模拟径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程

基于可调控的放水冲刷试验,模拟风水复合侵蚀区典型覆沙黄土坡面,研究不同径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程。通过室内放水冲刷试验,采用3个放水流量(5,10,15L/min)和5个覆沙厚度(0,5,15,25,35mm)研究覆沙黄土坡面产流产沙过程。结果表明:覆沙坡面能够延长产流时间,且随覆沙厚度的增大而延长,不同放水流量条件下5,15,25,35 mm覆沙坡面的产流时间较黄土坡面分别延迟了1.29~1.46倍,1.66~2.5倍,2.32~3.76倍和3.64~4.72倍;覆沙坡面相对黄土坡面其产沙贡献率大于产流贡献率,在相同放水流量条件下,覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05~1.8倍,而产沙总量是黄土坡面的1.6~7.5倍;覆沙坡面在不同放水流量条件下,产流0~5min内,覆沙坡面产流率增长速率明显高于黄土坡面,而在后25min覆沙坡面与黄土坡面的产流率增长速率基本一致;在整个产流阶段,覆沙坡面的产流率波动程度显著高于黄土坡面。随着放水流量的增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加;但在同一放水流量前提下,随着覆沙厚度的增大初始产沙强度增强不显著。不同放水流量和不同覆沙厚度条件下坡面产沙强度总体上表现为先剧烈增大后降低然后逐步达到平稳状态,且覆沙坡面产沙强度的波动性明显活跃于黄土坡面。覆沙坡面能够破坏水流的稳定性,在一定程度上加剧了土壤侵蚀。     

覆沙坡面产流产沙过程试验研究

通过对覆沙坡面产流产沙过程进行研究,以期揭示风水蚀交错区风水复合侵蚀机制,采用3个雨强(1.0mm/min,1.5mm/min,2.0mm/min)和3个覆沙厚度(0.5cm,1.0cm,1.5cm)在室内进行模拟降雨试验,分析不同雨强(覆沙厚度)下坡面的产流产沙特征。结果表明:坡面覆沙后与裸坡相比使得坡面的初始产流时间有所延长,不同雨强下延长了4.0~11.0倍,不同覆沙厚度下延长了11.0~14.0倍,初始产流时间随着雨强的增大而缩短,随着覆沙厚度的增加为延长;与裸坡对比,不同雨强下侵蚀量增加了1.9~19.0倍,不同覆沙厚度下侵蚀量大小是1.5cm0.5cm1.0cm;总之,坡面覆沙使得初始产流时间延长且在一定程度上加剧了侵蚀的发生。     

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。     

沙层厚度和粒径组成对覆沙黄土坡面产流产沙的影响

片沙覆盖黄土区是水蚀风蚀交错带内土壤侵蚀最为强烈的区域,研究该区内土壤侵蚀特征可对水蚀风蚀交错带水土流失的预报及防治提供理论依据。采用室内模拟降雨,研究黄土坡面不同覆沙厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和沙层粒径组成(100%0.25 mm、75%0.25 mm+25%0.25mm、50%0.25 mm+50%0.25 mm、未处理原沙和100%0.25 mm)对坡面产流产沙的影响。结果表明,覆沙黄土坡面较黄土坡面的初始产流时间明显延长,产流速率和产流量减小,产沙速率和产沙量增大,降雨过程中产流产沙波动性增大,且这些变化随覆沙厚度增加而明显加强;沙层粒径组成在不同覆沙厚度下对坡面产流产沙的影响不同,2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期随粒径变粗产流产沙呈增大趋势,降雨后期无明显变化;5 cm覆沙厚度坡面随沙层粒径变粗产流速率呈增加趋势,降雨前期上覆粗粒径沙层坡面的侵蚀速率高于细粒径沙层坡面,降雨后期恰好相反;10 cm覆沙厚度的坡面产流产沙随沙层粒径组成变化不明显。典型覆沙黄土坡面的产流过程为雨水垂直入渗―沙土界面潜流―沙层边缘渗流―地表径流,产沙过程为沙层边缘渗流侵蚀―沙层坍塌重力侵蚀―地表径流输移,明显不同于无覆沙黄土坡面的超渗产流方式及溅蚀―片蚀―细沟侵蚀的侵蚀发展过程。     

模拟降雨条件下红壤坡面侵蚀产沙水动力学特征

[目的]对红壤坡面侵蚀过程中的产流、产沙以及坡面径流水动力学参数进行试验研究,为揭示红壤坡面侵蚀产沙机理提供科学依据。[方法]以我国南方侵蚀性红壤为研究对象,采用人工模拟降雨法,通过不同坡度(6°,10°和15°),不同雨强(120,180和240 mm/h)条件下的模拟试验分析红壤坡面产流产沙过程及径流水动力学特征。[结果]在坡度一致时,坡面累积径流量和累积产沙量均随雨强的增大而增大,径流率表现为初期的波动增长,随降雨进行逐渐达到稳定状态,且径流率随坡度增大而增大;坡面产沙过程受坡度和雨强的双重影响;侵蚀产沙率呈降雨初期急剧上升,随后迅速下降并趋于平稳的趋势。试验坡面的径流水动力学特征表明,阻力系数f与雷诺数R_e无明显的相关关系,但与弗洛德数F_r存在显著的指数关系。[结论]径流水动力学参数与侵蚀产沙量之间存在明显相关关系,相比较而言,径流雷诺数R_e与坡面侵蚀产沙量间的关系最密切。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

侵蚀泥沙颗粒大小的分布在一定程度上影响着侵蚀泥沙的搬运和沉积,了解侵蚀泥沙的分选作用将有助于解释泥沙的侵蚀和沉积过程。该文以覆沙坡面为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,选取坡度12°、雨强1.5 mm/min的黄土坡面上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙层进行试验。结果表明:坡面覆沙后,坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0~10 min内便被冲刷带走;侵蚀泥沙颗粒主要以粉粒为主;坡面覆沙后,在细沟间侵蚀阶段,径流优先搬运大于0.054 mm的颗粒,在细沟侵蚀阶段和细沟侵蚀及细沟间侵蚀的组合阶段,径流搬运的泥沙颗粒以小于0.054 mm的颗粒为主;同时,在产流前期(0~10 min)侵蚀泥沙颗粒主要以大于0.054 mm的颗粒为主;而在产流后期(10 min以后)侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。坡面覆沙后,黏粒以团聚体的形式存在,粉粒以单粒的形式存在,而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在。该文为进一步研究泥沙沉积后风蚀对水蚀的影响提供数据支撑。     

黔西高原地区降雨侵蚀力的简易算法

[目的]对黔西高原地区侵蚀性降雨特性进行分析并探索降雨侵蚀力的简易算法,为该区土壤侵蚀预报模型的建立提供理论依据。[方法]利用径流小区观测法,基于毕节小区2012—2014年53次降雨过程资料进行分析。[结果](1)降雨量(P)和最大60min降雨动能(E60)是影响坡面产流、产沙的两个主要因子。坡面产流、产沙与最大60min雨强(I_(60))显著相关;(2)坡面产流产沙与二元复合因子的相关系数显示,EI_(60),PI_(60)和I30I_(60)是影响坡面产流、产沙的3类主要降雨复合指标,EI30和EI_(60)与坡面产流产沙的相关系数间相差较小;(3)基于坡面产流、产沙与降雨单指标和降雨复合指标的相关关系,确定了简易算法的参数。[结论]基于可比性,以R=EI30作为参照值对3种简易算法的结果进行决定系数和偏差率比较后,得到研究区便捷、快速的降雨侵蚀力简易算法为:R=0.344(PI_(60))。     

小麦秸秆长度、覆盖量对坡面产流产沙的影响

为定量研究小麦秸秆覆盖对坡面产沙产流过程及减水减沙效益的影响,采用室内人工模拟降雨试验,研究在降雨强度为90 mm/h时,不同秸秆长度和秸秆覆盖量下的坡面产流产沙特征和产流产沙过程规律,结果表明:(1)在相同秸秆长度下,随秸秆覆盖量增加,产流量产沙量极显著减少(p0.01)。相同覆盖量水平下随秸秆长度增加,产流量显著增加(p0.05),在4.5 t/hm~2覆盖量下产沙量极显著增加(p0.01)。(2)秸秆覆盖坡面的初始产流时间较裸露坡面延迟6.23倍,产流量平均下降19.5%,产沙量下降31.6%。覆盖措施通过保护土壤的结构有效抑制了细沟侵蚀过程向切沟侵蚀发展。产流产沙过程受秸秆长度和覆盖量的交互作用影响,交互效应对产流过程的影响更突出。(3)随覆盖量增加,减水减沙效益极显著增加(p0.01);随长度增加,减水减沙效益分别减少为17.26%,27.97%。不同覆盖条件下的坡面产流量、产沙量和减水、减沙效益均与秸秆长度、秸秆覆盖量呈二元线性关系。(4)在当前试验条件下,当秸秆长度为3～5 cm,覆盖量为4.5 t/hm~2时达到最优减水减沙效益。     

坡面侵蚀垂直分布特征动态变化过程初步研究

采用稀土元素示踪法对坡面侵蚀垂直分布特征动态变化过程进行了初步研究。结果表明，坡面侵蚀垂直分布特征在次降雨过程呈动态变化趋势，尽管在产流过程中相对侵蚀量的变化趋势基本相似，但比值差异很大，这主要取决于坡面径流的强度。此外，次降雨侵蚀产沙的垂直分布特征与侵蚀过程中产沙的分布特征差异亦很大，建议应加强侵蚀产沙过程的研究。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

野外模拟降雨条件下矿区土质道路径流产沙及细沟发育研究

为研究矿区土质道路径流产沙及细沟形态发育特征,在野外调查的基础上,设计坡度(3°、6°、9°、12°)和雨强(0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min)2个处理,在野外建立不同坡度的道路小区,采用人工模拟降雨的方法,测定了不同处理道路径流产沙参数和细沟形态指标。结果表明:1)各坡度道路径流率为1.12~8.24 L/min,与雨强线性关系极显著,随坡度变化不显著;除0.5 mm/min雨强3°~9°坡及1.0 mm/min雨强3°坡道路径流流态为层流外,其余为紊流,雨强-坡度交互作用(I×S)对流态影响显著;阻力系数只与坡度相关。2)各坡度道路剥蚀率为0.92~324.46 g/(m2·s),与雨强、坡度和径流率呈极显著幂函数关系(R2=0.968,P0.01),道路土壤发生剥蚀的临界剪切力和临界径流功率分别为2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。3)3°道路以片状侵蚀为主,6°~12°道路细沟发育,细沟宽深比、复杂度、割裂度和细沟密度分别为1.80~3.75、1.07~1.55、0.20%~10.33%和0.067~2.01 m/m2,细沟发育程度是雨强和坡度交互作用(I×S)的结果。4)6°~12°道路细沟侵蚀量占总侵蚀量比例为18.0%~57.16%,总侵蚀量与细沟宽深比、细沟复杂度、细沟割裂度和细沟密度均呈显著的函数关系(R2=0.35~0.96,P≤0.01),割裂度是影响土质道路总侵蚀量的最佳细沟形态因子。结果可为矿区土质道路水土保持工程设计及生产安全提供参数支持。     

裸露砒砂岩区坡面侵蚀过程中地表粗糙度与水力侵蚀特征参数的关系

坡面地形起伏状况是影响土壤侵蚀状况的重要因素,深入了解地表粗糙度和产流产沙以及水动力参数之间的关系是研究坡面土壤侵蚀过程的基础.采用野外原位模拟冲刷试验,使用三维激光扫描仪结合ArcGIS提取地形因子参数,研究了裸露砒砂岩区坡面侵蚀过程中地表粗糙度与侵蚀特征参数的关系.结果表明:(1)冲刷强度的增大使得阻力特征参数逐渐...     

不同覆盖位置下草地坡面水流路径长度变化特征

为深入探索植被覆盖及其格局的减水减沙的水动力学过程及其机理,该研究利用室内放水冲刷试验,分析了不同植被盖度及其覆盖位置在不同冲刷流量下水流路径长度的变化,以及水流路径长度与植被覆盖度、水动力学参数和产流产沙量之间的关系,探讨坡面水流路径长度作为表征植被格局参数的可行性。结果表明:1)植被覆盖度可有效影响水动力参数的变化,并且随着植被覆盖度的增加,流速和单位水流功率呈线性减小趋势(P0.01);而糙率系数、阻力系数和径流剪切力则呈指数增加趋势(P0.01)。坡面水流受阻可能性增加,动能减弱,进而导致产流产沙量不断减少,并且冲刷流量越大,减小幅度越大。2)在不同冲刷流量下,水流路径长度与植被覆盖度、水动力参数和产流产沙量之间均存在显著的相关关系(P0.01)。同时随着水流路径长度的增加,一方面,流速和单位水流功率呈对数式上升,坡面水流动能增强;另一方面糙率系数、阻力系数和径流剪切力分别呈对数式和指数式减小,坡面阻滞能力下降,水流侵蚀力增强。最终导致坡面侵蚀状况发生变化,产流产沙量呈对数式增加。因此,水流路径长度可作为反映植被减水减沙的动力学过程和预测坡面产水产沙的参数之一。该研究为深化理解植被格局与水文连通性的作用关系,建立合适的植被格局表征和植被减蚀效应评价提供依据,以期增强地区生态环境的质量和稳定性,为现代化农业发展,特别是保障农业生产环境做出贡献。     

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。     

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。     

不同坡度下紫色土地表微地形变化及其对土壤侵蚀的影响

为了揭示川中丘陵区紫色土地表微地形变化对土壤侵蚀的影响,该文通过室内人工模拟降雨试验,从地表糙度角度出发,结合多重分形理论与方法,分析了不同坡度条件下紫色土地表微地形变化特征,探讨了地表微地形变化与土壤侵蚀间的关系。结果表明:1)雨强为1.5 mm/min,历时为40 min降雨条件下,10°、15°和20°坡面地表相对高程的变化量分别为-11.66、-3.52和-5.61 mm,仅20°坡面地表初始低洼部位被径流贯通形成细沟;各坡面地表糙度均有所减小,且表现为15°10°20°,其中10°和15°坡面不同坡位地表糙度均较雨前减小,20°坡面下坡地表糙度较雨前增大,不同坡度全坡面地表糙度均较雨前减小;2)地表微地形具有一定的多重分形特征,10°和15°坡面雨后多重分形参数广义分形维数跨度、奇异指数跨度和多重分形谱高差均较雨前增大,微地形空间分布差异增大,且地表变得圆润,20°坡面与之相反;3)随坡度增大,地表径流量呈先减小后增大的变化趋势,且地表糙度变幅越小的坡面,地表产流量越高,而侵蚀产沙量则随坡度的增大显著提高(P0.05)。研究成果为揭示水蚀过程中地表微地形变化的本质和作用机理提供了参考。