影响

为研究川东区不同径流路径调控措施对黄壤坡面侵蚀特征的影响,设置3种坡度(25°,30°,35°)的稀疏型菱形网格(R1)、密集型菱形网格(R^2)和对照(R0)的裸坡坡面,基于人工模拟降雨试验,对比分析3种降雨强度(60,90,120 mm/h)下坡面的侵蚀过程与特征。结果表明:(1)相同坡度下,2种处理和对照组坡面在60,90 mm/h的雨强下初始产流耗时表现为R0R1>R^2,当坡度增大至35°和雨强增大至120 mm/h时,R1、R^2坡面的产流产沙速率逐渐接近甚至有稍微超过R0坡面的趋势。(4)与产流产沙过程相对应,R1、R^2坡面在不同坡度和降雨强度组合中,通常减沙效益大于减流效益,累积产沙量与累积径流量均成幂函数关系。研究结果可为揭示川东黄壤区坡面的侵蚀过程研究提供参考,为该区域的水土流失治理提供科学依据。     

降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响

采用室内人工模拟降雨技术,研究短历时暴雨和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)不同降雨强度条件下,不同坡度间的坡面径流量、产沙量及径流泥沙含量均呈现随着降雨历时的增加而增加的动态变化趋势,不同的是径流量在15～24 min后逐渐趋于稳定。(2)不同降雨强度条件下,裸露铁尾矿砂坡面径流量及产沙量与坡度相关关系均存在临界降雨强度,该临界降雨强度约为90 mm/h。(3)不同降雨强度条件下,不同坡度间的产沙量及径流泥沙含量随着降雨强度的增加,二者与坡度的关系均由负相关逐渐转变为正相关。(4)当降雨强度从60 mm/h增加到120 mm/h的过程中,不同坡度条件下的径流量及产沙量与降雨强度总体上呈逐渐上升的趋势,局部存在特殊情况。当坡度从25°增加到35°的过程中,不同降雨强度条件下的径流量及产沙量与坡度的关系均不明显;但同一坡度条件下,随着降雨强度的增加,径流量和产沙量均逐渐增加。研究成果为揭示降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂产流产沙机理提供参考。     

不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响

[目的]研究不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响,为认识红壤侵蚀过程和水土流失防治提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了不同降雨强度、不同坡度对华南红壤坡面降雨产流过程和侵蚀产沙过程的影响。[结果](1)相同坡度条件下,坡面径流量、侵蚀产沙量均随着雨强的增大而线性增大;相同雨强下,径流量随坡度的增加而减小,而产沙量随着坡度的变化比较复杂;(2)雨强和坡度共同影响着坡面产沙过程,当雨强小于等于180mm/h时,产沙量随坡度的增加而增大,在240mm/h出时呈现先增加后减小的趋势,在15°附近出现临界坡度。在降雨初期,径流率表现为波动增加过程,15min后趋于平稳,一直持续到降雨结束,其中雨强为240,180mm/h时波动较为剧烈,而产沙率呈现急剧而短暂的上升后迅速下降,在大雨强、陡斜坡条件下此现象尤为明显;(3)坡面径流平均流速与单宽流量、坡度比存在显著的幂函数关系,流速与径流量、侵蚀产沙量有着类似的变化规律。[结论]红壤侵蚀过程中雨强为主要影响因素,坡面流速可作为表征红壤坡面侵蚀特征的重要因子。     

大渡河干旱河谷区横垄坡面产流产沙特征及水保效益

为弄清干旱河谷区横垄坡面水土流失特征及水保效益,采用野外调查与室内人工模拟降雨相结合的方法,以坡耕地平作坡面为对照,开展了4种降雨强度(30,60,90,120 mm/h)和4种坡度(10°,15°,20°,25°)条件下横垄坡面产流产沙特征及减流减沙效益。结果表明:(1)横垄坡面产流时间随降雨强度和坡度的增大而提前,且受坡度影响远小于降雨强度;同等条件下,横垄坡面产流时间滞后平作坡面8.14%~55.60%。(2)随着降雨强度和坡度的增大,横垄坡面产流率和产沙率均表现为增加趋势。(3)坡度与横垄坡面减流减沙效益随降雨强度的增大由正相关关系转变为负相关关系,而降雨强度与横垄坡面减流减沙效益关系复杂,无明显变化规律。降雨强度和坡度对横垄坡面产流产沙过程和减流减沙效益有重要影响,横垄坡面能够延长坡面径流形成时间,有效减少坡面产沙率,但横垄坡面减流减沙作用存在临界条件。研究结果可为区域坡耕地横垄措施合理布设和水土流失有效防控提供数据支撑和理论依据。     

淮北平原黄潮土多雨强变坡度产流产沙规律试验模拟

针对淮北平原黄潮土水土流失严重的问题,为揭示其产流产沙规律,利用五道沟水文实验站大型人工模拟降雨径流试验场,开展了40,60,80mm/h 3个雨强及5°,10°,15°3个坡度产流产沙规律试验模拟。结果表明:坡面初始产流时间随坡度、雨强的增大而缩短,雨强、坡度越大缩短越不明显;单位时间产流、产沙量随降雨时间变化的转折点在产流后6～15min,单位时间产流量随降雨时间变化表现为前期快速增加,中期缓慢增加,后期平稳,其中40,60mm/h雨强单位时间产流量随坡度增加而减小,80mm/h雨强随坡度的增加而增加;单位时间产沙量随雨强、坡度的增大而增大;不同坡度累计产沙量及产流量随降雨时间变化呈幂函数或线性函数关系(R20.99);坡度及雨强与坡面产流、产沙总量分别呈多元线性和多元幂函数关系。     

地面覆盖条件下雨强和坡度对红黏土坡面侵蚀过程的影响

为揭示地面覆盖条件下第四纪红黏土坡面在不同雨强和坡度时的侵蚀变化规律,选取3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min)和3个坡度(10°,15°,20°),通过人工模拟降雨试验,分析坡面产流、产沙、入渗特征,并以15°为例计算覆盖坡面的减流减沙效益。结果表明:(1)坡面产流时间随雨强和坡度增加而提前,覆盖对产流时间有明显的滞后作用,雨强的增加会削弱覆盖延缓产流的作用;坡面径流率呈现前期增长,后期趋于稳定的变化特征;(2)当坡度一定,雨强从1.0 mm/min增加至2.0 mm/min,累积侵蚀量增加1.89～2.96倍;雨强一定,坡度从10°增加至20°,累积侵蚀量增加1.91～3.45倍;(3)坡面初始入渗率和入渗总量随坡度的增加而减小,而雨强的增大会增加坡面初始入渗率,减少入渗总量;(4)15°条件下覆盖坡面的径流量和泥沙量较裸坡平均减少50.26%和95.31%,松针覆盖的水土保持效益显著,且减沙效应大于减流效应;(5)坡度对覆盖坡面累积产流量和累积产沙量的影响程度大于雨强,不同雨强、坡度下累积径流量与累积产沙量呈现幂函数关系(R~20.97)。研究结果可为南方红壤丘陵区林下水土流失治理与生态恢复提供参考。     

褐土和棕壤坡耕地细沟侵蚀过程及侵蚀产沙特征

为揭示辽西低山丘陵区主要土壤类型褐土、棕壤坡耕地细沟侵蚀产流产沙变化规律,以期为该地区土壤侵蚀预测预报提供一定理论依据,利用人工模拟降雨系统在坡度为10°和15°、降雨强度为40,60,80 mm/h条件下分析褐土和棕壤2种土壤细沟侵蚀产沙过程,结果表明:褐土在坡度为10°和15°,径流量均随雨强的增加而增大,在坡度为15°雨强为80 mm/h降雨过程中出现最大值,而含沙量变化相反,大体呈现出随着雨强的增加而降低的特征,在坡度为15°时,3种降雨强度在降雨末期均集中在0.05 g/mL;棕壤在10°和15°径流量与含沙量变化无明显规律;2种土壤总体水沙关系表现出褐土总径流量大于棕壤,而总侵蚀量表现为小于棕壤;棕壤更易发生细沟侵蚀。