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.     

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     

国外坡面径流分离土壤过程水动力学研究进展

径流分离土壤是侵蚀泥沙的主要来源,也是建立土壤侵蚀物理模型的控制参数之一,对国外近２０年来,坡面径流分离土壤过程的研究方法、控制方程、分离能力、挟沙力及存在的问题进行了详细的论述,旨在综合国外研究经验,促进我国相关研究的发展。     

晋西黄土丘陵沟壑区坡面径流预报模型研究

晋西黄土丘陵沟壑区坡面径流预报模型为R=[(P—z)—FTL-u]T_pC。本模型是为了满足晋西黄土丘陵沟壑区水土保持规划的要求而建立的。模型建立以晋西离石王家沟为试验研究区,考虑了降雨、植被拦截、土壤入渗、耕作方式、土地利用以及表土结皮等因素的影响,所用的资料均是在天然或人工模拟降雨条件下获得的。这一模型可用于预报晋西黄土丘陵沟壑区坡面每次降雨所产生的径流总量。据检验,模型变量设置基本合理,具有良好的预报精度。     

陡坡坡面雨水径流的机理

作为由森林覆盖的陡坡坡面构成的小流域的实际雨水径流机理,以往的可变产流源面积概念只重视地表径流的发生。本文提出了取代上述方法的叫作可变产流源体积概念的雨水径流概念模型。这一概念模型重视在“水文学的基础”上发生的饱和侧向径流的作用,同时认为发生区降雨的扩大、缩小控制着径流量。在新第3纪丘陵山地山坡坡面小流域,布设多个水位观测井,测定了降雨中该饱和带的体积,分析了与对应的流域径流量的关系,结果证明该概念模型是有效的。     

黄土坡面细沟水流输沙能力变化特征

水流输沙能力是土壤侵蚀过程极其重要的参数之一,精确计算细沟水流输沙能力可以有效揭示细沟侵蚀过程机理,为建立坡面细沟侵蚀过程模型奠定重要基础。采用细沟水槽试验方法对黄土坡面细沟水流输沙能力变化特征进行研究。结果表明:不同坡度下,细沟水流输沙能力随流量增加而平缓增大,可用幂函数方程很好地描述;不同流量下,细沟水流输沙能力随坡度的增加而增大,可以用指数方程很好地描述;细沟水流输沙能力随流量及坡度变化的因子模型为二元幂函数方程,其中流量对细沟水流输沙能力的影响大于坡度的影响;ANSWERS模型中的输沙能力方程不能用于计算黄土陡坡细沟水流输沙能力。     

黄土坡面径流冲剧侵蚀试验研究

通过径流冲刷试验，运用能量守恒原理，分析了坡面土壤侵蚀率（Dr)与径流能耗（ΔE）之间的关系，建立了给定土壤条件下坡面土 侵蚀率估算模型，结果表明，坡面土壤侵蚀的发生具有一定的临界能量条件，以径流能耗作为土壤侵蚀形成的临界参数具有明确的物理意义，当径流能耗大于7．387J时坡面开始有侵蚀发生。     

滇西高原不同地类坡面产流产沙规律研究

根据径流小区观测,对滇西高原主要典型地类的坡面产流产沙规律进行了研究。结果显示,灌木林和天然次生林,有较好的调节径流和减少土壤流失的作用,二者的产流量分别比坡耕地减少64．0％和63．7％,产沙量分别减少82．1％和74．5％;荒草地的产流产沙量分别比坡耕地减少19．9％和46．6％。产流量与产沙量均与降雨量和最大10min时段降雨强度呈显著幂函数关系,产沙量与产流量之间的线性关系显著。     

几种坡面径流调控措施的筛选试验研究

缺水与水土流失并存是制约黄土高原地区经济社会可持续发展的重要限制性因子,通过坡面径流调控手段消除水土流失动力,同步实现水土流失防治与雨水资源化是解决上述问题的一个有效途径。本文利用人工降雨的模拟方法,以不同坡面径流调控措施的筛选与优化配置各种地表径流调控措施为主要研究内容,在上述研究基础上筛选出集成化、高效、低成本的坡面径流措施。     

坡面径流侵蚀产沙动力机制比较研究

分别利用坡面径流剪切力、坡面径流能耗和坡面径流单位水流功率理论对坡面土壤侵蚀发生过程进行了研究。研究结果表明,坡面径流平均输沙率与坡面径流平均剪切力之间均存在明显的线性关系,试验的土壤抗蚀性参数为178 5g/(Pa·min),径流临界剪切力为0 54Pa。根据径流能耗理论的计算结果表明,径流单宽输沙率和单宽径流能耗之间具有如下的线性关系式:Dr=14 61(ΔE-0 37),表明试验的土壤可蚀性参数为14 61g/J,临界单宽径流能耗为0 37J/(min·cm)。根据径流功率理论的计算结果,坡面径流功率与径流平均输沙率之间存在比较明显的线性关系,随着径流功率的增加,坡面径流输沙量明显增加,二者的线性关系为:Y=8942 2x-68 676。总体来说,3种理论在土壤侵蚀研究中的应用各有优势,其中坡面径流能耗理论相对简便并且误差较小,更利于对坡面土壤侵蚀过程进行描述。     

坡面径流类型对侵蚀产沙及水沙传递关系的影响

降雨-径流格局对土壤侵蚀过程具有重要影响,以团山沟七号全坡面径流场1961-1969年间65次径流事件的径流泥沙数据为基础,选取历时、径流深和径流变率为径流过程的特征指标,采用K均值聚类和判别分析相结合的方法,将坡面径流划分为5种类型。其中,A型径流具有超长历时、低变率、小径流的特点,是较为特殊的类型,B、C型径流具有中长历时、中高变率、大径流的特点,D型径流具有短历时、低变率、小径流的特点,是最为普遍的类型。E型径流具有中历时、中变率、中径流的特点。不同径流类型下的输沙模数、平均含沙量及最大含沙量由大到小依次为:CBEDA,B、E、C型径流应是坡面径流调控的重点。不同径流类型输沙模数的差异主要来源于径流量(深)的变化,相同径流量(深)条件下,不同径流类型输沙模数的差异主要来源于由径流历时和径流变率所引起的水沙传递关系的改变;与A型径流相比,其作用使D、E、B、C型径流的输沙模数相对增大7.9、6.3、4.8和4.5倍,增大倍数随径流量(深)的增加呈逐渐减小趋势。通过构建包含主要径流特征指标的动力参数ξ,对不同径流类型及径流阶段的径流-泥沙传递关系进行数学描述,其最优回归关系均符合S=alnξ+b的一般形式,能合理解释不同径流类型及不同径流阶段含沙量变化的主要驱动因素。研究结果可为坡面径流类型划分、水沙传递关系构建、全面评估坡面径流调控系统的水土保持意义、进一步丰富坡面径流调控理论的内涵提供一定的参考。     

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明：1）以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505（P<0.05）,模型精度随着流域面积增大而下降,在大于7 000 km2的流域适用性较差;2）年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期NSE平均值为0.84,RMSE平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3）影响研究流域年输沙量变化的因素依次是：年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。     

覆沙坡面水动力学参数与径流产沙的关系

坡面流水动学特征对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,通过模拟降雨试验,定量研究了1.5 mm/min雨强下,不同覆沙厚度(0.5、1.0、1.5 cm)下坡面水动力学参数的时空分布特征及其与产流产沙的关系,以期揭示坡面水动力学参数的内在规律性。结果表明,坡面流的水动力学参数的时空分布呈波动趋势,与黄土坡面相比,雷诺数增加了0.39~1.03倍,佛罗德数增加了0.05~0.29倍,阻力系数增加了0.05~1.55倍;覆沙坡面在整个降雨过程中主要以层流—急流为主,细沟形成主要发生在产流后第10 min后,主要集中在1~10断面处(从坡底依次向上每1 m划分为一个断面);坡面产流和产沙速率与各水动力学参数均可用y=ax+b来描述,雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。此研究可为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学依据。     

基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法

坡面水流输沙能力是土壤侵蚀模型的重要参数之一,也是土壤侵蚀精确预报的基础。该文选用多沙粗沙区典型黄土(中值粒径d50=0.095 mm,d50′=0.04 mm)进行了坡度范围为7%~38.4%,单宽流量范围为0.000 14~0.005 26 m2/s的水槽模拟输沙试验,经无量纲化处理后分析了坡面水流输沙能力与坡度和单宽流量以及输沙能力与各水流强度指标间的耦合关系。结果表明:坡面水流输沙能力与坡度、单宽流量呈幂函数关系(R2=0.955),且单宽流量较坡度而言对输沙能力的影响更为显著;含沙水流平均流速与坡度、流量呈幂函数关系;剪切力可以通过幂函数关系式预测坡面水流输沙能力(R2=0.900,NSE=0.756 1);水流功率、有效水流功率是比剪切力更好的预测因子,其中考虑临界水流功率W0=36.5,水流功率与输沙能力幂函数关系(R2=0.950,NSE=0.978)最佳;单位水流功率并不能作为预测输沙能力的水流强度指标。该文关于黄土丘陵沟壑区坡面水流输沙能力的研究为土壤侵蚀预测模型提供了新的方法。     

草地植被覆盖度坡度及雨强对坡面径流含沙量影响试验研究

为研究植被修复状态下径流含沙量变化。该试验运用人工模拟降雨试验方法,分析了径流含沙量草被调控效益变化。结果:1)不同降雨强度或坡度下,平均径流含沙量随草被盖度的增大而减小,草被盖度从30%~70%,含沙量分别降低约10或5 kg/m3,可用线性方程显著描述。草被消减雨强对径流含沙量影响大于草被消减坡度的。平均径流含沙量随降雨强度或坡度的增大而增大,分别可用幂函数或指数函数方程显著描述,决定系数在0.5或0.8以上。2)基于单位水流功率建立幂函数模型决定系数为0.940,模型有效系数为0.986,说明模型模拟精度都较高。3)基于坡度、雨强和盖度建立指数函数模型决定系数为0.937,模型有效系数为0.894,说明模型模拟精度都较高。该研究可以预测草地坡面含沙量,为生态建设和流域管理提供指导。     

典型黄土坡面天然草地产流产沙规律试验

通过野外模拟降雨试验,研究黄土区天然草坡的产流、产沙规律。试验设2个地类（草地和裸地）、3个降雨强度水平和3个坡度水平。结果表明：坡面初始产流时间与降雨强度呈负相关关系,与裸地相比,草地在降雨强度较大时（〉2.0 mm/min）加快坡面产流,在中（1.0-2.0 mm/min）、小等级降雨强度（〈1.0 mm/min）下则延缓产流;降雨强度较大时,裸地大坡度的产流强度随时间呈对数函数形式增长,中小等级降雨强度下的增长方式不符合这一规律;与中、小等级降雨强度不同,裸地在降雨强度较大时的产流产沙过程不一致;与裸地相比,草地的产流过程更为复杂,并不符合产流强度随时间呈对数函数形式增长的一般规律,草地产沙过程线与产流过程线的相对吻合程度受降雨强度的影响不明显。     

交替冻融对坡面产流产沙的影响

冻融作用使土壤更容易成为侵蚀的物质来源,进而加剧土壤侵蚀程度。为了揭示冻融作用对坡面土壤水蚀的影响,该文通过室内交替冻融循环试验和人工模拟降雨试验,研究了交替冻融作用下坡面的降雨产流产沙特征。试验以未经过任何冻融作用的风干土壤为对照,设计了2种交替冻融循环周期处理(3和6)、2种土壤质量含水率水平(10%和20%)、4种降雨强度(25、50、75、100 mm/h)。结果表明,相对于对照,降雨强度相同时,2种土壤含水率下的交替冻融作用都可以使产流产沙强度增大,且产沙强度的增大幅度大于产流强度。交替冻融循环周期相同时,各降雨强度下的产流产沙强度随含水量的增加而增加。质量含水率相同时,各降雨强度下的产流产沙强度随冻融循环周期的变化相对较为复杂,当质量含水率为10%时,产流产沙强度随冻融循环周期的增加而增大,当质量含水率为20%时,产流产沙强度随冻融循环周期的增加而减小。当质量含水率为10%,交替冻融循环周期为3和6时,增流百分比分别为3.52%、4.71%,增沙百分比分别为6.13%、16.95%。当质量含水率为20%,交替冻融循环次数为3和6时,增流百分比分别为10.24%、5.01%,增沙百分比分别为81.99%、53.07%。相同降雨强度下,土壤质量含水率对产流产沙强度的影响大,交替冻融作用对产流产沙强度的影响小。该研究为冻融侵蚀机理的研究提供参考依据。     

缓坡面细沟发育过程及水沙关系的室内试验研究

为了明确细沟发育特征及对坡面产流产沙的作用,该文在固定坡度(10°)和2个雨强(1.5和2mm/min)条件下,采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,研究了塿土和黄绵土的坡面细沟发育过程和水沙关系。研究结果表明,细沟主要由沿坡面方向呈线状平行分布的跌坎链相互连通演化而成,在雨强较小时塿土更易形成细沟,而黄绵土在雨强较大时才能形成细沟。含沙量与侵蚀速率的变化规律与坡面跌坎和细沟的形成具有同步关系,雨强的增大不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显增加,但对黄绵土含沙量和侵蚀速率的变化有很大影响,在大雨强时黄绵土含沙量和侵蚀速率会迅速增加,并在坡面细沟形成后很快超过塿土。同时,细沟的存在并不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显变化,但黄绵土对坡面细沟反应敏感,细沟一旦形成会导致其含沙量和侵蚀量的急剧增加。该研究为坡耕地细沟侵蚀的有效防治提供相应的理论指导。     

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。