黄土陡坡径流侵蚀产沙特性室内实验研究

通过室内土槽放水冲刷实验，研究了黄土区陡坡侵蚀产沙特性。结果表明径流输沙率随径流流量的增加而增加，径流输沙率随坡度呈抛物线形式变化，当坡度在21°～24°之间时输沙率最大；径流剪切力也具有类似变化。泥沙输移率与径流剪切力之间存在线性关系，径流临界剪切力为1.701 N/(m²·min)，发生细沟侵蚀的临界径流水深与坡度正弦值成反比。在实验条件下，坡面中上部土壤的侵蚀量占总侵蚀量的很大比重，表明土壤侵蚀主要发生在坡面中上部。坡面下部侵蚀微弱，以搬运上部来沙为主。     

工程堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机制研究

工程堆积体极易产生水土流失,是生产建设项目水土流失防治的重点。为探明工程堆积体植物篱控蚀效果和机理,通过野外模拟径流冲刷试验,该文采用35、45、55 L/min 3种放水流量,对24°、28°、32°三种坡度的植物篱(H)及裸露对照小区(C)堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取产沙率、径流含沙量、减沙量、径流挟沙力、剪切力、剥蚀率和径流功率等因子对堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机理进行分析。结果表明:堆积体侵蚀时间段集中在产流中后期(10~32 min),侵蚀位置主要在坡面中上段(0~10 m),植物篱具有10%~45%的减沙效益,其控蚀能力与冲刷历时之间存在二次函数的关系,临界时间随坡度和流量的增加而提前;植物篱坡面产流后期径流含沙量超过裸坡,这与其在侵蚀过程中的"源-汇"转变有关;植物篱可降低坡面土壤剥蚀率,提高坡面的临界剪切力和临界径流功率,能抑制细沟向坡面下部的发育,基于径流功率,其可蚀性参数(3.58 g/(N·m))大于对照坡面的可蚀性参数(2.83 g/(N·m))。研究结果可为坡面植物篱的合理利用提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体措施条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供部分参数支持。     

黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀临界水动力学试验研究

道路侵蚀是黄土高塬重要的侵蚀方式,通过野外放水冲刷试验研究了黄土高塬沟壑区沟坡道路侵蚀水力学及产沙特性。结果表明,平均输沙率随坡度和流量的增加而增大,输沙率与坡度之间呈对数关系。水流剪切力在3°～12°的坡度变化中呈增大趋势,在9°～12°其增大趋势变缓。进一步的分析结果表明,道路侵蚀的发生具有一定临界条件。土壤剥蚀率与径流剪切力、水流功率和单宽能耗之间均呈线性关系,其中临界剪切力为2.443N/(m2.min),临界水流功率为0.369N/(m.s),临界单宽能耗为1.993J/(min.cm);对比分析知,土壤剥蚀率与水流功率相关系数最高。     

坡面径流侵蚀产沙动力机制比较研究

分别利用坡面径流剪切力、坡面径流能耗和坡面径流单位水流功率理论对坡面土壤侵蚀发生过程进行了研究。研究结果表明,坡面径流平均输沙率与坡面径流平均剪切力之间均存在明显的线性关系,试验的土壤抗蚀性参数为178 5g/(Pa·min),径流临界剪切力为0 54Pa。根据径流能耗理论的计算结果表明,径流单宽输沙率和单宽径流能耗之间具有如下的线性关系式:Dr=14 61(ΔE-0 37),表明试验的土壤可蚀性参数为14 61g/J,临界单宽径流能耗为0 37J/(min·cm)。根据径流功率理论的计算结果,坡面径流功率与径流平均输沙率之间存在比较明显的线性关系,随着径流功率的增加,坡面径流输沙量明显增加,二者的线性关系为:Y=8942 2x-68 676。总体来说,3种理论在土壤侵蚀研究中的应用各有优势,其中坡面径流能耗理论相对简便并且误差较小,更利于对坡面土壤侵蚀过程进行描述。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。     

聚丙烯酰胺（PAM）对黄土坡地降雨产流产沙过程的影响

从防治水土流失和提高降水资源利用率的角度出发，为使PAM能在黄土地区广泛使用，该文通过室内人工模拟降雨和冲刷试验，研究了黄土坡地土壤表层施加PAM对产流产沙过程的影响，分析了产流、径流累计量、泥沙累计量随时间的变化过程，建立了相应的相关关系。比较了不同PAM用量的作用效果及不同土壤对PAM施用效果的影响。试验结果表明，当坡度为15°，雨强1.2 mm/min，降雨历时为30 min时，每平方米土壤表层施加0.8 g PAM后的产流量减少16%，产沙量不到1 kg，减沙率达87.87%；连续冲刷试验结果表明PAM施放在(土娄)土上的效果远优于黄绵土。     

不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程

工程堆积体可在短时期内极大程度地改变原地貌地形、土壤和植被条件,使其在降雨径流作用下将发生严重土壤侵蚀,因此是生产建设项目区水土流失最为严重的地貌单元。该文采用土工试验方法及野外实地放水冲刷法研究不同物质来源和土石比的工程堆积体边坡物理性质、侵蚀动力及径流侵蚀过程。结果表明：1）2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土差异明显,其中黄沙壤工程堆积体以≤0.25mm颗粒为主,其颗粒变异系数为原土的1.2～2.0倍,稳定入渗率为原土1.70～4.07倍;而紫色土堆积体级配良好,颗粒变异系数是其原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02～11.59倍。2）各种工程堆积体边坡侵蚀动力学参数随放水流量变大而增加,黄沙壤工程堆积体边坡径流流速在0.155～0.318 m/s之间变化,径流剪切力变化在27.632～57.154 N/m2,土壤剥蚀率在0.337～77.071 g/(m2·s)之间;而紫色土工程堆积体边坡径流流速、剪切力和土壤剥蚀率分别在0.184～0.281 m/s,35.525～53.600 N/m2和1.445～61.910 g/(m2·s)。3）土石混合质边坡在产流9 min内存在不同程度突变或波动,在相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质>土石混合质,黄沙壤工程堆积体边坡累积产流量高于紫色土;而土石混合质边坡的产沙率呈连续性多峰多谷变化,边坡侵蚀沟壁土体崩塌脱落是造成产沙率波动的重要原因。该研究可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测和水土保持植物措施选择提供基本参数和技术支持。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力学过程

工程堆积体产生的新增水土流失严重威胁工程建设区及其附近区域的生态安全。该文采用野外放水冲刷试验的方法,对神木-府谷高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力过程进行了研究,结果表明,1）水流剪切力、水流功率及径流动能对薄层水流侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率、过水断面单位能量的影响不显著;2）水流剪切力、水流功率、过水断面单位能量对细沟侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率的影响可用幂函数方程描述,径流动能的影响可用对数线性方程描述;3）水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数,是坡面侵蚀的动力根源;4）发生细沟侵蚀的临界水流功率为3 N/(m·s),细沟可蚀性参数为8×10-3 s2/m2。该结果可为工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础,为生产建设项目区新增水土流失治理提供科学依据。     

饱和状态下黄绵土坡面细沟侵蚀可蚀性和临界剪切应力特征

土壤可蚀性参数和临界剪切应力是评价土壤易侵蚀程度和抗水流剪切变形能力的重要指标,目前在黄绵土坡面细沟侵蚀过程中,土壤饱和条件下可蚀性参数和临界剪切应力的变化尚不明确。该研究采用室内土槽模拟冲刷试验确定不同坡度（5°、10°、15°、20°）和流量（2、4、8 L/min）下饱和黄绵土坡面的最大细沟剥蚀率,基于数值法、修正数值法和解析法计算土壤可蚀性参数和临界剪切应力。结果表明,3种方法所得最大细沟剥蚀率均随坡度和流量增加而增大,其中修正数值法和解析法计算的最大细沟剥蚀率更接近。土壤可蚀性参数分别是0.485、0.283和0.268 s/m,土壤临界剪切应力分别为1.225、1.244和1.381 N/m2。修正数值法可提高数值法近似计算的精度,使近似计算结果更接近解析法计算获得的理论值。饱和较未饱和黄绵土的土壤可蚀性参数略有减小（16.83%）,而临界剪切应力减小了66.97%,表明土壤饱和对黄绵土土壤可蚀性参数影响很小,但大幅度削弱了土壤临界剪切应力,使得黄绵土坡面饱和后土壤侵蚀更为强烈。此外,饱和黄绵土边坡的临界剪切应力比饱和紫色土坡面大6.38%,而细沟可蚀性参数大2.35倍,表明土壤饱和对2种土壤临界剪切应力影响程度相似,但黄绵土较紫色土对土壤侵蚀的敏感性更高。研究结果可为饱和状态下不同土壤坡面细沟侵蚀模型参数的优化提供参考。     

Effect of Gypsum and Polyacrylamide Application on Erodibility of an Acid Kunigami Mahji Soil

Calcium carbonates and gypsum are often used to improve the chemical status of acid soils. This study discusses the effects of gypsum and polyacrylamide (PAM) application on infiltration and erodibility of a Japanese acid soil. Acid Kunigami mahji soil (sedimentary rock derived, Typic Hapludult) from Okinawa was packed into an acrylic plastic box, and simulated rainfall of 40 mm h⁻¹ was applied. Prior to the rainfall, 2.5 t ha⁻¹ of gypsum and/or 15 kg ha⁻¹ of non-ionic or anionic PAM were applied onto soil surface. During a rainfall, surface runoff was collected periodically, and sediment concentration, pH, and electric conductivity of the runoff were measured. Gypsum application enhanced surface runoff. During the rainfall, EC of the runoff was greater than the critical coagulation concentration of the clays of the mahji soil, however the soil became dispersive with gypsum application. PAM application could improve infiltration of gypsum amended mahji soil and reduce sediment loss.     

不同规格鱼鳞坑坡面侵蚀过程及特征研究

探究不同雨强下鱼鳞坑措施的坡面侵蚀规律及特征,对进一步明晰该措施的径流泥沙调控机制具有重要意义。该研究采用小区模拟降雨试验,研究3种雨强(40,70和100 mm/h)条件下2种规格鱼鳞坑坡面的蓄水保土效益及侵蚀过程,并探讨鱼鳞坑坡面水沙特征及其与细沟形态之间的关系。结果表明,鱼鳞坑的径流泥沙调控作用明显但也存在阈值,在措施被冲垮前,各处理减流效益和减沙效益分别为66.02%~82.20%和85.77%~91.91%;平均径流强度和输沙速率分别为平整坡面的18.87%~33.21%和10.04%~15.38%;当鱼鳞坑被冲垮后,坡面产流量和产沙量分别为平整坡面的1.00~1.22倍和1.39~3.53倍,其平均径流强度和输沙速率分别为鱼鳞坑冲垮前的4.60~7.46倍和13.70~16.75倍。鱼鳞坑坡面径流含沙率在措施冲垮前后的差异较大,水沙关系线性拟合的斜率在措施被冲垮前为0.020和0.035,而冲垮后斜率为0.205和0.231,同时坡面总产沙量和峰值产流产沙量与细沟形态显著相关。因此,鱼鳞坑措施对坡面产流产沙特征及形态的影响在其调控阈值前后有较大差异。研究可为鱼鳞坑坡面水土流失的研究可为区域水土保持措施配置及管理提供相应的依据。     

不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响

[目的]研究不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响,为认识红壤侵蚀过程和水土流失防治提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了不同降雨强度、不同坡度对华南红壤坡面降雨产流过程和侵蚀产沙过程的影响。[结果](1)相同坡度条件下,坡面径流量、侵蚀产沙量均随着雨强的增大而线性增大;相同雨强下,径流量随坡度的增加而减小,而产沙量随着坡度的变化比较复杂;(2)雨强和坡度共同影响着坡面产沙过程,当雨强小于等于180mm/h时,产沙量随坡度的增加而增大,在240mm/h出时呈现先增加后减小的趋势,在15°附近出现临界坡度。在降雨初期,径流率表现为波动增加过程,15min后趋于平稳,一直持续到降雨结束,其中雨强为240,180mm/h时波动较为剧烈,而产沙率呈现急剧而短暂的上升后迅速下降,在大雨强、陡斜坡条件下此现象尤为明显;(3)坡面径流平均流速与单宽流量、坡度比存在显著的幂函数关系,流速与径流量、侵蚀产沙量有着类似的变化规律。[结论]红壤侵蚀过程中雨强为主要影响因素,坡面流速可作为表征红壤坡面侵蚀特征的重要因子。     

红壤丘陵区坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响

坡长对坡耕地土壤侵蚀的影响随雨强的不同而变化,为解决南方红壤丘陵区坡耕地水土流失问题,该文采用野外人工模拟降雨的方法,研究了南方红壤丘陵区作物覆盖坡耕地上不同雨强下坡长对其土壤侵蚀的影响,并探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长,结果表明:产沙量随坡长延长整体呈增大趋势,但存在一定的波动,二者的关系可用幂函数(决定系数0.84)表示。坡长延长相同长度时,产沙量不呈比例增加,但每隔4 m产沙量增量有减少的趋势,且径流侵蚀产生的泥沙中主要为粒径0.002~0.02 mm的粉粒及粒径0.002 mm的黏粒,加剧了耕地土壤粗化,因此,可每隔4 m设置水土保持措施,有效减少坡耕地水土流失。坡面径流侵蚀产沙量随着雨强的增大而增加,坡长越长,产沙量随雨强增加速度越快,二者呈幂函数关系(决定系数0.76),60 mm/h是红壤丘陵区侵蚀增强的临界雨强;雨强、坡长与产沙量均呈正相关关系,且雨强对坡耕地产沙量的影响较坡长大。对不同雨强下坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响研究,可以为南方红壤丘陵区坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。     

坡耕地施加PAM对土壤抗冲抗蚀能力影响试验研究

提出了采用人工模拟降雨试验数据直接计算临界抗剪切应力的方法。该方法以水流动力学原理为基础,通过观测到的初始坡面侵蚀发生位置、雨强、土壤入渗率及测定坡面的平均流速来计算土壤的临界抗剪切应力。通过不同试验条件,分析了坡度、地表PAM处理对土壤临界抗剪切应力的影响。试验条件为:雨强100mm/h,3种坡度:10°、20°、25°(17.63%、36.4%、46.63%),4种PAM覆盖度:40%、60%、80%、裸地。结果表明,随着坡度的增加,临界抗剪切应力减小;随着PAM覆盖度的增加,临界抗剪切应力相应增加     

工程堆积体坡面侵蚀泥沙分选特性与运移机制研究

为揭示工程堆积体陡坡坡面在径流驱动下侵蚀泥沙颗粒分选特征及搬运机制,设计了3种上方来水流量(10,20,30 L/min)下的野外模拟径流冲刷试验,对杨凌弃土工程堆积体陡坡坡面(32°)侵蚀泥沙的颗粒分布特征进行分析。结果表明:侵蚀泥沙(分散前)中黏粒、细粉粒较原始土壤明显增加,易产生侵蚀;径流对团粒破碎作用影响侵蚀泥沙黏粒含量,当径流功率＜1.71 N/(m·s)时,黏粒含量与径流功率呈负相关,＞3.89 N/(m·s)时则呈正相关;侵蚀泥沙中细粉粒、粗粉粒主要以单粒的形式搬运,而黏粒以及砂粒多以团粒的形式搬运;侵蚀泥沙中黏粒表现为富集,砂粒表现为贫化;泥沙颗粒粒径决定其主要搬运形式,＜0.11 mm的泥沙颗粒以悬移/跃移搬运为主,＞0.11 mm的泥沙颗粒以滚动搬运为主;滚动搬运的贡献率随径流搬运能力的增强呈先增大后减小。研究结果将有助于揭示工程堆积体坡面水蚀过程机理,为提高工程堆积体陡坡坡面水蚀模型预测精度提供科学依据。     

模拟降雨下坡面微地形量化及其与产流产沙的关系

为揭示坡面微地形对土壤侵蚀过程的响应,该文通过人工模拟降雨试验,结合三维激光扫描仪技术,研究了不同雨强连续降雨条件下黄土坡面微地形变化特征及其与产流产沙的响应关系。结果表明所选取的5个常规地形因子(微坡度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄积量、地表粗糙度)对坡面侵蚀的响应表现出相似的趋势,即随着侵蚀的加剧,地形因子数值逐渐增大;场降雨后,地表粗糙度的增幅最小,分别是3%、8%、17%,对侵蚀的响应最弱,洼地蓄积量的增幅最大,分别增大11.82、18.86、83.33倍,对侵蚀的响应最强;同一雨强下随着连续降雨的进行,产流率稳定,1 mm/min雨强下输沙率基本稳定,1.5与2 mm/min下输沙率不断减小;2 mm/min雨强下输沙率和累积输沙量,远大于其他2个雨强处理;地形因子之间有很强的相关性,但能从不同侧面反映地形的信息,而且都与产流率和累积产沙量之间有较好的线性关系。研究可为进一步揭示黄土区坡面土壤侵蚀机理提供参考。