草被覆盖对坡面流流速影响的人工模拟试验研究

草被覆盖是影响坡面流流速变化过程及特征的重要因素之一。研究草被覆盖下坡面流流速时空分布特征，对揭示草被减蚀作用机理有重要作用。该文通过室内放水冲刷试验研究了黄土丘陵区坡沟系统坡面不同草被覆盖对坡面流流速变化过程及特征的影响。试验中共涉及坡沟系统坡面5种草被覆盖度、3种空间配置和2种放水冲刷流量。研究结果表明：放水流量为3.2 L/min时，坡面草被覆盖对坡面流流速的延缓作用较大；流量为5.2 L/min时作用相对减弱；坡面及沟坡平均流速随坡面草被覆盖度的增加呈指数下降趋势。坡面流流速在坡面的发展有一个坡长范围，试验中，在距坡顶3～4 m处，坡面流流速达到最大；坡面、沟坡各断面流速基本上都随着放水冲刷时间的延长而呈下降趋势。     

草被覆盖下坡沟系统坡面流能量变化特征试验研究

坡面侵蚀是水流能量作用的结果．草本植被对坡面流能量的作用有重要影响．研究坡沟系统坡面草被不同盖度及空间配置下坡面流能量的变化过程与特征．对于揭示草被减蚀作用机理有重要意义。本文利用实验土槽和放水冲刷试验方法．研究了2种流量（3．2L／min和5．2L／min）．坡面5种草被盖度（0，30％，50％．70％和90％）及3种空间配置（坡上部、坡中部、坡下部）下，坡沟系统坡面径流能量的变化过程与特征。结果表明，有草断面比无草断面下的径流动能、势能普遍偏小．变化幅度也较平缓；各断面能耗时间上呈下降一稳定的变化趋势．空间上随着径流流程的增加呈显著增加趋势；坡面流能耗变化过程与径流含沙量变化过程基本一致，裸坡情况下二者关系更为密切。     

草被覆盖度对坡面流水力学参数的影响及其减沙效应

为研究坡面生物措施减蚀作用,利用试验土槽和放水冲刷方法,探讨不同流量、覆盖度条件下坡面流水力学参数的特征,以及草被拦沙效应。结果表明,有草被覆盖的坡面薄层流的流态基本上呈过渡流和紊流;坡面流的弗劳德数与雷诺数分别为0.27～2.04和326～1538,阻力系数为8.30～16.29,且随着流量的增加,草被覆盖度对这些参数的影响减弱;与裸坡相比,30%和70%覆盖度坡面水流平均流速降低25%和47%,草被具有显著的减沙效应,但随着流量的加大,草被对坡面流的阻滞作用呈下降趋势。     

不同草被格局下的坡面流水力学特性

通过室内放水冲刷试验,研究不同草被格局(随机格局、草方格、带状、斑块状及光滑玻璃对照)下的坡面流水力学特性变化。试验在8种流量(0.15,0.30,0.45,0.60,0.75,0.90,1.05,1.20 L/s)和3种坡度(3°,6°,9°)下进行。结果表明:(1)与光滑玻璃面相比,草被覆盖坡面可以雍高水位1.02～1.38倍,减缓流速6.52%～36.73%;随着流量和坡度的增大,流速呈幂函数递增(R~20.95)。(2)雷诺数与流量间存在显著的线性正相关关系(R~20.99),与坡度和草被格局无明显相关关系;草被覆盖可以有效降低坡面弗劳德数。(3)随流量和坡度的增大,草被覆盖下的坡面流型态从层流—缓流或急流过渡到紊流—急流。(4)随着流量的增大,坡面流阻力系数呈幂函数递减(R~20.86),坡度对坡面流阻力系数无显著影响(p0.05)。(5)不同草被格局雍高水位的作用为随机格局斑块状草方格带状,对流速的减缓作用为随机格局带状斑块状草方格,坡面弗劳德数为斑块状带状草方格随机格局,抗蚀能力为随机格局草方格带状斑块状。     

草被覆盖对坡面细沟发育影响试验研究

利用试验土槽和放水冲刷试验方法，研究了3种流量（3L／min、5L／min和8L／min）、3种覆盖度（O、30％和80％）下坡面细沟发育变化过程及特征。结果表明，覆盖度越大，细沟的数量、深度、宽度越小。在3L／min流量下，30％和80％覆盖的坡面基本不产生细沟，而当流量增到8L／min时，空白坡面冲刷极为剧烈，坡面被冲塌。水流形态的变化间接反映了细沟的演变过程。     

野外放水条件下坡面流水动力学特征

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征.结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著.其中,坡面流人流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小.流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势.     

植被类型对河岸带坡面流水动力特性的影响

为了研究河岸带植被类型对坡面流水动力学特性的影响,通过野外简易径流小区放水冲刷试验,在3种流量(4,6,8 L/min)和6种不同坡面类型条件下对河岸带坡面流水动力学参数变化进行了分析。结果表明：(1)坡面植被的存在具有明显降低径流流速的作用,裸坡坡面平均流速(0.276±0.065 m/s)显著高于其他植被类型(p<0.05),坡面平均径流流速随着来水流量的增加而增加;(2)雷诺数随着放水流量和放水时间的增加而增加,所有河岸带边坡流型都属于层流;弗劳德数随着放水时间先减小后趋于稳定,各坡面流均属于急流状态(弗劳德数大于1);(3)植被覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数和弗雷德数,裸坡的雷诺数(128.53)和弗雷德数(4.0)显著高于其他坡面类型(p<0.05)。狗牙根坡面的Darcy-weisbach阻力系数(3.71)以及曼宁糙率系数(0.062)均最大,表现出对坡面流流速最好的阻滞效果。     

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。     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度(21°、24°、27°)、不同流量(6.5、8.5、10.5 L/min)的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究.结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大.而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围.坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响.坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大义减小的变化趋势.     

不同植被格局下凸型坡径流流速时空变化及产沙研究

以凸型坡为研究对象,利用室内径流冲刷试验,研究了不同植被配置下凸型坡水蚀动力的变化过程以及侵蚀产沙的差异。结果表明:裸坡条件下径流流速呈现出极强的空间波动状态,随水力断面与坡顶距离的逐渐增加表现出先减小后增大的空间变化态势,导致侵蚀最为严重的部位出现在上坡上部和下坡上部。将草带布设于与坡顶距离60%～80%位置处对径流流速影响较大,降幅为22%,蓄水效益和减沙效益分别为12%和69%,能够较好地发挥直接拦沙的水土保持功效。不同植被空间配置下的径流量和产沙量均表现出与径流流速相一致的空间变化特征,随着草带距坡顶距离的逐渐增加,径流量和产沙量呈现出先增加后减小的趋势,植被通过调控水蚀动力过程实现了对径流和侵蚀产沙的调控。在此过程中,植被的空间配置方式改变了径流流速时空变化特征,从而对水蚀动力过程起到了很大程度的调控。研究结果有助于加深对植被、冲刷与水蚀动力过程之间耦合关系的理解。     

不同植被格局对梁峁坡-沟坡的侵蚀动力作用机制

[目的]探究不同植被格局对梁峁坡—沟坡的侵蚀动力作用机制,为进一步揭示草地坡面侵蚀规律和植被减蚀效应研究提供科学依据。[方法]以梁峁坡—沟坡为研究对象,采用室内降雨模拟降雨和三维激光扫描技术,分析不同植被格局对梁峁坡—沟坡侵蚀动力作用机制。[结果]径流流速和含沙量共同影响着坡面侵蚀动力过程,径流流速是主要影响因素。坡面的侵蚀产沙来源主要位于沟坡内,不同植被格局下梁峁坡与沟坡产沙比例的不同,反映了植被调控侵蚀的范围和强度的不同。草带位于梁峁坡中下部时,不但能够有效降低梁峁坡的侵蚀程度,而且能够有效抑制和减缓沟坡内的径流流速,大幅度降低梁峁坡下部和沟坡内的侵蚀程度。[结论]不同植被格局可以通过影响径流流速和含沙量来调控梁峁坡—沟坡侵蚀动力。     

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。     

Runoff- and erosion-reducing effects of vegetation on the loess hillslopes of China under concentrated flow

Evaluating the effects of revegetation on runoff and erosion reduction is essential for studying soil and water conservation on the Loess Plateau after implementation of China's Grain for Green Project. However, quantifying the influence of revegetation on the erosion caused by concentrated runoff in extreme rainstorms is still challenging. To evaluate this influence, scouring-erosion experiments were implemented in situ on the vegetated hillslope plots (GR) and bare hillslope plots (CK). The runoff-reducing effects of grass (GRR) averaged 31%, 20% and 8%, and the erosion-reducing effects of grass (GER) averaged 93%, 95% and 93% on the 5°-plots, 10°-plots and 18°-plots, respectively. The ratios of GRR to GER were 0.09–0.33, implying that the ability of vegetation to reduce erosion was greater than its ability to reduce runoff. The GRR and GER obviously decreased as the inflow rate increased, and the GRR decreased as the hillslope gradient increased, but there were no obvious differences in the GER between hillslope gradients. Vegetation could decrease the ability of the concentrated flow to carry and transport sediment and increase the energy consumption of the concentrated flow in response to hydraulic resistance. Vegetation also significantly reduced the degree of rill development. The degree of rill dissection on the GR (0.054–0.087 m² m^?2) was lower than that on the CK (0.061–0.184 m² m^?2). Our findings provide an essential reference for ecological environment and vegetation restoration on loess hillslopes.     

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。     

河岸植被对坡面径流侵蚀产沙的阻控效果

河岸植被在流域水土保持与非点源污染控制方面具有重要作用。为探究河岸植被阻控坡面径流侵蚀产沙效果及其影响因素,该文通过野外模拟径流冲刷试验,定量分析了北江干流河岸植被阻控坡面径流和侵蚀产沙的特征,探讨了河岸植被对径流与泥沙相互关系的影响以及河岸植被阻控效果与坡度和放水强度的关系。结果表明,(1)植被的存在延迟了坡面初始产流时间、降低了坡面径流系数、减弱了径流侵蚀力,放水强度和坡度越大,坡面产流时间越早、径流系数越大、植被对径流的拦截效果越低,其中,植被对不同坡度上径流系数的平均阻控效果分别为3.35%、3.36%、4.28%和3.17%,对不同放水强度下径流系数的平均阻控效果分别21.69%、17.40%和10.01%,对坡面径流侵蚀力的阻控效果分别为60.00%、32.23%、27.29%和22.76%;(2)植被坡对坡面累积泥沙量的阻控效果分别为60.14%、32.83%、24.19%和20.86%,植被的存在可以有效提高土壤的抗侵蚀能力并减少侵蚀产沙量和降低侵蚀泥沙中值粒径,植被阻控泥沙的效果大于其阻控径流的效果;(3)相关性分析表明,产流时间与累积泥沙量、粒径均呈显著负相关,植被的存在一定程度上改变了退流时间与两者之间的关系;径流系数、径流侵蚀力与累积泥沙量、粒径均呈显著正相关;植被对累积泥沙量和径流侵蚀力的阻控效果与随坡度和放水强度的增加而降低。综上,河岸植被对坡面径流和泥沙具有不同的阻控效果,且受坡度和放水强度影响显著,研究结果可为流域水土保持与河岸植被建设提供支持。     

坡面草被覆盖对侵蚀产沙影响的模拟试验

为了探究坡面植被及其布设位置对坡面侵蚀动力过程的影响,通过室内放水冲刷试验,分析了不同植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)和不同坡面覆盖位置(坡上、坡中和坡下)下的坡面产沙及其水动力学参数的变化。结果表明:植被覆盖度、径流动能、径流流速、弗汝德数、阻力系数、糙率系数、剪切力等与坡面侵蚀产沙量密切相关。随覆盖度的增加,径流流速、径流剪切力、单位水流功率和径流动能逐渐降低,曼宁糙率系数和阻力系数逐渐增加,产沙量呈直线下降。当覆盖度从0增长到50%时,植被的减沙效益显著提高,当盖度增加到70%时,植被保持水土的作用不随覆盖度的增加显著提高,不同坡面覆盖位置下坡面侵蚀产沙表现为植被位于坡面中下部的产沙量小于植被位于坡面上部的,可用包含植被覆盖度、单位水流功率和径流动能等参数建立的联合公式模拟预测坡面侵蚀产沙量。研究结果可为阐明植被减沙的临界盖度和合理位置以及黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供参考。     

桂西北喀斯特峰丛不同土地利用方式坡面产流产沙特征

由于缺乏长期定位观测资料,西南喀斯特山区坡地水土流失规律一直不明确,严重影响了该区石漠化综合治理和水土流失防治工作的成效和进程。该文基于13个大型径流小区(宽20m、投影面积>1000m2)5a(2006-2010年)的定位观测资料,分析了桂西北喀斯特峰丛洼地不同利用方式坡面降雨产流规律和地表侵蚀产沙特征。结果表明:观测期内年降雨量为1300～2000mm,无论平水年还是丰水年,不同利用方式坡面次降雨径流系数<5%,地表产流很少,降雨几乎全部入渗。不同利用方式地表侵蚀产沙模数虽有较大差异,但土壤侵蚀以微度(<30t/(km2a))为主,部分甚至只有0～5t/(km2a)。植被类型、土地利用方式对坡面降雨产流的影响较小,但人为干扰会增加地表侵蚀产沙量。该文为喀斯特坡地植被恢复重建和水土流失防治提供参考。     

不同施肥水平下植草对坡地径流氮素流失的调控作用

采用室内模拟人工降雨的方法,研究坡地植草措施在不同施肥水平下对径流氮素流失的控制效应。结果表明:(1)植草措施使坡地初始产流时间滞后约3′6″～18′28″,地表径流量随雨强的增大而增加,植草措施下径流调控率变化范围为3.3%～59.81%,泥沙调控率变化范围为39.66%～83.51%,且均在小雨条件下效果最好;(2)径流三氮输出量随雨强的增大而增加,且与降雨强度之间的关系较施肥水平更紧密;(3)径流氮素流失以硝态氮为主,硝态氮占总氮浓度的变化范围为21.28%～88.36%,铵氮在总氮浓度中的比例较小,仅占3.39%～22.28%,硝态氮浓度是铵氮浓度的1.3～16.9倍,表明坡地径流氮素流失以硝态氮为主。径流氮素浓度与施肥水平的关系较紧密,与降雨强度无紧密关系。