流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题，将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合，构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处，在降雨强度25 mm/h，降雨历时5 min条件下，系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738，0.749，流速误差为8.7%，比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内，同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

小流域土壤侵蚀动态过程模拟模型

建立流域土壤水蚀预报模型将为小流域综合治理、土地利用规划等宏观决策提供依据,为小流域水土保持效果有效评价提供参考。通过对小流域侵蚀动态过程的分析,在水流连续方程、动量守恒方程及泥沙质量守恒方程基础上,对坡面－沟道及各沟道间土壤侵蚀时空关系进行合理耦合,建立了流域系统土壤侵蚀动态模拟过程模型;采用有限元方法对土壤侵蚀模拟模型进行数值离散,建立了小流域系统数值离散模型;在确定流域时空离散方法基础上,采用VC++语言编制流域水蚀模拟程序;在室内人工模拟降雨条件下,对模型小流域50 mm/h降雨强度,5 min降雨历时情况下土壤侵蚀情况进行模拟,在得到流域内典型点处径流流量、径流含沙量及各沟道流速动态过程的同时,将流域内各沟道出口处模拟结果与测量结果比较,径流流量、径流含沙量、流速模拟精度均高于80%。研究结果表明小流域土壤侵蚀模拟模型的建立是可靠的,模型的数值离散方法及编制的计算程序是完全可行的。这一模型的建立将为小流域土壤侵蚀动态过程的模拟预报及实现由小流域向中大流域的侵蚀动态模拟预报提供一定的理论基础。     

径流流量及含沙量自动动态测量系统

利用γ射线在泥沙中的衰减规律和水位测量方法,设计了径流泥沙含量和径流流量全自动测量系统。该系统包括自动采样、自动测量、数据分析输出及查询、操作控制系统等4个子系统。实现了实时、快速、动态地测量坡面径流流量与泥沙含量以及测量数据自动存取和远距离传输。大量试验测试表明该系统测量历时短、数据传输快捷、测量结果准确。系统不仅适合于室内土壤侵蚀试验中泥沙含量与流量的测量,而且可用于野外坡面土壤侵蚀试验小区长期定点监测和其他各种试验研究     

流域系统径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应

尺度问题在地貌过程及水文模拟研究中具有重要意义,以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟小流域为例,基于毛沟-支沟-干沟尺度序列典型水文站的实测径流泥沙数据,分析流域系统基于事件的径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应。结果表明:1)基于侵蚀链毛沟-支沟-干沟不同空间尺度的平均输沙模数、平均含沙量、最大含沙量分别依次为3 912、3 285、3 522 t/km2,497、524、679 kg/m3,639、634、800 kg/m3,且在流域系统中均保持空间上的不变性;2)与单一力学指标相比,引入洪峰流量项的水流功率、单位面积径流能量及水流能量等复合能量指标能更好地描述侵蚀链不同尺度内及尺度间水沙关系;3)侵蚀链的输沙量主要取决于径流量,而洪峰流量能更好地解释侵蚀链内不同尺度径流输沙的差异,在侵蚀输沙的预测变量中引入表征径流变率的指标会提高中小型产沙事件泥沙预报的可靠性;单位洪峰流量(增加1 m3/s)引起的输沙增量是单位径流量(增加1 m3)增沙作用的875倍以上,欲消除侵蚀链内上下游径流输沙的空间尺度效应,则需将对应的洪峰流量比调控至5‰以下,或将对应的径流能量比调控至600以下;4)侵蚀链内上游含沙水流对下游的泥沙输移影响有限,随流域面积增大,含沙水流的空间尺度效应降低,输沙模数300 t/km2的大型侵蚀产沙事件尤为明显。分析结果突出了流域系统径流侵蚀的过程特性和洪水调控可能引起的巨大减沙潜力。因此,针对高含沙水流,侵蚀链内泥沙调控及其水土保持措施的效益评估和功能评价亦应基于过程。研究结果可为全面揭示径流调控系统的水土保持意义、推动水土保持措施效益的精细化评估提供理论依据和科学支撑。     

基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究

在土壤侵蚀和水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数，目前尚无广泛应用的径流流速测量仪，研究快速的径流流速测量具有重要意义。该文基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的径流流速的测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速。结果表明：测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，测量误差为4.5%；若以染料示踪法测量的流速作为标准值进行修正，修正后的测量误差为3.81%。     

坡面薄层水流优势流速研究

降雨形成的径流是产生坡面土壤侵蚀的主要动力来源,径流流速是土壤侵蚀模型的重要参数之一.为研究电解质示踪法测量坡面水流流速过程中电解质优势流速和水流流速的关系,本研究利用实验水槽,在坡度4°、8 °、12°,流量12、24、48 L/min条件下,于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.Sm处放置探针测量电解质传递过程,计算不同工况下各测量断面的电解质优势流速.结果表明:流量对电解质优势流速的影响大于坡度对其影响,电解质优势流速随距离增加而增大,采用指数函数拟合计算得到的电解质优势流速随距离的变化过程,得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速,其范围在0.241 ～0.568 m/s之间.随坡度和流量的增大,水流优势流速均增大.流量对水流优势流速增长的影响大于坡度对其的影响.不同坡度和流量条件下,水流优势流速与平均流速基本一致,二者的比值为1.007,水流优势流速与最大流速的比值为0.774,平均流速与最大流速的比值为0.776,符合坡面薄层水流的流态.结果可为研究坡面薄层水流动力过程提供新的计算方法和参考数据.     

三峡库区等高植物篱的控蚀效益及其机制

 水土流失是影响长江中上游地区社会、经济持续发展的关键限制因素。等高植物篱农作措施具有很好的控制土壤侵蚀功效,但还缺乏较为系统的定量研究。根据1993年在三峡库区典型流域建设的5个植物篱小区,对径流、土壤侵蚀的多年连续观测数据分析,结果表明:4种试验植物篱均有很好的水土保持效果,从植物篱栽植的第4年起,水土效益呈现出较为稳定的态势。同对照相比,植物篱小区土壤侵蚀量下降18·4%～70·0%,径流下降幅度为17·2%～70·8%。马桑、黄荆较香根草、新银合欢有着更为突出的控制侵蚀效果,但不同植物篱之间水土保持效益的差异没有达到统计显著水平。植物篱小区内,局部的径流流速变化是导致侵蚀产沙变化的根本原因,即在植物篱条带的上坡位置,径流流速下降,而在条带的下坡位置,径流流速增加。经过流速的一减一增,使得在小区出口的径流流速及径流量同对照小区相当的情况下,条带上坡位置由于流速下降,径流携沙能力下降,而导致泥沙侵蚀本身的减少和已经侵蚀泥沙的淤积,并最终使侵蚀量大幅下降。     

一种用于裸露休闲小区上的径流收集器和流水槽

<正> 本文介绍了一种在宽2.5m的小区底部收集径流和测定流量的装置。这种装置可以防止侵蚀土壤在小区内沉积。 一、引言 在一些侵蚀小区的底部收集径流时,要求水流能在进入集流桶前先汇集起来。澳大利亚新南威尔士土壤保持局通常采用的装置,当水流沿着渠道向下流动而集中时,该渠道的宽度随着距小区底部距离的变近而缩窄。虽然世界上许多地方都采用这种技术,但由于水流汇集会造成水流流速减小,使泥沙在设备中沉积,从而导致按照集流方法设计的测流装置内水流的水力特性发生变化。要使水流中的土壤物质不沉积,水流流速就不能减小。如果流速减小后,还要使泥沙不沉积,就必须使水流能产生充分的紊乱。本文介绍了这一原理在设计中的应用。 本文所述的集流系统,是用于收集设在澳大利亚A.C.T,CSIRO的Ginninderra实验站裸露休闲地土壤流失小区径流的。在此处进行的侵蚀实验的全部细节,也可在其它地方得到。小区宽约2.6m,长约41m,每毫米径流深产生1OOL水。在过     

坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响,该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验,研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律,包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制,其二者之间呈现幂函数关系;地表状况与流量大小直接影响着坡面流态,对于裸地与鱼鳞坑坡面,流量较小时属于层流与缓流,在流量达到3.0 m3/h时,属于过渡流、紊流和急流;而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流;并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成,其大小主要受地表状况影响;阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之,坡面采取径流调控措施后,其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地,径流流速明显降低,水流流态明显平缓,水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。     

LTW-1型径流泥沙含量与流量动态测量系统研究

简要地阐述了泥沙含量与流量动态测量系统的基本测量原理及其基本组成,包括了4个子系统:自动采样系统,自动测量系统,数据分析、输出及查询系统和操作控制系统。通过大量试验测试,结果表明该测量系统不仅能够达到一定的测量精度,而且还能够实时、在线、动态地测量室内或野外径流泥沙含量与流量,并实现数据便捷地传输、存取等功能。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

径流泥沙实时自动监测仪的研制

针对径流泥沙过程监测仪缺乏和监测误差大的状况,研制了一种具有野外复杂条件下普遍适用的径流泥沙高精度实时自动监测仪,并建立了数据/站点管理云平台。该仪器从径流泥沙过程中提取驱动仪器运转的物理量并将其转换为测控信号,实现径流泥沙过程的实时自动监测;通过对仪器总体结构及各功能部件的优化设计,消减泥沙粘附和沉积,提高监测精度。通过标准泥沙样品验证了该仪器的适用性,结果表明该仪器监测的含沙量相对误差均值为3.67%,决定系数为0.997。土槽试验获取了径流过程中变幅较宽的径流量和含沙量的动态过程曲线。可见,该仪器不仅可以准确地监测径流泥沙过程,而且创新了水土流失监测技术和方法,推动了水土流失监测的自动化和信息化。     

两种工程堆积体边坡模拟径流侵蚀对比研究

基于对重庆市城镇建设中工程堆积体野外调查结果,选择广泛存在的紫色土和黄沙壤工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷试验,对比分析了不同土石比及坡度的工程堆积体边坡径流侵蚀过程。结果表明:(1)工程堆积体土壤入渗率随冲刷过程呈先快速减小、后逐渐稳定的变化趋势,且波动幅度大小随冲刷流量的不同出现差异,下垫面稳定入渗率均在0.4~1.7 mm min~(-1)之间。(2)不同下垫面堆积体产流率随冲刷时间均呈先增加后稳定的谷峰交织变化趋势且随放水流量增大而显著增强;在相同放水流量时,黄沙壤堆积体平均产流率最大可为紫色土堆积体的1.89倍。(3)不同下垫面堆积体径流含沙量随冲刷时间呈先增加后稳定的波动趋势;径流含沙量在不同流量条件下介于0.21~1278.49 g L~(-1);冲刷过程中坡面面蚀向沟蚀的转化对径流含沙量有显著影响,最大可增加13.73倍;堆积体坡面侵蚀过程存在突变期、活跃期和稳定期3个阶段,细沟发生的偶然性和随机性对产沙量波动贡献率最大。(4)工程堆积体在不同放水流量条件下侵蚀泥沙颗粒粒径分布差异性明显,紫色土堆积体最大侵蚀泥沙颗粒均大于黄沙壤堆积体。研究结果可为重庆市城镇建设工程堆积体新增水土流失量预测和植被生态恢复提供重要科学依据。     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响研究

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量（10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1）对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子（Br-）迁移过程进行了研究。结果表明：不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。     

径流小区产流过程量水堰自动测量系统

坡面径流小区是水土保持和相关领域研究的重要手段,流量观测是径流小区观测的主要内容.该研究设计开发了一种适用于径流小区流量过程的自动观测系统,该系统集成了量水堰、水位计和泥沙传感器,并配套了数据自动采集、存储和传输设备.通过水槽试验,标定了量水堰流量系数,建立了针对量水堰结构设计的近似流量模型并获取了模犁参数;模型验证和参数标定试验的结果表明:三角堰的水位与流量之间有着非常好的相关性,简化流量模型可以用于计算流量,简化模型回归分析的决定系数为0.98.此外,该文分析讨论了泥沙含量对流量观测的影响,提出了净产水(扣除泥沙体积的产水量)的概念和估计方法.该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度,在水土保持监测方面具有广阔的应用前景.     

黄丘区小流域暴雨径流动力特征对淤地坝配置的响应

为定量揭示淤地坝措施配置对黄丘区小流域暴雨径流形成及演进过程的影响,采用室内小流域人工模拟降雨试验,对不同淤地坝措施布设情景下（无坝、单坝、双坝）小流域不同断面径流的水动力、侵蚀动力特征进行研究。结果表明：径流量与含沙量整体均随时间推移而增大,无淤地坝布设情景下径流量增幅为114.60 cm3/s,双坝情景的径流量增幅仅有70.11 cm3/s;淤地坝对小流域暴雨径流演进过程的影响显著,淤地坝布设后径流流态由主要的紊流-缓流变为以层流-缓流为主,雷诺数Re减小幅度达到12.04%～85.85%;动力参数中径流功率ω和雷诺数Re可以被认为是能够较好描述不同淤地坝布设下侵蚀产沙的动力因子。研究结果对于揭示流域暴雨径流过程及成灾机理具有重要现实意义,可为科学评价水土保持措施调控径流过程的效应提供理论依据。     

不同土壤管理措施下基于水蚀过程的含沙量变异及其驱动

In order to prevent soil erosion in southern China, a study was performed to determine the drivers of sediment concentration variation using simulated rainfall and four soil management systems under field condition. Four soil management systems, i. e., forest and grass coverage (FG), forest coverage with disturbed soil surface (FD), contour tillage (CT) and downslope tillage (DT), were exposed to two rainfall intensities (40 and 54 mm h^-1) using a portable rainfall simulator. The drivers of sediment concentration variation were determined by the variations of runoff rate and sediment concentration as well as their relationships. The effects of the four soil management systems in preventing water and soil losses were compared using runoff rates and sediment concentrations at steady state. At runoff initial stage, sediment concentration variation was mainly driven by rainfall and management. The degree of sediment concentration variation driven by flow varied with different soil management systems. Three best relationships between runoff rate and sediment concentration were identified, i. e., reciprocal (CT), quadratic (FG and FD) and exponential (DT). At steady state, runoff rates of the four soil management systems varied slightly, whereas their sediment concentrations varied greatly. FG and CT were recommended as the best soil management systems for preventing water and soil losses.