草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

伊犁河流域油葵种植地产流产沙试验研究

通过野外径流小区实地放水冲刷试验,研究伊犁河流域油葵坡地与裸地在不同放水条件下土壤水分入渗情况及其减流减沙效应,探讨灌溉坡耕地径流泥沙特征。结果表明:①油葵与裸地土壤入渗率随着放水流量的增加呈现递增的趋势,与裸地相比,油葵坡面入渗率增加10%,产流产沙时间晚于裸地。②油葵坡面较裸地具有显著的减流减沙效应,输沙率减少58.52%,径流系数减少22.56%左右,其削减径流作用明显弱于减沙效应。随着放水流量的增加,油葵与裸地输沙率均呈递增趋势。     

野外不同被覆坡面产流产沙特征

利用野外原型坡面开展径流冲刷模拟试验,定量研究9L/min和20°条件下裸坡坡面、人工草被坡面和自然修复坡面的产流产沙特征及变化规律。结果表明:(1)自然修复坡面比人工草被坡面减水减沙和增加入渗的作用更明显,和裸坡相比,自然修复坡面的产沙量比裸坡减少89.76%～98%,径流量减少46.97%～53.30%,坡面入渗率比裸坡高114%～126.54%;对于人工草被坡面来说,产沙量比裸坡减少约95%,径流量减少不足20%,入渗率比裸坡高约50%。(2)在3种立地类型条件下,产沙和径流、产沙和阻力系数的关系均呈负相关关系,但与裸坡和人工草被坡面相比,自然修复坡面的产沙径流关系、产沙和阻力系数关系的相关性较弱,这可能与其坡面近地表覆盖情况较复杂有关,因此其坡面水沙关系有待于进一步研究。     

草地坡面径流调控放水试验研究

通过坡面放水模拟径流冲刷试验，研究了不同放水流量下草地减水减沙效应，并从起流历时、径流流速、径流深度等方面分析了草地调控水沙的机理。结果表明：（1）草地具有显著的减水减沙效应，平均径流系数较对照减少28．3％，输沙率较对照减少78．4％。（2）裸地与草地坡面产流规律一致，裸地土壤坡面的输沙率呈先增后减再增的变化趋势，而草地坡面的输沙率呈先增后减然后逐渐趋于稳定。（3）草地能将坡面径流起流历时推迟3倍以上，可将径流流速减小40％，从而使草地坡面的径流入渗率明显增加，使径流的冲刷能力和输沙能力迅速下降。（4）草地对径流深度的影响不明显，径流深度的变化难以反映草地对径流的调控作用，径流流速可能会更好地反映水土保持措施的径流调控效果和能力。     

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。     

草被覆盖度对坡面流水动力学参数的影响

坡面流流速U、径流深h、雷诺数Re、佛汝德数Fr、沿程阻力系数λ以及径流切应力(?)等水力要素是反映水动力学特征的主要指标。通过室外人工模拟冲刷试验,分析了草被覆盖度大小对坡面流水力学参数的影响及各水动力学参数沿坡面的分布特征。研究表明:坡面草被措施降低了坡面流流速和水深,且草被覆盖度越大,其削弱径流流速和降低径流水深的作用就越明显;坡面草被措施明显地降低了坡面流的紊动性,降低了坡面流速及其挟沙能力,且草被覆盖度越高,这种作用就越明显;草被措施增加了坡面入渗,降低了径流深,减弱了径流剪切力,从而起到了减蚀作用,且随着覆盖度的增加减蚀作用越加明显。     

北京北部褐土区2种典型植物措施减流减沙效应

为了对比沙打旺和紫花苜蓿的减流减沙效果,设置3种流量(1,2,3m~3/h),5种植被覆盖度(100%,75%,50%,25%和0),利用潜水泵进行径流冲刷试验。结果表明:(1)种植沙打旺和紫花苜蓿的坡面入渗系数大于对照组,径流量及产沙量小于对照组,说明沙打旺和紫花苜蓿均具有减流减沙效果。(2)沙打旺的减流减沙效果优于紫花苜蓿,以流量为3m~3/h时为例,种植紫花苜蓿、沙打旺的坡面入渗系数分别比对照组增加了5.8%和45.3%;径流总量分别比对照组减少了3.7%和11.2%;对照组产沙量分别是种植紫花苜蓿和沙打旺的坡面产沙量的6.40倍和9.19倍;沙打旺组坡面入渗效果、减沙效益均优于紫花苜蓿组,而紫花苜蓿组的径流量稳定值、径流总量优于沙打旺组。(3)植被的减流减沙效益存在临界现象,50%~75%是本地区草本植物减沙效益的临界盖度。     

河岸边坡草被减流减沙效应及其坡面流水动力学特征

为研究草本植被覆盖对河岸边坡坡面流水动力学特征及产流产沙规律的影响,阐明坡面生物措施的减流减沙效益,在放水流量为5ml/s、坡度约为15°的条件下对不同草本植被覆盖类型的河岸自然边坡进行野外放水冲刷试验。结果表明:(1)植被覆盖坡面的初始产沙量均大于裸地,黄花蒿的产沙量最大(1.92g),其次是野豌豆(1.73g)、狼尾草(1.24g),裸地(0.96g)最小;从产沙趋势上看,裸地坡面的产沙过程呈先升高后下降的趋势,而狼尾草、野豌豆、黄花蒿则呈整体递减趋势;(2)4种不同下垫面边坡土壤稳定入渗率介于2.10~4.30之间,狼尾草(4.30mm/min)最大,野豌豆(3.91mm/min)、黄花蒿(3.10mm/min)次之,裸地(2.10mm/min)最小,且入渗过程均符合Horton入渗公式:i=i_c+(i_0+i_c)e~(-kt);(3)各草本植被覆盖坡面的减流效益按大小排序为狼尾草(57.41%)野豌豆(40.74%)黄花蒿(37.03%);减沙效益大小排序为狼尾草(55.73%)野豌豆(45.71%)黄花蒿(26.89%);(4)3种草本植被坡面的径流流速及费汝德数均小于裸地,而雷诺数与裸地相比差异不大,均分布在32.46~33.90之间;各植被坡面的Darcy—Weisbach阻力系数及糙率系数分别是裸地的3.96~12.85倍和1.96~2.52倍。研究结果可为进一步揭示草被的减流减沙作用及土壤侵蚀动力过程提供理论依据。     

黄土丘陵区降雨坡面再分配规律研究

采用野外定位监测方法,以在安塞进行的降雨坡面再分配试验结果为依据,系统地分析了坡面降雨-径流－入渗的转化规律,降雨在坡面上的水文行为强度,方向等,研究结果表明,降雨的土壤入渗量受坡长,土地利用方式等因素影响,长坡能够接收较多雨量,试验年份（旱年）坡长每增加20m,草地约增加入渗0．77mm,灌木地增加0．92mm,不同土地利用方式下其降雨入渗量为灌木林地＞草地＞农地,长坡沙棘地较农坡地减少径流4．91mm,较长坡草地减少4．10mm,相当于灌木地减流56．52％,草地减流47．16％,雨水转化土壤水的转化系数K,随坡长增加而增加。     

植被对含碎石土壤坡面降雨入渗和径流侵蚀的影响

[目的]研究植被对含碎石土壤坡面入渗和径流侵蚀的影响,为合理配置三峡地区含碎石土壤坡面植被提供科学依据。[方法]在建立的径流小区内铺设含碎石土壤,并配置不同种类、不同覆盖度的植被,进行人工降雨试验。[结果]各类小区径流量排序为:裸坡灌木坡面草本坡面草灌混合坡面,入渗量与径流量排序相反,有植被覆盖坡面的壤中流大于裸坡;入渗率服从对数函数规律,产流强度呈幂函数变化;草地对水沙的调控机制更多的是直接拦沙;累计径流量和累计侵蚀量的关系均满足幂函数形式。[结论]植被措施可有效地减少含碎石土壤坡面的水土流失,不同的植被措施减少的效益不同。     

土壤结皮对乌拉山矿山废弃地客土坡面侵蚀特征的影响

土壤结皮对坡面水分入渗及侵蚀产沙具有重要影响,但其具体作用过程和机理尚存在一定争论。以乌拉山矿山废弃地客土坡面为研究对象,采用原位冲刷试验,研究不同坡长(2,4,6,8,10 m)和产流产沙过程中,土壤结皮对径流泥沙的影响。结果表明：(1)2 m土壤结皮坡面总径流和泥沙量显著增加,分别是对照坡面的2.17,1.56倍;4～10 m土壤结皮坡面总径流量和总泥沙量降低,其中总径流量为对照坡面的67.17%～78.45%,总泥沙量为对照坡面的54.53%～83.56%。(2)土壤结皮坡面与对照坡面产流速率随产流时间变化基本一致,呈现波动稳定或略微提高趋势;产沙速率在对照坡面随产流时间呈下降趋势,而在结皮土壤坡面呈现下降与稳定2种趋势。(3)累积径流量、累积泥沙量与产流时间关系均可用线性函数和幂函数表达。随产流时间变化,土壤结皮坡面对累积径流量的影响可分为全程提高、全程降低、先提高后降低3种类型,对累积泥沙量的影响可分为提高与降低2种类型。因此,土壤结皮对坡面产流产沙过程的抑制或促进作用与坡长和侵蚀发生过程密切相关。     

模拟降雨条件下角砾和圆砾对陡峭路堑边坡产流产沙的影响

[目的]研究角砾和圆砾对陡峭工程边坡入渗、产流、产沙以及水动力学特征,为青藏高原地区工程边坡土壤侵蚀预测模型与水土保持工作提供一定的理论支撑。[方法]基于青藏高原地区派墨农村公路沿线气候特征及其土质路堑边坡形态和物质组成特征,通过室内人工降雨模拟试验,研究了在强降雨(120 mm/h),大坡度(50°),3种砾石含量(30%,40%,50%)条件下圆砾和角砾坡面宏观侵蚀特征和产流产沙规律。[结果]圆砾坡面平均入渗率高于角砾坡面,平均产流率低于角砾坡面,初始产流时间明显晚于角砾坡面;圆砾和角砾坡面水流流态均属于层流,流型均为急流,圆砾坡面的径流剪切力、径流功率、雷诺数略小于角砾坡面,但弗劳德数远大于角砾坡面,流速大于角砾坡面,阻力系数小于角砾坡面,径流挟沙能力更强;圆砾坡面稳定产沙率约为角砾坡面的2倍,总产沙量比角砾坡面高出约20%。[结论]卵砾石表面光滑,与土壤间贴合不够紧密,形状更容易引起局部湍流,在强降雨条件下,陡峻冲洪积路堑边坡坡面易发育以卵砾石为中心,遍布坡面的环形小细沟,细沟发育数量和产沙量都将大于以棱角状碎块石组成的崩坡积路堑边坡。     

聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响

复合坡是自然界常见的主要坡型。通过室内人工降雨模拟试验,研究了复合坡面降雨产流规律以及聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)应用对其的影响。试验采用2种复合坡型(凹型坡和凸型坡)的12个坡度组合和4个PAM施用量,共48个试验处理。结果显示,PAM应用显著缩短了初始降雨产流时间,初始产流时间平均比对照处理提前63.7%~71.6%。PAM应用明显改变了坡面径流随降雨历时的变化规律。PAM应用后,除了大坡度(≥10°)、小量PAM应用(0.5 g/m2)的凸型坡外,降雨径流系数在整个降雨过程中基本维持稳定。PAM应用增大了降雨径流系数和径流量,且径流系数和径流量随着PAM施用量的增大而增大。凸型坡的径流量平均比凹型坡的大14.7%~31.8%。当PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时,凹型坡和凸型坡的径流量分别比对照处理增加55.7%、100.2%、147.3%和16.6%、69.3%、108.9%。在黄土坡地上大剂量(≥1.0 g/m2)应用PAM可明显增大坡面径流量,实际应用中应制定合理的PAM施用量。     

草被覆盖阻延坡面流作用试验研究

草被覆盖对坡面流有明显的阻延作用。本项研究旨在通过室内放水冲刷试验,揭示黄土丘陵区坡沟系统坡面不同草被覆盖对坡面流出流时间和终止时间的影响。试验分为坡沟系统试验及单一坡面试验2种,试验中坡面草被覆盖面积比分别为0,30%,50%,70%和90%,草被覆盖空间配置分为坡上部、坡中部和坡下部,放水冲刷流量为3.2 L/min和5.2 L/min。结果表明,坡面流出流时间与放水流量呈负相关关系,与草被覆盖面积比呈正相关关系;径流终止时间与放水流量和草被覆盖面积比均呈正相关关系;草被覆盖面积越大,其对坡面流的延滞作用越显著,放水流量越大,草被覆盖对坡面流的延滞作用越小。坡面草被布设在坡上部和坡中部时,其对坡面流的阻延作用相对较大。     

草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响

径流含沙量的大小体现水沙关系的消长和演变，可以作为评价植被影响下径流和产沙的交互演变过程特征的重要指标。通过人工降雨试验，研究不同草被覆盖度变化在不同雨强和不同坡度条件下对黄土坡面径流含沙量的综合影响特征。结果表明：(1)草被盖度越大，坡面径流的初始产流时间越滞后。有草被覆盖坡面的径流含沙量随降雨历时变化为降雨前15 min有波动，但总体上呈降低趋势，之后达到稳定，且有草被覆盖坡面的径流含沙量显著低于裸地。(2)径流平均含沙量均随雨强和坡度的增大而增大，平均含沙量对雨强和坡度的响应均可用幂函数方程描述，R²分别为0.823～0.974和0.880～0.971。随着盖度的增加，平均含沙量降低，且雨强对平均含沙量的影响随盖度的增加而减弱。平均含沙量对盖度的响应可用线性方程描述，R²为0.732～0.979。(3)径流平均含沙量对盖度和雨强(R²=0.822,NE=0.921,p<0.01)及对盖度和坡度(R²=0.975,NE=0.697,p<0.01)的响应关系皆可用二元幂函数方程描述，径...     

等高耕作对不同坡度坡面土壤侵蚀过程的影响

等高耕作是一种典型的农业耕作措施,通过影响坡面填洼、入渗等进而影响坡耕地坡面土壤侵蚀过程。通过人工模拟降雨试验,设计降雨强度(90 mm/h)、5个地表坡度(3°,5°,10°,15°,20°)以及2种坡面处理(等高耕作和平整坡面),对径流强度、侵蚀率、径流含沙量、减流减沙效益等指标进行综合对比分析,与平整坡面进行比较,探究了黄土高原坡耕地等高耕作措施对坡面土壤侵蚀过程的影响。结果表明：(1)与平整坡面相比,等高耕作明显延缓坡面初始产流时间,使初始产流时间延迟11.58～31.91 min,随着坡度增大,等高耕作初始产流时间延长效应逐渐减弱。(2)等高耕作具有削弱径流强度和侵蚀率的作用,与平整坡面相比,等高耕作的坡面径流强度、侵蚀率和径流含沙量分别减少11.77%～94.92%,20.69%～99.27%和2.46%～88.40%。但等高耕作减少产流产沙能力有限,若坡面发生断垄,等高耕作坡面的径流强度、侵蚀率、径流含沙量都可能接近或大于平整坡面。(3)在降雨过程中,累计产沙量与累计径流量之间满足线性正相关关系,等高耕作累计产沙量随累计径流量的增大幅度始终小于平整坡面。(4)等高耕作在不...     

覆沙坡面径流冲刷试验研究

通过室内模拟冷冻和放水冲刷试验,采用2个放水流量(1,2L/min)、2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3cm)研究不同处理对覆沙黄土坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)相同流量条件下,覆沙坡面初始产流时间延长,随着覆沙厚度的增加,延长效果越明显,而冻融作用使坡面初始产流时间缩短;不同处理坡面的产流产沙峰值均增大,并且产流量与产沙量的峰现时间具有不同步性。(2)不同流量条件下,不同处理坡面总产流量是对照坡面的1.02~1.28倍,冻结坡面和冻结-覆沙坡面的总产流量与对照坡面有显著差异(p0.05),坡面总产沙量是对照坡面的1.97~10.94倍,冻结坡面、对照-覆沙坡面和冻结-覆沙坡面的总产沙量与对照坡面有显著差异(p0.05)。(3)不同流量条件下,相同处理坡面产流强度随产流时间变化趋势大致相同,裸坡坡面产沙强度随着产流时间的变化趋势较为平稳,而覆沙坡面产沙强度波动程度较大,覆沙是影响坡面产沙过程的主要因素;相同流量条件下,不同处理坡面产流强度大致分为"快速上升-相对稳定"和"相对稳定"两种变化趋势。(4)相同流量条件下,裸坡坡面的产流强度受冻融作用的影响较大,冻融和覆沙处理对产沙强度的影响均较大,冻融作用在裸坡条件下对产沙过程的影响大于覆沙坡面,覆沙坡面在土壤未冻结的情况下对产沙过程的影响大于在土壤冻结的情况。     

模拟降雨条件下林木裸露根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响

为探究喀斯特地区林木根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响,采用人工模拟降雨方法,研究林木根系3类分布方式：根系横坡方向局部裸露（横向）、根系顺坡方向局部裸露（顺向）、根系垂直坡面（垂直）的土壤侵蚀特征。降雨强度为75 mm/h,降雨历时为90 min,坡度为25°。结果表明：（1）降雨过程中,横向和垂直生长根系影响土壤入渗,壤中流和地下径流产流时间表现为顺向>横向>垂直;顺向坡面地表径流初始产流时间比横向和垂直坡面略有提前,但差异不显著（p>0.05）;（2）横向、顺向及垂直坡面地表径流总量大小表现为顺向>垂直>横向,壤中流与地下径流产流速率在降雨过程中缓慢增加,降雨停止后急剧减小;（3）林木根系3类分布方式坡面间的地表减沙效益表现为横向>垂直>顺向。综上所述,顺向坡面的汇流作用促使地表产流产沙增加,垂直坡面增加土壤降雨入渗并减少侵蚀,横向坡面对坡面径流泥沙的拦蓄作用最为明显。研究结果对认识喀斯特石漠化坡地土壤侵蚀机理和水土流失防治措施提供了参考。