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。     

坡面侵蚀动力学及其相关参数的探讨

 从分析坡面水流形态动力学特性着手,对比土壤侵蚀临界坡度的研究;概述土壤侵蚀的机制,以及坡面水流中水流速度、泥沙含量和下垫面三者相互作用的关系。发现及时、准确和动态地测量水流速度和泥沙含量,是分析这些复杂关系的关键,它使定量研究坡面土壤侵蚀的机理成为可能。     

坡度对坡面细沟侵蚀的影响——基于三维激光扫描技术

采用室内人工模拟降雨试验,降雨用水为纯净水,试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为1.5和2.0 mm/min,试验土槽分别为5和10 m,同时采用三维激光扫描仪对降雨前后坡面进行监测,分析不同坡度对细沟侵蚀的影响。结果表明:1)坡度对坡面产沙量影响显著,二者的关系可以采用二次项式拟合,坡面产沙量随着坡度的变陡先增加后减少;2)三维激光扫描技术能够准确地计算坡面细沟发育形态数据和细沟侵蚀量,不同坡度条件下细沟发育不同,细沟宽深比随着坡度的变陡而逐渐变小;3)细沟密度、细沟侵蚀量与坡度呈正相关关系,细沟发育程度随坡度的变陡而加剧。     

川中紫色丘陵坡耕地细沟发生临界坡长及其控制探讨

细沟侵蚀是坡面土壤侵蚀的主要形式之一,是介于片状侵蚀与沟道侵蚀之间的一种侵蚀类型,细沟一旦发生,坡面侵蚀量将成倍增加.由于细沟侵蚀的发生需要一定的坡长来汇集径流,对于某一坡度的地块,一次暴雨中细沟总是表现在一定的坡长处发生,这一坡长称为细沟发生的临界坡长.在细沟发生的临界坡长处采取措施控制细沟的发生将大大降低坡耕地水土流失量.通过人工降雨试验发现:细沟发生过程分为片蚀为主阶段、跌坎发育阶段、细沟侵蚀为主阶段和雨后径流侵蚀阶段,紫色土坡耕地细沟的发生以坡面跌坎的贯穿为标志;10°、15°、20°、25°坡耕地细沟发生的平均临界坡长分别为6.25,4.19,2.77,1.60 m;细沟发生临界坡长与坡度呈二次抛物线关系.在人工降雨试验基础上,总结了以控制细沟发生为核心的"大横坡+小顺坡"耕作模式,通过构建横坡截流沟分割地块,实施有效的拦截径流,减少坡面侵蚀泥沙.     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

黄土沟道重力侵蚀地貌因素分析

地貌是黄土沟道中重力侵蚀发生的重要条件。基于对黄土沟壑区桥沟小流域的实地观测和DEM数据,从沟道侵蚀的垂直分带性、沟道地貌发育的阶段性、坡面坡度分布等方面分析了流域地貌因素对重力侵蚀的影响。研究表明,桥沟流域存在<20°、20°～32°、32°～42°、>42°四个类型的坡面,其中30°左右是梁峁坡的临界坡面,40°左右是坡积物堆积坡的临界坡面,42°以上可以作为沟坡的判定界限。对不同坡度坡面水流输沙能力进行对比,可以估算出桥沟流域典型坡面重力侵蚀产沙量占总产沙量的42%左右。     

人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程

为了研究人工红壤坡面对超大雨强降雨的响应过程,利用人工模拟降雨系统和变坡土槽,分别采用140,160,190mm/h的雨强和10°,15°,20°,25°的坡度,对经过简单人工处理的红壤坡面在超大雨强降雨条件下的产流产沙响应过程进行了试验。结果表明:经过简单人工处理的红壤坡面在140~190mm/h超大雨强下的土壤侵蚀模数明显低于50~120mm/h雨强下未进行相应处理的坡面,细沟发育较为缓慢,对坡面土壤的处理方式能够有效提高坡面的抗侵蚀能力。在同雨强下,随着坡度的增加,产流时间先延长后缩短,在20°~25°存在产流的临界坡度。侵蚀模数在同雨强下随着坡度的增大呈先增大后减小的趋势,且不同雨强的临界坡度不一致,雨强为140mm/h时侵蚀临界坡度为15°~20°,雨强为160mm/h和190mm/h时侵蚀临界坡度为20°~25°。总体来看,侵蚀过程受雨强的影响大于坡度的影响,雨强为140mm/h时,不同坡度的侵蚀过程均较为平稳,细沟发育微弱;雨强为160mm/h时,侵蚀有所加强,但侵蚀过程无明显规律;雨强为190mm/h时,侵蚀主要发生在降雨的前30min,且细沟发育相对较为剧烈,30min之后趋于稳定。     

坡面细沟侵蚀过程中的水动力特性变化

为定量揭示坡面细沟水流侵蚀过程中的水动力特征,开展不同流量(2 L/min,4 L/min,8 L/min)、不同坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的放水冲刷试验,对坡面细沟发育过程中的水动力学参数变化规律进行了研究。结果表明:在试验的流量和坡度范围内,平均流速随冲刷历时的延长和细沟形态的发展呈迅速递减—略有起伏—缓慢减小并最终趋于稳定的变化趋势,径流深随冲刷历时的增大而增大; 坡面细沟水流的雷诺数变化范围为237～1 090,在小流量时,雷诺数随冲刷历时增大而略有增大,在大流量时,雷诺数随冲刷历时增大而减小; 在整个冲刷过程中,弗劳德数始终大于1,表明该试验条件下的坡面流属于急流范畴; 坡面细沟水流的阻力系数随冲刷持续而增大; 弗劳德数随阻力系数的增大而减小,且具有良好的负向幂函数关系。该研究结果初步表明了土坡面的细沟侵蚀特征和水动力学特性,为土侵蚀动力学机制的进一步研究提供理论基础。     

地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响研究

通过室内模拟降雨试验,研究了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:坡面总径流量随坡度的增大呈减小趋势,其中25°坡面比5°坡面的径流量减小22.3%;随坡度的增加,坡面产流达到稳定的历时减少.径流含沙量和坡面侵蚀产沙量随坡度的变化在5°～20°呈增大趋势,而当坡度由20°增加到25°时,径流含沙量和侵蚀产沙量随坡度的增加呈减少的趋势,即在红壤坡面,坡度对侵蚀产沙量影响存在着临界坡度,其值变化于20°～25°之间.     

红壤缓坡水流动力学特性及其对侵蚀影响的试验研究

水动力学特性对阐明红壤坡面侵蚀过程和产沙机理有重要意义。采用动床模拟径流冲刷方法,研究不同坡度(5°、8°、10°、12°)和不同放水流量(5、7.5、10 L/min)下,第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀规律和水动力学特性。结果表明:1)放水冲刷初期坡面流为短时间薄层水流,随后发育为细沟流。薄层水流流态大部分处于"过渡流-缓流区",细沟流大部分处于"过渡流-急流区"。薄层水流单宽流量、水深、流速、雷诺数以及弗劳德数均小于细沟流,而曼宁糙率和达西-韦斯巴赫阻力系数则为薄层水流大于细沟流。2)曼宁糙率和达西-韦斯巴赫阻力系数均与弗劳德数呈幂函数关系(R~2分别为0.49和0.53),过渡流达西-韦斯巴赫阻力系数与雷诺数呈现显著幂函数关系(R~2为0.29)。3)从水动力学角度解析了红壤缓坡面水蚀过程——水力坡度和雷诺数2种因子共同组成的复合水动力参数可作为表征坡面侵蚀产沙的特征参数,建立了薄层水流和细沟流条件下基于水力坡度与雷诺数乘积的土壤侵蚀速率指数函数方程(R~2分别为0.94和0.52)。研究初步表明红壤缓坡的侵蚀规律和水动力学特性,为进一步研究该区域坡面侵蚀动力学机制奠定一定基础。     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。     

土壤侵蚀物理模型中紫色土细沟侵蚀参数研究

以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟土槽,研究不同流量、坡度和沟长情况下,紫色土细沟侵蚀特征,并量化了细沟侵蚀参数。结果表明:细沟侵蚀受水流水力特征、土壤性质和坡面影响,随着水流含沙量的增大,细沟侵蚀速率呈现减小趋势;流量越大,坡度越陡,细沟水流的剥蚀率越大,造成细沟侵蚀速率也越大。在5L/min的小流量下,细沟侵蚀速率受剥蚀率限制与含沙量没有出现线性关系,15,25L/min流量下,细沟侵蚀速率与含沙量呈线性相关。侵蚀速率在细沟开始处最大,随沟长的增大,水流能量消耗于挟带泥沙而迅速减小,相关性分析得到侵蚀速率与沟长呈指数递减,相关系数R2变化于0.45~0.98之间。通过回归分析得到试验条件下,紫色土细沟土壤可蚀性均值为0.005 3s/m,临界剪切力均值为2.92Pa。研究结果对于坡面土壤侵蚀物理模型的建立和推广应用提供数据支撑,为紫色土坡面侵蚀研究提供借鉴。     

黄土高原水蚀风蚀交错区风沙土细沟分离能力探究

细沟侵蚀产沙是黄土高原水蚀风蚀交错区坡面侵蚀产沙的主要来源,明确该区细沟侵蚀过程特征及其影响因素,对有效防控入黄泥沙和维护流域安全具有重要的科学意义和实践价值。选取水蚀风蚀交错区下垫面典型风沙土为研究对象,通过不同流量(3,5,7,9,11 L/min)、不同坡度(9°,12°,15°,18°,21°)组合下的室内水槽冲刷试验定量揭示风沙土细沟分离过程对坡度、流量以及流速的响应关系,并建立分离能力方程。结果表明:(1)分离能力对坡度和流量的响应均呈线性正相关关系,且相关性极显著。流量对风沙土分离能力的影响大于坡度。除了受到坡度、流量的影响,分离能力还受到坡度和流量叠合作用的影响,这3种因子对分离能力影响由强到弱依次为流量、坡度和流量的叠合作用、坡度,且分离能力与这3种因子的关系可用线性正相关关系表示。(2)流速可作为反映坡度和流量之间叠合作用的关键因子。细沟分离能力对流速的响应呈显著线性正相关关系,试验条件下,临界流速为0.607 m/s。(3)坡度与流量组合下,坡度、流量与坡度和流量叠合作用组合下,单个流速因子下以及坡度、流量与流速因子组合下的4个分离能力方程均能较好地预测和模拟风沙土的分离能力,其中考虑坡度、流量以及坡度和流量叠合作用的方程拟合效果最佳。该研究结果可为完善水蚀风蚀交错区细沟水蚀过程模型提供一定的理论基础。     

Tracing sediment dynamics and sources in eroding rills with rare earth elements

Eroding rills evolve morphologically in time and space. Most current studies on rill erosion use spatially averaged soil erosion data, providing little information on soil erosion dynamics. A method is proposed to use rare earth elements (REEs) to trace sediment distribution in eroding rills. Laboratory flume simulation experiments were conducted at three flow rates (2, 4 and 8 litres minute^?1) and five slope gradients (5, 10, 15, 20 and 25°) with three replicates of each treatment. The rills, of 8 m length, were subdivided into 10 equal segments of 0.8 m length and 0.1 m width, with a different REE applied to each segment. We derived computational formulae for estimating the distribution of eroded amounts along the rills. The actual erosion distribution along rills was then estimated with the data from the experiments. The precision of the REEs for tracing rill erosion was analysed. The results showed that sediment concentration increased with rill length, but the increased rate (the slope of the curve) flattened gradually. Sediment yields increased with slope gradients and flow rates, but the slope gradients had a greater effect on sediment concentration than flow rates, and greater flow rates caused more rill erosion and soil loss under the same slope gradient. The results also demonstrated the feasibility of using REEs to trace the dynamic processes of rill erosion.     

坡面细沟发育特征及其对流速分布的影响

利用模拟降雨试验,采用2个雨强（1.5 mm min^-1,2.0 mm min^-1）,4个坡度（10?,15?,20?,25?）,对杨凌塿土细沟发育的特征及其坡面流速分布规律进行了研究。结果表明,坡度增加会造成细沟溯源侵蚀及下切侵蚀的加剧,但随着坡度的增加,总侵蚀量的增幅趋于平缓,暗示可能存在坡面侵蚀量由强转弱的临界坡度。坡度与各侵蚀指标间均表现出极显著的相关性,说明坡度是影响细沟发育的主要因素,细沟侵蚀量与总侵蚀量也表现为极显著的相关性,相关系数高达0.97,说明坡面侵蚀加剧主要由细沟侵蚀引起。坡面流速、细沟间及细沟流速与距坡顶距离有较好的正相关关系,雨强增加会加剧这种趋势的波动性,同时坡度对坡面、细沟间及细沟流速的影响不大,且各流速间也没有明显的大小关系,这与一般认为的细沟流速高于细沟间流速的观点不同,这也是今后试验过程中需要进一步验证的部分。     

黄土坡面细沟形态变化及其与流速之间的关系

研究细沟的形态变化特征是认识细沟侵蚀的重要基础,细沟发育过程中细沟形态变化与水流动力学特性之间存在相互影响和相互作用的关系,研究细沟发育过程中细沟形态与水动力学之间的关系,有利于更好地了解细沟侵蚀过程和侵蚀机理。该研究通过室内人工模拟降雨试验,对黄土坡面细沟发育过程中的细沟形态变化及其与流速的关系进行了研究。结果表明:坡面侵蚀过程呈明显的阶段性,坡面细沟形态变化过程与坡面径流含沙量的变化情况基本一致;坡面跌坎发生的临界流速为0.19~0.21 m/s,当坡面径流流速大于这个临界值的时候,坡面会出现跌坎;细沟发育初期,细沟间的距离一定程度上影响细沟的分布,最早出现的细沟之间不会再出现新的跌坎,这一间距范围在12.5~17.5 cm之间;细沟侵蚀过程主要以下切侵蚀和溯源侵蚀为主,沟壁坍塌的侵蚀作用相对较小;细沟流速随时间的变化大致呈先增后减的趋势,细沟流速随细沟宽度的增加而显著减小,这一趋势在4 m坡段尤为明显,二者之间存在显著负相关关系(r=-0.348,P=0.04)。受试验条件所限没有研究细沟深度和流速等其他水动力学参数,以后需要不断改进试验方法来准确测量流速、水深等指标,进一步研究细沟发育过程。     

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。     

饱和与非饱和黄绵土细沟径流水动力学特征及侵蚀阻力对比

近地表水文状况显著影响坡面土壤侵蚀过程。土壤饱和状态作为一种特殊的近地表水文状况,其细沟侵蚀特征较之非饱和状态存在明显的差异。以黄绵土为研究对象,采用限定性细沟模拟冲刷,对比研究了饱和与非饱和状态下黄绵土的水动力特征和侵蚀阻力。结果表明:饱和黄绵土径流流速与坡度、流量之间符合良好的幂函数关系,坡度对流速的影响更甚;饱和黄绵土径流流速约为非饱和黄绵土的1.17倍,其坡面摩擦阻力仅为非饱和黄绵土的70.3%;同种工况下,非饱和黄绵土的径流含沙量和细沟径流动能明显偏低,随着径流动能增大,2种土的径流含沙量均呈现对数型增长,径流含沙量峰值稳定在400,280kg/m~3内;饱和与非饱和黄绵土的细沟可蚀性参数分别为0.088,0.057kg/(m~2·s),相应的土壤临界剪切力分别为0.773,1.561Pa,表明饱和黄绵土更易剥蚀、流失。     

黄绵土细沟水流输沙能力对地表冲刷流量的响应

为明确黄绵土在径流冲刷下的细沟侵蚀特征和产流产沙规律,通过细沟模拟,设计3个流量(2,4,8 L/min)和4个坡度(5°,10°,15°,20°),在变坡土槽中进行室内冲刷试验,实测不同坡度和流量下黄绵土在坡面细沟发育过程中产生的最大径流含沙量,并得到其相应的输沙能力(A)。结果表明,当坡度一定时,输沙能力随流量增大呈线性增大,且坡度越大增幅越明显;当流量较小时,输沙能力随坡度增加而缓慢增加,当流量达到8 L/min时,输沙能力随坡度增加的幅度更为明显,但坡度上升到15°以后几乎不再变化,说明流量对输沙能力的影响更为显著。含沙量(c)随沟长(x)的变化规律符合数学模型c=A(1-e-Bx),控制所有流量坡度组合在不同沟长(1,2 m)条件下进行冲刷试验,将冲刷测量得到的径流含沙量与各组合下的输沙能力(A)代入关系式,利用待定系数法计算出不同试验条件下含沙量随沟长变化的衰减系数(B)。研究结果可为黄绵土水土保持研究与实践提供理论基础与科学依据。