模拟降雨下林下覆被结构对产流产沙过程的影响

植被具有良好的水土保持效益,深入了解覆被结构特征与产流产沙关系是研究植被防蚀功能的基础。以鄂中地区典型森林植被为对象,通过人工模拟降雨试验研究5种覆被结构(灌木、草本、枯落物、灌木+草本、灌木+草本+枯落物)和侵蚀性降雨(60,90,120 mm/h)对坡面侵蚀产沙过程的影响。结果表明:(1)坡面产流率、产沙率随降雨时间先迅速增大,后缓慢增大,最后达到稳定趋势。降雨强度是坡面侵蚀产沙的主导因素,与产流时间、产流率和产沙率呈显著正相关关系(p＜0.01)。(2)在有/无枯落物存在的情况下,植被覆盖度、植株密度分别是坡面产流产沙的主要影响因素。径流含沙量在不同覆被结构覆盖下表现为:草本＞灌木＞枯落物＞灌木+草本＞灌草枯。(3)结构特征参数对产流产沙影响的优先等级为覆盖度、生物量、植株密度、多样性指标,即水平结构＞竖直结构＞物种组成＞空间格局。研究结果旨在揭示覆被结构对坡面侵蚀产沙的作用机理,为南方林地土壤侵蚀模型的构建提供科学参考。     

降雨和植被覆盖对铁路路基边坡土壤侵蚀的影响

[目的] 探究不同植被覆盖对边坡径流泥沙的削减作用,为改善道路路基边坡的植被配置,减少公路边坡的水土流失量提供科学参考。[方法] 选取江苏省南通市境内在建的南京市—启东市铁路路基为研究对象。利用坡面观测小区,选取观测期内不同降雨强度（15,28,40,63,82 mm/h）的自然降雨条件,对3种植被覆盖（灌草坡面、植草坡面和裸坡坡面）的坡面产流与产沙进行分析,揭示植被覆盖对径流和泥沙的拦蓄作用。[结果] 降雨强度对初始产流时间影响显著（p<0.05）,3种植被覆盖的初始产流时间随降雨强度的增加逐渐减少,植草坡面和草灌结合坡面相比裸坡坡面对初始产流时间的延缓作用显著。随着降雨强度的增加,3种下垫面坡面径流量均呈增大的趋势,植草和草灌结合坡面相比裸坡坡面有较好的削减坡面径流作用。试验条件下,草灌结合坡面削减率在54.20%～63.68%,植草坡面削减率在38.59%～55.37%。随着降雨强度的增加,裸露坡面所产生的泥沙量呈指数型递增,在降雨强度大于63 mm后尤为明显,由662.66 g （15 mm/h）陡增至2 002.95（82 mm/h）。植草和草灌结合坡面随降雨强度的增大产沙量增加不明显,泥沙产生量在0.9～4.9 g。[结论] 路基边坡产流产沙随着降雨强度的增大而增加,降雨对坡面产流产沙影响显著;植草坡面和草灌结合坡面相比裸坡坡面有非常明显的减少土壤侵蚀的效果。     

室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为水土保持与生态建设提供重要科学依据。利用室内模拟降雨试验,研究了不同植被格局条件下的坡面侵蚀产沙、径流、入渗规律及相关关系。研究结果表明,裸坡坡面下,雨强是影响径流的主要因素,径流贡献率为87%;坡度是影响产沙的主要因素,产沙贡献率为76%;在大雨强或陡坡条件下,这种趋势更加明显。模拟降雨条件下,坡面含水量以坡面中下部最大,坡面中部居中,坡面上部最小。坡面植被覆盖对侵蚀产沙的影响大于坡度因素的影响;相同覆盖度条件下,植被空间位置对水沙调控作用大小顺序依次为:坡底>坡中>坡顶。随植被覆盖率的增加,径流总量呈幂函数减小趋势,产沙总量和径流含沙量呈指数函数减小趋势,植被对水沙调控作用逐渐增强。本文研究成果对于深入理解流域径流产流产沙过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。     

大别山南麓裸地小区径流泥沙过程对降雨特征的响应

作为水土流失重点预防保护区,大别山南麓裸地坡面水土流失严重,为探究该区典型裸地坡面径流泥沙对降雨的响应,利用自动化径流泥沙监测设备对裸地径流小区的降雨—径流-泥沙过程进行监测。以2020年全年侵蚀性降雨数据为基础,依据降雨峰值时序划分雨型,分析了4种雨型的累计产流产沙特征和次降雨的径流泥沙特征,并建立了累计产流产沙的最优函数模型。结果表明:(1)大别山南麓降雨事件的I₃₀是影响降雨事件的泥沙量和径流系数的重要因素;前期集中型和中期集中型降雨事件的泥沙量与前48 h内的降雨量呈显著正相关。(2)不同雨型下产流产沙过程有显著差异,但径流泥沙指标的差异不显著。不同雨型下累计产流产沙的最优模型为Logistic模型。(3)不同雨型下,雨强、产流率和产沙率的变化趋势和峰值出现规律存在一致性,也存在产沙产流过程滞后于雨强变化过程的现象,产沙滞后多出现在前期集中型降雨,产流滞后多出现在中期集中型和后期集中型降雨。研究结果揭示了降雨-产流-产沙相互关系,对该区域坡面水土流失防治具有一定的科学指导意义。     

紫鹊界梯田区坡面产流产沙特征的模拟试验研究

通过野外模拟降雨试验,研究了紫鹊界梯田区红薯地与裸地土壤入渗及坡面产流产沙特征。结果表明,与裸地坡面相比,红薯地坡面由于覆盖度高,土壤疏松,其土壤入渗率比裸地高。在小雨强(0.65mm/min)条件下无径流产生,中(1.15mm/min)、高(1.65mm/min)雨强下坡面产流产沙速率以及径流系数均有很大程度的降低,表现出较强的减流减沙效益,但径流含沙量分别为裸地的1.3和2.8倍试验条件下的坡面产流产沙和土壤入渗过程均符合幂函数关系,产流率与产沙率之间呈线性关系。     

喀斯特地区不同降雨和植被覆盖的坡面产流产沙特征

[目的]分析不同降雨类型下的径流和产沙量特征,及其在不同植被覆盖类型和植被覆盖度下的响应,为喀斯特地区黄壤坡面在不同降雨和植被覆盖条件下的产流和产沙量动态特征研究提供理论基础。[方法]以贵州省黔南州龙里县羊鸡冲小流域2014—2018年径流小区实测数据为基础,基于均值分类的方法,将研究区降雨类型划分为4类,对各指标进行相关性分析、回归模型模拟以及指数函数分析。[结果]不同降雨对研究区产流产沙的影响程度不同,不同植被覆盖类型下降雨特征对产流产沙的影响存在明显的差异。总体上A型降雨(极强雨强,极大降雨量、中等降雨历时的低频次降雨事件)更容易造成侵蚀性危害,该条件下坡面产流和产沙量之间显著相关,并且经果林表现出极好的水土保持效果;B型降雨(强雨强,中等降雨量、短降雨历时的高频次降雨事件)为该地区主要降雨类型;在4种降雨条件下,混交林的水土保持效果优于其他植被覆盖类型。产沙量与雨强、径流深正相关,和植被覆盖度负相关,对产沙量的影响为:径流深平均雨强植被覆盖度。当植被覆盖度到达80%左右,其削减径流以及减沙的效果处于稳定的状态。[结论]在降雨一定的前提下,植被是影响坡面产沙量的关键因子。对于喀斯特地区黄壤坡面而言,增加地表覆盖度是减少产沙量的基础,也是防治水土流失的一项重要举措。     

砾石覆盖条件下盐碱土边坡降雨侵蚀水动力学特征

为了探究砾石覆盖对盐碱土坡面侵蚀的减沙效应,通过室内模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下降雨径流水动力学特征及产沙受砾石覆盖的影响。试验坡度选取15°和30°,雨强选取92,119mm/h,坡面砾石覆盖度分别为0,10%,20%,40%,60%,80%,采用染色示踪法测定坡面径流流速。结果表明:不同坡度和雨强条件下,水流产沙率随坡面砾石覆盖度增大先增后减;雷诺数与弗劳德数均随砾石覆盖度增大呈先增后减的抛物线趋势,曼宁糙率、Dracy-Weisbach阻力系数、坡面径流剪切力和径流功率均与坡面砾石覆盖度呈线性正相关;径流功率预测产沙率效果较好,二者呈对数关系(R2=0.47)。     

降雨和上方来水条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀特征

定量分析降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面产流产沙过程,对于完善多驱动力条件下堆积体坡面土壤侵蚀特征具有重要意义。该研究运用人工模拟降雨和冲刷试验,在野外径流小区(7 m×1 m×0.5 m,坡度36°)上分别开展5个降雨强度(40、50、70、100、120 mm/h)、4个上方来水强度(10、15、20、25 L/min)单独作用及共同作用下坡面土壤侵蚀过程试验,比较2种驱动力单独作用及共同下堆积体坡面土壤侵蚀与形态特征。结果表明:1)降雨条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现阶段性差异发育,中小雨强(40、50和70mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时延续呈现2个不同阶段(波动、平稳),侵蚀形态为不连续跌坎,大雨强(100和120 mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时的延续呈现3个不同阶段(波动、平稳、剧烈),坡面侵蚀形态为细沟。2)上方来水条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现相对平稳发育,坡面侵蚀形态均为细沟。3)上方来水与降雨共同作用下,堆积体坡面侵蚀过程呈现剧烈波动发育,产沙率随历时的延续呈现持续"多峰多谷"变化态势,随着时间延续,产沙率波动振幅逐渐增大,堆积体坡面侵蚀形态均为侵蚀沟,且发育剧烈。4)上方来水和降雨共同作用下,坡面径流量和泥沙量均增大,且泥沙量的增大幅度大于径流量,相比单独降雨,径流量和泥沙量分别增大86%~629%和86%~4914%,相比单独上方来水,径流量和泥沙量分别增大12%~175%和15%~505%。上方来水和降雨共同作用下,汇流与降雨之间存在交互作用,两者对径流和泥沙的影响均显著。研究结果对于完善堆积坡面土壤侵蚀特征及揭示复杂水动力条件下的侵蚀机理具有重要意义。     

雨强和植被覆盖度对红壤坡面产流产沙的影响

为探究雨强和植被覆盖度对花岗岩红壤坡面产流产沙的影响,通过室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(0.5,1.0,1.5 mm/min)和植被覆盖度(0,20%,40%,60%)下坡面侵蚀的产流、产沙规律及相关关系。结果表明:(1)同一雨强下,初始产流时间随植被覆盖度增加而延迟,并随雨强增大而提前,雨强越大,产流时间提前越明显;(2)各坡面径流率、侵蚀率随植被覆盖度增加而减小,且植被覆盖度越高,径流率和侵蚀率波动范围越小,侵蚀过程越稳定;(3)有植被覆盖的坡面,产沙主要以0.25 mm的水稳性团聚体为主,侵蚀泥沙中0.25 mm水稳性团聚体比重随雨强增大而增加,且增加的幅度随覆盖度的提高而减小;(4)雨强、植被覆盖度均与产流时间、径流率、侵蚀率呈现极显著相关关系(P0.01),且坡面产流过程与雨强变化的相关性大于其与植被覆盖度变化的相关性,坡面产沙过程与植被覆盖度变化的相关性大于其与雨强变化的相关性,不同雨强下植被覆盖坡面累积径流量和累积产沙量关系符合幂函数模型(R~20.98)。研究结果可为南方红壤丘陵区水土流失治理与生态恢复提供科学参考。     

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％.     

紫色土坡面植被覆盖度对水土流失影响研究

植被是防止地面水土流失的积极因素,但在三峡库区紫色土关于植被对水土流失的影响还相对比较薄弱。本研究通过人工模拟降雨试验,分析不同草地覆盖度对紫色土坡地径流产沙的影响,定量研究不同草地覆盖度的减水减沙效益。结果表明:流量随草地植被覆盖度的增加而减小,小雨强时表现特别显著。特别是当植被覆盖度 > 60%后,径流量明显低于裸地及20%,40%植被覆盖度;植被覆盖度越高,植被降低径流含沙率的作用也就越明显,径流含沙量就越低;与草地的减沙功能相比,其削减径流作用明显弱于减沙效应,且盖度对坡面的减水特征值影响不太明显;植被覆盖的减流减沙效益在中小雨强时随雨强的增加而增加,在大雨强时,其减流减沙效益反而降低。     

不同植被盖度对三峡库区边坡减蚀的室内模拟降雨研究

为探究气候和植被覆盖度变化对三峡库区消落带库岸边坡的影响,通过开展人工模拟降雨试验,分析不同雨强和植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)下坡面侵蚀规律及变化特征。结果表明：(1)在不同雨强下,植被边坡侵蚀累计产沙量均随植被覆盖度的增加呈现下降趋势,整体下降演变的趋势可分为迅猛—平缓—稳定3个阶段,三峡库区消落带库岸边坡的临界盖度为50%～70%,维持植被覆盖度在此区间可以有效抑制坡面的泥沙损失。(2)同一植被覆盖度条件下地表径流相对系数与雨强呈正相关。同一雨强条件下地表径流相对系数与植被覆盖度呈负相关,说明坡面植被可以有效地阻滞地表径流,对水土流失具有一定的抑制作用。(3)选用Horton降雨入渗模型分析不同植被覆盖度对降雨入渗速率影响,发现不同植被覆盖下边坡降雨入渗大体分为降雨初期迅速减小,中期减小幅度变缓,后期逐渐趋于稳定3个阶段。植被覆盖度越大,稳定入渗率越高。研究成果可为三峡库区库岸边坡水土流失治理与推动长江生态环境保护修复提供理论参考。     

模拟降雨条件下不同覆被减流减沙效益与侵蚀影响因子

[目的]研究不同坡度和降雨强度条件下,不同覆被的减流减沙效果,定量分析各侵蚀影响因子的权重。[方法]采用室内人工模拟降雨的方法。[结果](1)与裸地相比,枯落物、砾石和黑麦草均具有良好的减流减沙效果,枯落物的减流效果最好,减流效益最大为79.7%,平均减流效益46.1%。其次为黑麦草,最大减流效益68.9%。第三为砾石,最大减流效益68.0%。(2)黑麦草的减流效果存在临界盖度,其值在60%左右,当盖度大于60%后其减流效益不再增加。(3)减沙效益随着盖度的增加而增加,枯落物、砾石和草地最大减沙效益分别为98.8%,64.6%和88.1%。(4)经过灰色关联定量分析得出选取的8个影响因子与径流均有较高的关联性,关联度都在0.622 3以上。[结论]不同试验条件和不同覆被对坡面产流产沙具有明显影响,降雨强度和降雨量是对泥沙量影响较大的因素,降雨强度、降雨量、覆被盖度和坡度是对径流量影响较大的4个因子,影响因子与径流和泥沙的关联度和关联序因土壤种类不同而存在差异。     

模拟降雨条件下崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系

[目的]研究崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系,为崩岗治理提供理论基础与科学依据。[方法]通过室内模拟降雨试验,探讨不同覆盖度(0%,25%,50%,75%,100%)和坡度(25°,30°,35°)组合坡面在90mm/h雨强条件下的产流产沙时空特征及其响应关系。[结果]不同覆盖度和坡度条件下,坡面产流时间的变化范围在33~292s;同一坡度条件下,坡面产流时间与覆盖度呈线性正相关关系;同一覆盖度条件下,坡面产流时间与坡度呈幂函数关系。通过双因素方差分析可知,坡度对径流量的影响达到极显著水平,覆盖度对产沙量的影响达到显著水平。当坡度为25°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为50%;当坡度为30°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为75%;当坡度为35°时,坡面径流量的临界覆盖度为50%。[结论]针对不同坡度崩积体坡面,可以选择合适的秸秆覆盖度以达到较好的水土保持效果。     

城市高羊茅草坪绿地水沙调控效应

通过人工模拟降雨试验,研究了60%覆盖度城市高羊茅草坪绿地(种草当年)在不同坡度(5°,10°)、不同雨强(30,60,90mm/h)条件下的产流、产沙过程以及径流携带泥沙的作用机制,并用裸地作为对照,同时定量化分析城市高羊茅草坪绿地的水沙调控作用。结果表明:(1)高羊茅草坪绿地能够有效延缓初始产流时间,但随着雨强及坡度的增加其延缓效果降低,当雨强90mm/h、坡度10°时草坪绿地几乎没有延缓初始产流时间的效果;(2)各试验条件下高羊茅草坪绿地与裸地产流率差异性显著,但雨强90 mm/h、坡度10°时二者差异性不显著;(3)各试验条件下高羊茅草坪绿地总径流量是裸地的0.8倍左右,总产沙量是裸地的1/244.68~1/28.34倍;(4)60%盖度城市高羊茅草坪绿地能够有效削减径流量和土壤侵蚀量,但削减程度有差异,雨强为30,60,90mm/h时草坪绿地的平均减流效益分别为33.23%,23.04%,13.78%,在各场次降雨条件下减沙效益均可达95%以上;(5)试验条件相同时,高羊茅草坪绿地和裸地的径流挟沙能力有差异,同一径流量下草坪绿地的土壤侵蚀量远远低于裸地;(6)分别建立城市高羊茅草坪绿地、裸地的径流量与泥沙侵蚀量之间的水沙关系。     

植被空间配置对凸型坡侵蚀及泥沙颗粒分选的影响

针对黄土高原水土流失严重的问题,结合该地区缺水的现状,在有限的植被措施条件下,以凸型坡为研究对象,将草带布设在上坡面5种不同位置,利用室内放水冲刷试验对不同植被空间配置下坡面侵蚀过程和泥沙颗粒分选特征进行了研究,阐明了植被能够有效发挥水土保持功效的作用,并初步提出在低植被覆盖度下植被发挥水土保持功效的最优植被空间配置。结果表明:(1)不同植被空间配置的产流强度Cv值为10.26%～15.50%,产流强度的波动程度较小,其中配置A的产流强度与配置B和配置F的产流强度表现为显著性差异(p0.05),不同植被空间配置的产沙强度Cv值均在26.00%以上,配置A的产沙强度与其他配置的产沙强度均表现为显著性差异(p0.05),在坡面布设草带对产沙过程的影响大于对产流过程的影响;(2)在凸型坡的上坡面种植植被后,总产流产沙量与裸坡(配置A)相比均有不同程度的降低,其中配置F的减水效益达到19.65%,配置B的减沙效益高达70%以上;(3)不同植被空间配置下泥沙颗粒平均重量直径(MWD)的平均值表现为配置A配置F配置D配置E配置C本底物配置B,MWD的平均值随着产流时间的延长逐渐稳定并接近于本底物,在有植被覆盖坡面的水力侵蚀条件下,侵蚀颗粒以细颗粒为主,粉粒含量较高,砂粒含量相对较小,并且植被布设位置距离坡顶越远更容易侵蚀0.002～0.05 mm的粉粒。研究结果有助于加深植被空间配置对坡面侵蚀产沙作用机理的理解。     

模拟降雨条件下侧柏林地枯落物对坡面产流产沙的影响

以北京山区人工侧柏林地坡面为研究对象,基于2个2m×5m径流小区,设枯落物覆盖自然坡面与裸露坡面2种处理、大小2种雨强(126,70mm/h),通过对比分析2种处理下坡面产流产沙过程,揭示林下枯落层覆盖对北京山区坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)与裸坡相比,枯落物覆盖自然坡面产流产沙分别减少了67.0%和90.6%,其中,减沙效益大于减水效益。(2)无论是枯落物覆盖自然坡面还是裸坡,坡面产流过程均表现为先增大后趋于稳定的变化规律,但枯落物覆盖坡面产流趋于稳定的时间较裸坡有所提前。(3)枯落物覆盖坡面70,126mm/h降雨平均产沙速率分别为2.8,80.8g/min,裸坡分别为51.4,872.7g/min,枯落物覆盖坡面产沙率显著小于裸坡(p0.05)。当地表有枯落物覆盖时,产沙速率与含沙量随产流历时均波动变化不大,坡面产沙是一个基本稳定的过程;于裸坡而言,产沙速率与含沙量在小雨强条件下呈现先增加后趋于稳定的变化规律,而大雨强条件下,两者随产流历时先急剧增加后波动降低。(4)枯落物覆盖坡面产沙量与产流量为线性关系,而裸坡产沙量随产流量的增加呈幂函数急剧上升。研究结果可为评价北京山区人工林恢复水土保持效益提供理论依据,同时增进了对北京山区林地坡面产流产沙机制的认识。