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     

基于GRNN的坡面径流输沙能力模型的试验研究

坡面径流输沙能力是建立土壤侵蚀过程模型的重要水力学参数,研究定量计算坡面径流输沙能力的实用模型具有重要的理论和实践意义.通过室内模拟径流冲刷试验,计算不同坡度和流量条件下的裸地坡面径流输沙能力,利用平均影响值(MIV)方法对影响坡面径流输沙能力的因子进行分析,建立以干密度、能坡、进口流量、出口流量、水力半径、流速为输入,以坡面径流输沙能力为输出的广义回归神经网络(GRNN)模型,并应用Adaboost算法对模型进行优化.验证结果表明,所建模型能够用于对坡面径流输沙能力的模拟预测.与BP神经网络模型进行对比分析的结果表明:在试验训练样本条件下,广义回归神经网络(GRNN)模型的模拟预测结果优于BP神经网络模型;Adaboost算法能够有效减小广义回归神经网络(GRNN)模型的模拟预测误差.     

坡面流土壤分离速率与输沙率耦合关系研究

采用变坡实验水槽在较大流量(0.5～2.0 L/s)和坡度(8.7%～46.6%)范围内,系统研究了坡面薄层水流输沙率与土壤分离速率之间的耦合关系。结果表明:不同坡度与流量组合条件下,土壤分离能力、挟沙力与坡度和流量均呈良好的线性关系,土壤分离速率与输沙率之间也呈良好的线性相关关系,随着输沙率的增大土壤分离速率逐渐减小。研究证明:由Foster和Meyer提出的土壤分离速率与输沙率呈线性关系的假定是正确的,可作为描述土壤分离与径流输沙关系的控制方程,应用于土壤侵蚀过程模型的建立。     

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。     

花岗岩崩岗区不同层次土壤分离速率定量研究

针对湖北通城花岗岩崩岗区发育的表土层、红土层、砂土层、碎屑层,利用钢制变坡冲刷水槽在不同坡度(8.8%,17.6%,26.8%,36.4%,46.6%)和不同流量(0.2L/s,0.4L/s,0.6L/s,0.8L/s,1.0L/s)组合下,研究花岗岩崩岗区不同层次土壤分离速率与流量、坡度的关系。结果表明:花岗岩崩岗区各层次土壤分离速率与流量和坡度均呈线性相关(R~2=0.958),随着流量和坡度的增大,各层次土壤分离速率逐渐增大,且增加速率呈上升趋势;花岗岩崩岗区崩壁垂直结构上,随着土体深度的增加,土壤分离速率逐渐增大,且各层次土壤分离速率差异显著,在一定坡度和流量下,碎屑层的分离速率最大,是砂土层的34.24倍,红土层的76.27倍,表土层的711.58倍;各层次土壤分离速率的流量—坡度模型可以用二元一次函数方程很好的拟合(R~20.933),且流量、坡度2个因子的叠加效果对碎屑层分离速率的影响最大,砂土层次之,表土层最小;采用Nash模型效率系数对拟合的流量—坡度模型效果进行检验后发现:各层次的效率系数均较高,预测值与实测值的贴近度较好,研究所得流量—坡度模型能很好的模拟南方花岗岩崩岗区的土壤分离速率。该研究对于解释崩岗侵蚀机理、建立崩岗侵蚀模型具有重要的指导意义。     

冲刷时间对土壤分离速率定量影响的实验模拟

土壤分离过程为侵蚀产沙提供了物质准备 ,对它发生、发展的过程进行准确模拟 ,具有重要的实践和理论意义。利用变坡实验水槽 ,在较大流量 (0 .5～ 1 .5 L / s)和坡度 (5°～ 1 5°)范围内 ,系统研究了冲刷时间对土壤分离速率的定量影响。研究结果表明 :不同流量和坡度条件下 ,土壤分离速率均随着冲刷时间的延长而呈良好的幂函数形式下降 (Dr=At B) ,系数 A随着流量和坡度的增大而增大 ;土壤分离速率与坡度和流量间的关系随着冲刷时间的不同而不同 ,当冲刷时间在 1 0 s以内时 ,随着冲刷时间的增加土壤分离速率与流量和坡度间的相关性增大 ,当冲刷时间大于 1 0 s后 ,随着冲刷时间的增大其相关性反而减小 ;以土样下切 2 cm为条件 ,建立了最佳冲刷时间与流量和坡度间的幂函数关系 ,为相关实验径流冲刷时间的设计提供了思路     

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。     

坡面水流分离崩岗崩积体土壤的动力学特征

利用变坡式水槽,在坡度(20°,25°,30°,35°,40°)和流量(1.1,2.2,3.3,4.4,5.5L/min)下进行崩岗崩积体土壤的分离试验。结果表明:流量对土壤分离速率的作用大于坡度,土壤分离速率与坡度及流量呈线性相关;水深对土壤分离速率的影响大于坡度,土壤分离速率与坡度及水深呈线性相关;土壤分离速率与水流流速呈指数函数关系;水流剪切力、水流功率及单位水流功率与土壤分离速率之间的关系均为线性关系,其中,水流功率和水流剪切力可以很好地描述崩积体的土壤分离速率。     

黄土高原公路弃土场侵蚀规律及其模拟研究

公路弃土场是道路侵蚀的重要单元之一,对其土壤侵蚀机理的研究与模拟是完善道路侵蚀模型、准确预测流域产沙量的基础。通过不同雨强(0.6~2.79 mm/min)的人工降雨实验对不同坡度(19.4%~78.1%)的弃土场坡面及坡度为30.6%的弃土场施工道路的土壤侵蚀规律进行了研究,并提出了弃土场土壤侵蚀预报方法。结果表明:弃土场土壤侵蚀速率与雨强呈较好的幂函数关系;小雨强下容重与侵蚀速率呈正相关,大雨强下容重与侵蚀速率呈负相关;弃土场坡面侵蚀量与坡度呈正相关,但侵蚀量随坡度的变化趋势与陡坡耕地有较大差异;使用EI30、容重及坡度等因子可以较好地预测弃土场土壤侵蚀量。     

Detachment of road surface soil by flowing water

An agricultural watershed generally consists of two land use categories, farmland and the unpaved road or path networks with different traffic frequency and size. Road surfaces are quite different from farmland soil in physical properties, resulting in it's distinguish production transportation process. Hydraulic flume experiments were conducted with the flow discharges ranging from 1 to 5 L s^− 1 and the slope gradients ranging from 8.8% to 46.6% to simulate the soil detachment process on a road surface and to develop tools in order to calculate detachment rates occurring on that road surfaces. The results illustrate that road surfaces behave characteristically in the runoff detachment and sediment delivery process due to the difference in the bulk density and functions of agricultural soils. The soil detachment rate is closely related to flow depth, slope gradient and other hydraulic parameters such as shear stress, stream power and unit stream power. Multiple non-linear regression analyses indicate that detachment rates for all roads can be accurately predicted by power functions of flow depth and slope gradient. According to the experimental results, stream power was suggested as an indicator to estimate soil detachment rate instead of shear stress in soil erosion models. However, considering the simplicity and availability, power function of flow depth and slope gradient is also recommended to predict detachment rate on the road surfaces.     

黄土区不同土地经营方式径流量神经网络模拟

基于黄土坡面降雨—径流关系的复杂性和非线性,引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地经营方式(草灌地、刈割地、翻耕地)径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量。利用野外人工模拟降雨试验所得到的不同降雨强度下各类土地经营径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练并预测,径流量平均误差不超过10%,且径流量较大的翻耕地训练精度及预测结果较草灌地、刈割准确性更高些。与传统回归统计方法进行了误差比较,结果表明,该模型能更好地预测次降雨的径流量。     

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。     

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。     

坡面径流剪切力分布及其与土壤剥蚀率关系的试验研究

 径流剪切力是建立土壤侵蚀过程模型重要的水动力学参数,研究径流剪切力和土壤侵蚀产沙相关关系具有重要理论和实践意义。以径流冲刷模拟试验为研究手段,研究不同流量和不同坡度组合条件下坡面侵蚀过程中径流剪切力的分布特征,并对应分析土壤剥蚀率与各阶段径流临界剪切力的相关关系。结果表明:不同试验条件下,坡面侵蚀发育各阶段径流剪切力和土壤剥蚀率随冲刷流量的增加而增加,随小区坡度的变化受临界坡度影响;土壤剥蚀率与放水流量、坡度和径流剪切力等多因子呈线性相关,与流量或坡度的大小呈正比,与径流剪切力的大小呈反比;土壤剥蚀率与各径流剪切力单因子呈幂函数或指数函数相关,随径流剪切力的增加呈增加趋势;坡面产生跌坎时的临界剪切力和坡面径流平均剪切力均可以作为土壤侵蚀预测参数。     

神府煤田建设中扰动地面水沙过程模拟研究

通过野外放水冲刷模拟试验,以神府煤田为例,对比分析煤田建设中扰动地面和原始地面的水沙动态过程,探讨煤田建设中人为扰动地面的产流产沙规律。结果表明:1)土壤入渗率、径流含沙量、土壤剥蚀率均随放水流量和坡度的增大而增大;2)放水流量在5～25 L/min时,扰动地面的平均土壤入渗率(0.14～0.51 mm/min)、径流含沙量(62.16～118.66 g/L)和土壤剥蚀率(19.38～202.58 g/(m2.s))分别是原始地面(0.31～0.61 mm/min、1.61～12.05 g/L和0.24～21.75 g/(m2.s))的0.44～0.73倍、10～39倍和9～79倍;3)坡度在5°～18°时,扰动地面的平均径流含沙量(36.19～155.96 g/L)和土壤剥蚀率(0.79～2.70 g/(m2.s))分别是原始地面(3.27～9.62 g/L、0.05～0.19 g/(m2.s))的11～23倍和14～22倍;4)原始地面与扰动地面的土壤剥蚀率与放水流量和坡度呈显著的幂函数关系。研究结果对矿区生态环境恢复和重建及水土流失测算具有重要的指导意义。     

黄土高原水蚀风蚀交错区风沙土细沟分离能力探究

细沟侵蚀产沙是黄土高原水蚀风蚀交错区坡面侵蚀产沙的主要来源,明确该区细沟侵蚀过程特征及其影响因素,对有效防控入黄泥沙和维护流域安全具有重要的科学意义和实践价值。选取水蚀风蚀交错区下垫面典型风沙土为研究对象,通过不同流量(3,5,7,9,11 L/min)、不同坡度(9°,12°,15°,18°,21°)组合下的室内水槽冲刷试验定量揭示风沙土细沟分离过程对坡度、流量以及流速的响应关系,并建立分离能力方程。结果表明:(1)分离能力对坡度和流量的响应均呈线性正相关关系,且相关性极显著。流量对风沙土分离能力的影响大于坡度。除了受到坡度、流量的影响,分离能力还受到坡度和流量叠合作用的影响,这3种因子对分离能力影响由强到弱依次为流量、坡度和流量的叠合作用、坡度,且分离能力与这3种因子的关系可用线性正相关关系表示。(2)流速可作为反映坡度和流量之间叠合作用的关键因子。细沟分离能力对流速的响应呈显著线性正相关关系,试验条件下,临界流速为0.607 m/s。(3)坡度与流量组合下,坡度、流量与坡度和流量叠合作用组合下,单个流速因子下以及坡度、流量与流速因子组合下的4个分离能力方程均能较好地预测和模拟风沙土的分离能力,其中考虑坡度、流量以及坡度和流量叠合作用的方程拟合效果最佳。该研究结果可为完善水蚀风蚀交错区细沟水蚀过程模型提供一定的理论基础。