降雨与陡坡沙土斜面崩塌机理的研究(Ⅰ)

研讨降雨导致陡坡沙土斜面崩塌发生机理 ,采用了崩塌实验及“陡坡沙质土斜面伴随降雨渗透的剪切变形”模型进行解析 ,以不同坡度斜面的地表位移、斜面内部饱和度及斜面内孔隙水压力随时间的变化进行研究。提出适于预测崩塌发生时间的参数。测试结果表明 :在斜面上部饱和度早期开始上升 ,一定值后稳定 ;下部的饱和度上升时间较迟 ,崩塌发生时将出现相当高的值。斜面坡度越小 ,斜面内饱和度越是在早期开始增加 ,且其值也较大。当坡度小到基岩上产生孔隙水压力的程度时 ,地表位移将在孔隙水压力产生后效仿孔隙水压力的增加而增加。斜面坡度大时 ,斜面内饱和度增加的起始时间较迟 ,且其值也小 ;不过 ,地表位移将与斜面下部饱和度的上升一起显著增加。斜面坡度小时 ,斜面下部的饱和度、基岩上的孔隙水压力是可用的 ;斜面坡度大时 ,地表位移是可用的。     

董志塬沟头溯源侵蚀过程及崩塌中孔隙水压力变化

为研究董志塬沟头溯源侵蚀过程及孔隙水压力变化规律,采用模拟降雨+放水冲刷的方法,研究集水区坡度(1°、3°、5°、7°)和放水流量(3.0、3.6、4.8、6.0、7.2m3/h)对董志塬沟头溯源侵蚀过程和孔隙水压力特征值的影响。结果表明:1)崩塌发生频率由试验初期0～30 min时的6.29%增加到150～180 min时的27.48%。2)放水流量为3.0～7.2 m3/h时,产沙率随试验时间呈对数函数减小。产沙量随坡度和放水流量的增加而加大,建立了产沙量与二者间的多元线性回归方程。3)坡度为1°～7°时,崩塌会增加22.75%～324.59%的产沙率,产沙率突变点出现时间相较于崩塌而言存在"滞后"现象。4)孔隙水压力随试验时间呈显著线性或对数函数关系,孔隙水压力的上升是影响溯源侵蚀崩塌发生的关键因素。研究结果可为黄土高塬沟壑区生态治理提供参考。     

沙质沉积岩坡面崩塌的水文条件

在沙质沉积岩台地内,具有大量的岩屑堆,其地下水位变化是诱发崩塌的起因。观测表明:降雨后,在沙质沉积岩岩屑堆区,地表径流很快转化为地下径流。当地下水位长期处于高位时,一旦发生较大降雨,地下水位出现急剧上升,此时则是岩屑堆崩塌的高危时期。沙质沉积岩坡面的剖面上从上到下大量分布有管孔、裂隙。地表径流通过管隙和裂隙渗透进入地下,形成管流,很快到达基岩,再从台地山麓的周边地区流出。当台地内地下水流出量超出岩屑堆排水能力时,岩屑堆内的地下水位急剧上升,以至引起崩塌。基于沙质沉积岩谷地低水位时的流量测定,岩屑堆崩塌是发生泥石流的起源,而不是沙质沉积岩谷地。     

不同土地利用类型土壤侵蚀量的坡度效应

 研究不同土地利用类型土壤侵蚀量的坡度效应,以便为退耕还林及坡耕地水保措施提供依据。根据上舍河小流域2000年55场有效降雨资料,对不同土地利用类型(坡耕地、杉木林地)次降雨地表径流量、径流侵蚀模数与坡度、降雨量、降雨强度、植被盖度等影响因子进行相关分析。结果表明:坡耕地、杉木林地的次降雨地表径流量、地表径流侵蚀模数与坡度、降雨量、降雨强度、植被盖度等相关显著。在一定坡度范围内,坡耕地的次降雨地表径流量和径流侵蚀模数,随着坡度的增大而增加,而杉木林分的次降雨地表径流量和径流侵蚀模数,随着坡度的增加而降低。     

降雨诱发泥石流演化及土壤颗粒运移特性研究

基于离散单元法DEM,推导颗粒连接-损伤断裂-运动演化本构模型,建立岩体崩塌边坡模型,进行降雨诱发岩体崩塌滑动及泥石流演化动态过程模拟,在二维边坡模型中实时跟踪6个监测点相关力学及运动参数,分析从稳定至滑动,再到泥石流运动演化过程中参数变化情况,结果表明:细观颗粒间从黏结到损伤断裂再到运动过程中,非线性运动特征差异化明显。基于格陵兰岛岩体崩塌地质条件,建立三维DEM模型,研究了不同基岩坡度下的泥石流演化及土壤颗粒的非线性运动特征;结果表明:基岩坡度从1.0到2.0阶段,测点位移及速度与坡度基本成线性关系,而坡度2.0以上非线性特性显著。     

根据洪峰滞后时间预测崩塌发生时间的可能性

:以往预测崩塌诱发型泥石流及确定崩塌避难标准时 ,多以前期有效降雨及雨强大小而定 ,而未考虑雨后是否发生泥石流。研究证明 :深层崩塌多发于雨后 ,表层崩塌多与降雨同步。为此利用降雨—径流特性进行预测崩塌发生时间的研究。在中古生代层地区、花岗岩地区、流纹岩地区 ,分别设定试验小流域 ,并测定各自降雨—径流的关系。通过降雨—径流过程线分析认为 :石灰岩地区因山体内地下水滞后而洪峰滞后 ;中古生代层地区、流纹岩地区因基岩存在大量裂隙而成为地下水流径 ,导致洪峰滞后 ;而花岗岩地区基岩裂隙少 ,地下水迅速流出 ,洪峰与雨峰几乎同步。因此 ,以前警戒避难方法仅限于花岗岩地区。对于潜在深层崩塌的中古生代层地区 ,根据水文地质资料 ,研究降雨—径流特性及崩塌、泥石流的发生与洪峰滞后时间关系 ,可以确定滞后于雨峰的泥石流发生地区     

人工模拟降雨条件下花岗岩红壤坡面侵蚀过程与特征分析简

通过室内人工模拟降雨试验,研究降雨强度、坡度及地表覆盖3因素对花岗岩红壤坡面侵蚀过程的影响.结果表明：1）起始产流时间随降雨强度和坡度的增加而有所提前,而地表覆盖能延缓起始产流时间;2）在不同降雨强度和坡度条件下,径流率从产流初期开始都快速增加,7 ～ 10 min后达到稳定,且随着降雨强度和坡度增加,径流率也显著增加;3）随着降雨强度的增大,产沙率明显增大,且降雨强度越大,坡度对产沙率的影响越明显;4）降雨强度和径流总量、产沙总量之间相关性极显著,其相关系数分别为0.892和0.799;5）地表覆盖具有良好的减沙作用,其减沙效益超过90％.     

水蚀过程中裸露陡坡耕地土壤侵蚀特征

在坡耕地上,农业耕作措施改变了地表微地形,对坡地土壤侵蚀过程产生影响。深入了解耕作措施对坡地土壤侵蚀的影响,以便为开展陡坡耕地退耕还林(草)工程的水土保持效益评价提供科学依据。以30°陡坡耕地为研究对象,采用室内人工模拟降雨试验方法,对采用人工锄耕、人工掏挖和等高耕作的裸坡地土壤侵蚀特征进行研究。用相同坡度平整坡地作为对照措施。降雨强度为60,90,120mm/h,降雨历时80min。结果表明:(1)在陡坡耕地上,在雨强为60,90mm/h时,3种耕作措施都具有延缓坡地产流的作用,但在雨强为120mm/h时,人工锄耕和人工掏挖坡地产流开始时间与平整坡地无显著差异(P0.05);(2)对采用等高耕作的陡坡地,在3个降雨强度下,累计产流量均低于平整坡地,但采用人工锄耕和人工掏挖的陡坡地与平整坡地相比并无明显规律;(3)在降雨强度为120mm/h时,耕作陡坡地地表径流含沙量较高,土壤侵蚀量是平整坡地的2~5倍。因此,在裸露陡坡耕地上,当降雨强度偏大时,采用农业耕作措施不仅不能降低土壤侵蚀发生,反而会增加。     

喀斯特典型坡耕地模拟降雨条件下的土壤侵蚀响应

为了定量研究不同降雨强度、坡度和孔(裂)隙度条件下坡耕地土壤侵蚀响应和空间分布特征,采用人工模拟降雨试验,通过模拟喀斯特典型坡耕地耕作层和微地貌特征以及孔裂隙构造特征,研究土壤侵蚀响应和空间分布特征。结果表明:(1)15,30mm/h降雨强度时地表不产流,水土流失形式为地下漏失;50mm/h降雨强度时地表产流产沙,水土流失也以地下漏失为主,地下径流出现最大值。50mm/h以上降雨强度时,土壤侵蚀逐渐向地表侵蚀转变,地表、地下径流泥沙分配呈负相关;(2)在一定条件下,坡度增大,地表径流泥沙量增加,地下径流量减小,当坡度在10°~15°时地表径流泥沙量急剧增加,25°时坡面产流产沙量达到最大值,其中20°坡面径流泥沙与25°接近;地下泥沙与坡度、孔(裂)隙度间变化规律不明显。(3)径流空间分配特征以地下径流为主,其中90 mm/h降雨强度以地表侵蚀为主。(4)降雨强度、坡度和孔(裂)隙度等因子对地表径流及地下径流的影响程度依次为降雨强度坡度孔(裂)隙度。总之,喀斯特坡耕地以地下漏失为主,地表产流之前随雨强增大而增大,地表径流产生后则反之,极端暴雨(90mm/h)下以地表侵蚀为主;降雨强度对水土流失影响程度最大,其次坡度,再次孔(裂)隙度。     

降雨过程对地表糙度的影响

通过野外模拟降雨试验,研究降雨过程中,不同坡度、雨强以及不同地表覆盖度下地表糙度的变化情况.利用测点法测量每次降雨前后的地表糙度值,确定坡度、雨强以及地表覆盖度变化对地表糙度的影响.结果表明,相同雨强下,地表裸露、土壤一定时,坡度越大,地表糙度变化越大;同一地表,土壤一定且坡度相同的情况下,雨强越大,地表糙度变化越大;在同一坡面,雨强一定的条件下,植被覆盖度越小,地表糙度变化越大.研究结果为地表糙度影响因子的研究和揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施.     

石漠化区薄土层坡地雨水转化及土壤侵蚀影响因素分析

为了探究影响喀斯特坡地雨水转化及土壤侵蚀的影响因素,该研究采用人工模拟降雨方法,降雨强度选取50、75和100 mm/h,降雨次数为相同降雨强度下的连续3次降雨,坡度为5°、15°和25°,坡地包括地下基岩具有裂隙的地下裂隙坡地和地下基岩无裂隙的无地下裂隙坡地,研究了不同降雨强度、降雨次数和坡度下喀斯特坡地地表-地下的径流和土壤侵蚀变化。结果表明：1）两种坡地的地表径流率随降雨强度、降雨次数和坡度的增加而增加;壤中流率随降雨强度和坡度的变化也呈相同的趋势,但随降雨次数增加,两种坡地的壤中流率减少;岩土界面流率和地下裂隙流率随坡度和降雨次数增加而减少,随降雨强度增加先增大后减小。2）在降雨强度（50和75 mm/h）、降雨次数（第1场）和坡度（5°和15°）较小时,坡地径流以岩土界面流和地下裂隙流为主,分别占总雨水的24%～39%和28%～51%;随着影响因素增强,两坡地径流转变为以地表径流为主,分别占总雨水的30%～50%和25%～43%。3）降雨强度和坡度是驱动两个坡地地表土壤侵蚀的主要驱动力（P<0.01）,但降雨强度、降雨次数和坡度对两坡地地下土壤侵蚀的影响较小（R2<0.3,P>0.05）;总体上,无地下裂隙坡地和地下裂隙坡地土壤侵蚀以地表土壤侵蚀为主,分别占总侵蚀量的54%～97%和39%～96%;以岩土界面侵蚀或地下裂隙侵蚀为辅,分别占总侵蚀量的1%～45%和2%～60%。研究结果可为理解识别喀斯特坡地雨水转化和土壤侵蚀驱动因素以及喀斯特石漠化防治提供参考。     

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。     

模拟降雨条件下地表糙度动态变化特征研究

地表糙度是影响土壤侵蚀的因素之一。为进一步明确地表糙度的侵蚀效应,通过野外模拟降雨试验,研究了地表糙度在降雨前后、不同坡度、不同植被覆盖度、不同空间坡段的动态变化特征,探讨了地表糙度变化规律及其影响因素。结果表明:在降雨过程中,土地利用类型、雨强、降雨顺序、坡度和植被覆盖度都会对糙度产生影响。随着降雨场次的增加,地表糙度逐渐增大;在试验范围内,坡度越大,地表糙度增加幅度越大,增加趋势越明显;植被覆盖度越大,地表糙度变化越小。坡面的各个坡段变化情况整体遵循上述规律,但在某些坡段内出现空间变异性,导致有些坡段可以拦蓄径流泥沙,消减侵蚀,而有些坡段可以增加潜在的冲刷,加剧侵蚀;多个因子以及因子间的交互效应成为影响糙度变化的主要因素。研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原水土流失治理奠定理论基础。     

基于SCS-CN模型的紫色土坡地径流预测

地表径流是引起坡面土壤侵蚀的主要动力,对降雨径流进行有效的预测,是紫色土坡地水土保持的基础。SCS-CN模型中的径流曲线数CN和初损系数λ作为主要输入参数对径流模拟精度有重要影响,但在应用于紫色土坡耕地模拟时,却很少进行坡度的调整,而坡度是影响降雨产流的重要因子。该文利用紫色土不同坡度的径流小区,选取2013年的5场降雨产流的实测数据,旨在分析紫色土坡耕地降雨产流量与地表坡度的关系,对现有的基于坡度修正的SCS-CN模型进行适用性评价,并在考虑降雨量影响的基础上对初损系数进行修正。结果表明,次降雨下径流量随坡度的增大而增大,并出现径流影响的临界坡度;经坡度修正后的模型在小降雨事件下的模拟精度较好,但强降雨条件下预测值比实测值均偏大,初损系数λ=0.2适用于紫色土坡地小降雨产流模拟,在强降雨条件下,λ值越大,模型模拟效果越好,当λ=0.3时,修正的模型在紫色土坡地径流模拟效果最理想,此时,模拟值与实测值的平均相对误差为7.42%,模型效率系数达到0.99。而基于坡度调整后的CN值对应坡度6.5°~25°依次为78.23、78.45、78.77、79.11、79.47。该研究结果可为紫色土丘陵区降雨径流预测及水土保持提供参考。     

模拟降雨对亚热带阔叶林土壤坡面产沙产流及养分流失的影响

采用人工降雨方法,研究了不同降雨强度和坡度对亚热带阔叶林土壤坡面产沙产流及养分流失的影响。结果表明:(1)在不同降雨强度下,初始产流时间随坡度的增加趋于提前,随降雨强度的增大产流时间提前,降雨强度对初始产流时间的影响大于坡度变化的影响。(2)在同一坡度条件下,产流强度和平均入渗强度随降雨强度的增加而增加;曲线拟合的结果表明产流强度随时间遵循幂函数变化规律,而坡面入渗强度随时间呈对数函数变化。(3)不同降雨强度下,径流量随降雨历时的变化趋势基本一致,径流量均随降雨历时呈"增加—稳定"趋势,在整个降雨过程中,径流量随坡度的增加而增加,相同坡度下,径流量随着降雨量的增加而增加;降雨初始时刻,坡度对径流量的影响较小,而在降雨后期,降雨强度和坡度对径流量的影响较大;产流率与径流量的变化趋势相反,随降雨历时呈"降低—稳定"趋势,在整个降雨过程中,土壤产流率随坡度的增加而降低,在相同坡度下,产流率随着降雨量的增加而增加。(4)侵蚀泥沙量的变化特征表现为坡度越大,坡面侵蚀泥沙的流失量越大;泥沙侵蚀量随降雨历时的增加而增加,在降雨10min左右达到峰值;在相同坡度和降雨历时下,泥沙侵蚀量随降雨强度的增加而增加;不同坡度下的侵蚀泥沙量在峰值前后与产流历时均呈乘幕函数变化,不同坡度下侵蚀泥沙养分含量与产流历时间的关系均可用幂函数表达。(5)不同坡度条件下,泥沙量与侵蚀泥沙中养分的含量均存在不同程度的正相关关系,其中坡度为15°,20°和25°时,侵蚀泥沙养分含量与泥沙流失量间的相关性明显优于坡度为5°和10°时,说明侵蚀泥沙量的增加会引起泥沙中各类养分含量的增加效应,而不同坡度下的全磷与侵蚀量没有显著的相关关系(P0.05)。     

强降雨条件下沙丘土壤水分运移特征分析

通过开展野外模拟降雨及亮蓝示踪试验,分析古尔班通古特沙漠强降雨条件下沙丘土壤水分运移规律。结果表明,2003-2013年间沙漠降雨以小雨量、小强度、短历时降雨特征为主。存在少数大雨量、大强度、长历时降雨;裸沙地平均土壤入渗率为7.87mm/min,远大于最大自然降雨强度(14mm/h),降雨条件下沙丘坡面不易形成地表径流,降雨期间土壤水分以垂直入渗为主。强降雨后再分配阶段,土壤水分顺坡侧向运移显著;陡坡、缓坡下部土壤水分顺坡侧向运移补给量分别为8.68,4.66mm,各占坡下部土壤水分来源的37.32%和32.63%,是坡下部土壤水分的重要来源。雨后土壤水分运移是土壤水分空间分布的重要影响因素,土壤水分顺坡侧向运移主要作用于土壤水分水平空间分布;强降雨后土壤水分富集层及富集区域向深层及坡下部运移;缓坡土壤水分空间富集层较浅,坡中部为土壤水分富集区域;陡坡土壤水分空间富集层较深,坡下部为土壤水分富集区域。     

模拟降雨下不同坡度土壤坡面产流产沙特征及磷和钾素流失研究

采用室内模拟降雨研究了不同坡度对土壤坡面产流产沙特征及其养分流失的影响。结果表明:在降雨条件下,初始产流时间随坡度的增加而趋于提前,初始产流时间变化范围为0.63~1.62 min,说明坡面产流时间因坡面坡度的增加而缩短。不同坡度条件下径流强度随降雨历时的增加而增加,在降雨历时前20 min,径流强度急剧增加,降雨历时20 min以后,径流强度增加趋势趋于平稳,径流强度遵循幂函数变化规律;不同坡度条件下入渗强度随降雨历时的增加而降低,在降雨历时前20 min,入渗强度急剧降低,降雨历时20 min以后,入渗强度降低趋势趋于平稳,坡面入渗强度随时间则呈对数函数变化。不同坡度下径流量均随降雨历时呈“增加—稳定”趋势（单峰曲线,抛物线规律）,在整个降雨过程中,径流量随坡度的增加而增加,在0~20 min内,径流量随降雨历时的增加陡然上升趋势,20~40 min,不同坡度条件下土壤泥沙侵蚀量均达到最大值,40 min以后泥沙侵蚀量随降雨历时的增加呈现基本平稳趋势,泥沙侵蚀量中DP,K⁺,SEP和SEK均随着坡度的增加而增加。不同坡度条件下,泥沙量与侵蚀泥沙中养分的含量均存在不同程度的正相关关系,其中坡面坡度为20°,25°和30°时,侵蚀泥沙养分含量与泥沙流失量间的相关性明显优于其他坡度,说明侵蚀泥沙量的增加会引起泥沙中各种类养分含量的增加效应,而随着坡度的增加,侵蚀泥沙量与侵蚀泥沙中养分的含量并非均显示出更进一步的相关性。     

模拟降雨入渗对岷江流域红壤坡面产流产沙的影响

采用室内模拟降雨研究了不同降雨强度和坡度对岷江流域红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响。结果表明:在不同降雨强度下,随坡度的增加,初始产流时间趋于提前;随降雨强度的增大,产流时间提前,降雨强度对初始产沙时间的影响大于坡度变化的影响。在同一坡度条件下,径流强度随降雨强度的增加而增加,平均入渗率随降雨强度的增加表现为先增大后减小的趋势。50mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后20min开始趋于稳定;75mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后15min开始趋于稳定;100mm/h降雨强度下,径流强度和坡面平均入渗率在降雨后10 min开始趋于稳定,径流强度和平均入渗率趋于稳定的时间均随雨强的增大而明显提前,各个时刻的径流强度和入渗率的稳定值在降雨过程中并不稳定,表现为随降雨强度和坡度的增大,波动愈剧烈。坡面产沙量随坡度和降雨强度的增大而增大,当坡度由5°增大到10°时,产沙量急剧增加;当坡度由10°增加到30°时,产沙量增速趋缓,侵蚀产沙量没有出现临界坡度。坡面产流强度和入渗率随时间的变化关系分别服从幂函数和对数函数规律,不同降雨强度下的径流深和产沙量也呈现出显著的正线性关系。     

黄土坡面细沟径流过程试验

 采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对同坡度不同降雨强度及同降雨强度不同坡度条件下的黄土坡面细沟径流过程进行模拟试验研究,结果表明:1)不同降雨强度下,细沟径流率随径流过程的变化在3个大降雨强度下为先逐步增大随后转为稳定的变化过程,2个小降雨强度下变化较平缓,稍有后期大于前期的趋势,皆可用幂函数方程描述;2)不同坡度下,细沟径流率随径流过程的变化表现为随径流历时的增长而递增,15min以后接近于稳定,变化过程一致,可用幂函数方程很好地描述;3)不同坡度下细沟径流率随径流过程的变化与不同降雨强度下总体上具有相似性,都随径流历时增长呈先增大后趋于稳定或稍有后期大于前期的变化趋势,但细沟径流率随径流过程的增加速率在不同坡度下比不同降雨强度下大;4)同坡度下,细沟径流深随降雨强度增大而增大,可用对数方程很好地描述;同降雨强度下,细沟径流深随坡度增大相应增加,可用对数方程很好地描述;细沟径流深随降雨强度及坡度的变化可用二元对数方程很好地描述。     

紫色土丘陵区典型坡地产流及产沙模拟试验研究

应用人工模拟降雨实验,对紫色土丘陵区坡地产流及产沙特征进行了研究.(1)地表径流初始产流时间随着雨强和坡度的增加而加快,在0.7～9.5 min之间变化;壤中流初始产流时间变化复杂,在2.6～46.4 min之间变化,雨强是影响低坡度壤中流初始产流时间的主要因子;(2)地表径流累积量与雨强、坡度均成正比关系,壤中流累积量随着坡度和雨强的增大呈现出减小趋势;(3)地表径流雨后消退迅速,退水常数k(Barnes法)值为0.41～0.66,壤中流消退缓慢,退水常数为0.91～0.99;(4)同一降雨历时下,相对坡度而言,雨强是决定产沙量的主要因子,产沙量在23.4～972.3 g/(m2·h)之间变化;在同一雨强下,产沙量随着坡度的增大而增加.就紫色土坡地而言,改良耕作制度和耕作措施,实施因地制宜的水保措施,提高坡地土壤入渗率和持水量,使降雨径流以壤中流形式产生,能更有效地防治水土流失.