施加NPD对黄土坡面径流流速和侵蚀产沙的影响

天然聚合衍生物(NPD)是一种新型的高分子聚合物,是坡面土壤侵蚀化学调控措施所采用的一种新型材料,通过室内人工模拟降雨试验,以裸坡为对照,研究了不同NPD施加措施(撒施和喷施)及不同施加量(1.0,3.0,5.0g/m2)条件下径流流速特征以及对侵蚀产沙的影响。结果表明:(1)施加NPD的坡面径流流速随降雨历时的变化与裸坡一致,均呈先增大后逐渐趋于稳定的趋势,且流速随降雨历时的变化过程可用对数方程描述。撒施在1.0mm/min雨强下,延迟降雨初始产流时间8～19min,而喷施在3个雨强下,初始产流的时间整体上较裸坡提前1～2min;(2)与裸坡相比,施加NPD具有显著减小流速的效应,且雨强越大,减小流速的效应越差;施加不同剂量NPD减缓坡面径流流速的效益范围13.2%～54.3%。其中撒施3g/m2剂量和喷施5g/m2剂量对坡面径流流速的减小效应相对较好;(3)与裸坡相比,施加NPD具有显著的减沙效应,且减沙效应范围为30.6%～71.2%。无论是撒施还是喷施,整体表现为5g/m2计量的减沙效应最好。(4)裸土坡面的侵蚀模数对平均流速的响应关系与撒施和喷施NPD坡面的侵蚀模数对平均流速的响应关系皆可用对数方程表示,且撒施和喷施对流速的减小作用均大于减沙作用。     

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。     

贵州喀斯特地区降雨强度对土壤侵蚀特征的影响

降雨对坡面产流、侵蚀过程及养分流失有重要的影响,选取我国西南喀斯特地区作为研究区域,采用人工降雨方法,研究了不同降雨强度对贵州喀斯特地区(裸地和植被覆盖小区)与土壤侵蚀特征的影响。结果表明:(1)在不同降雨强度下,裸地和植被覆盖小区初始产流时间均随降雨强度的增大产流时间提前,并且裸地和植被覆盖小区初始产流时间在不同降雨强度下差异均显著(p0.05)。(2)裸地和植被覆盖小区径流速率在5~6min之后保持稳定,径流速率均随雨强的增大而增大;不同降雨强度下,径流速率均表现为裸地植被覆盖小区。(3)裸地和植被覆盖小区输沙率变化表现为快速增大、迅速减小、缓慢减小和趋于稳定4个阶段,不同降雨强度下,输沙率均表现为裸地植被覆盖小区。(4)裸地和植被覆盖小区总径流量和总侵蚀量随雨强的增大而增大,裸地坡面各降雨强度下坡面总径流量差异均显著(p0.05),25,50mm/h降雨强度下植被覆盖小区坡面总径流量差异不显著(p0.05),相同降雨强度时总径流量表现为裸地植被;25,50mm/h降雨强度下裸地和植被覆盖小区坡面总侵蚀量差异不显著(p0.05),相同降雨强度时总径流量和总侵蚀量均表现为裸地植被覆盖小区。(5)裸地坡面侵蚀养分中DP,K~+,SEP和SEK含量均高于植被覆盖小区,其中裸地坡面侵蚀养分DP,K~+和SEK含量均显著高于植被覆盖小区(p0.05),而SEP含量二者差异不显著(p0.05)。(6)相关性分析表明降雨强度为75,100mm/h时,裸地和植被覆盖小区侵烛泥沙养分含量与泥沙流失量间的相关性明显优于降雨强度为25,50mm/h时,相同降雨条件下裸地侵蚀量与养分含量的相关系数基本高于植被覆盖小区。以上研究结果表明植被覆盖具有减沙减流、减少土壤侵蚀及养分流失等作用。     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

北京山区河岸植被的水土保持效益

通过野外简易径流小区的放水冲刷试验,研究北京山区河岸带不同植被类型水土保持效果差异。试验设计4,6,8L/min 3种上方来水流量以及6种植被类型小区坡面,冲刷历时31min,试验过程收集径流泥沙样,分析不同径流小区的产流产沙特征。结果表明:(1)各植被类型小区平均总产流产沙量(43.29L/m~2,0.71kg/m~2)均显著小于裸坡下平均总产流产沙量(65.86L/m~2,3.21kg/m~2)(p0.05)。植被具有明显的减流减沙效益,且减沙效益(78.66%)大于减流效益(36.16%);(2)不同植被类型间减流减沙效果不同,随着放水流量的上升,坡面产流速率、产沙速率不断上升,其中以狗牙根小区平均产流速率(6.16L/min)、平均产沙速率(55.50g/min)最小,水土保持效益较好;(3)不同植被类型小区稳定入渗速率差异显著(p0.05),均大于裸坡条件下的稳定入渗速率(42mm/h),其中以狗牙根小区坡面的径流稳定入渗速率最大(129.0mm/h)。综上所述,植被具有明显的蓄水保土效益,且不同的植被类型间减流减沙效果差异显著。研究结果为北京山区河岸带进行生态环境安全建设以及生态修复提供了基础理论依据,并且为河岸边坡的植被修复物种选择提供了参考依据。     

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。     

坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性研究

针对降雨和床面大糙度共同作用下坡面降雨径流侵蚀不平衡输沙特性研究薄弱的问题,采用室内模拟降雨试验的方法,研究不同降雨强度和坡长条件下的坡面降雨径流侵蚀输沙特性。结果表明：（1）坡面为裸坡、坡度为10°条件下,径流含沙量随坡长的增加呈增大趋势,当坡长由1 m增加至8 m时,同一雨强下径流含沙量增大3.28~7.15倍;径流含沙量随雨强的增大而增加,当雨强由40 mm/h增大至120 mm/h时,同一坡长下径流含沙量增加1.41~2.97倍。（2）分析降雨径流侵蚀条件下,水动力学参数对坡面径流挟沙能力的影响发现,水流挟沙能力与流速的3次方成正比,与水力半径和沉速的乘积成反比,得到降雨条件下的水流挟沙能力计算公式。（3）研究坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性表明,雨强与恢复饱和系数之间呈幂函数关系,给出坡面不平衡输沙模型并进行验证,表明该模型可以较好地模拟坡面降雨径流侵蚀输沙沿程变化。研究结果可为预测坡面径流侵蚀输沙沿程变化及完善坡面径流侵蚀机理提供参考。     

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。     

草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响

径流含沙量的大小体现水沙关系的消长和演变，可以作为评价植被影响下径流和产沙的交互演变过程特征的重要指标。通过人工降雨试验，研究不同草被覆盖度变化在不同雨强和不同坡度条件下对黄土坡面径流含沙量的综合影响特征。结果表明：(1)草被盖度越大，坡面径流的初始产流时间越滞后。有草被覆盖坡面的径流含沙量随降雨历时变化为降雨前15 min有波动，但总体上呈降低趋势，之后达到稳定，且有草被覆盖坡面的径流含沙量显著低于裸地。(2)径流平均含沙量均随雨强和坡度的增大而增大，平均含沙量对雨强和坡度的响应均可用幂函数方程描述，R²分别为0.823～0.974和0.880～0.971。随着盖度的增加，平均含沙量降低，且雨强对平均含沙量的影响随盖度的增加而减弱。平均含沙量对盖度的响应可用线性方程描述，R²为0.732～0.979。(3)径流平均含沙量对盖度和雨强(R²=0.822,NE=0.921,p<0.01)及对盖度和坡度(R²=0.975,NE=0.697,p<0.01)的响应关系皆可用二元幂函数方程描述，径...     

坡地开垦的径流泥沙响应

Land use and land cover change is a key driver of environmental change. To investigate the runoff and erosion responses to frequent land use change on the steep lands in the Three Gorges area, China, a rainfall simulation experiment was conducted in plots randomly selected at a Sloping Land Conversion Program site with three soil surface conditions: existing vegetation cover, vegetation removal, and freshly hoed. Simulated rainfall was applied at intensities of 60 (low), 90 (medium), and 120 mm h 1 (high) in each plot. The results indicated that vegetation removal and hoeing significantly changed runoff generation. The proportion of subsurface runoff in the total runoff decreased from 30.3% to 6.2% after vegetation removal. In the hoed plots, the subsurface runoff comprised 29.1% of the total runoff under low-intensity rainfall simulation and the proportion rapidly decreased with increasing rainfall intensity. Vegetation removal and tillage also significantly increased soil erosion. The average soil erosion rates from the vegetation removal and hoed plots were 3.0 and 10.2 times larger than that in the existing vegetation cover plots, respectively. These identified that both the runoff generation mechanism and soil erosion changed as a consequence of altering land use on steep lands. Thus, conservation practices with maximum vegetation cover and minimum tillage should be used to reduce surface runoff and soil erosion on steep lands.     

百喜草覆盖和敷盖对中国南方红壤坡地径流和产沙的影响

Rainfall,runoff (surface runoff,interflow and groundwater runoff) and soil loss from 5 m × 15 m plots were recorded for 5 years (2001-2005) in an experiment with three treatments (cover,mulch and bare ground) on sloping red soil in southern China.Surface runoff and erosion from the Bahia grass (Paspalum notatum Flugge) cover plot (A) and mulch plot (B) during the 5 years were low,despite the occurrence of potentially erosive rains.In contrast,the bare plot (C) had both the highest surface runoff coefficient and the highest sediment yield.There were significant differences in interflow and surface runoff and no significant difference in groundwater runoff among plots.The runoff coefficients and duration of interflow and groundwater runoff were in the order plot B > plot A > plot C.Effects of Bahia grass cover were excellent,indicating that the use of Bahia grass cover can be a simple and feasible practice for soil and water conservation on sloping red soil in the region.     

解冻期覆沙黄土坡面能量参数与径流产沙关系

为探究春季解冻期覆沙黄土坡面能量参数动态响应时空演化过程,在相同放水流量(1 L/min)条件下,采用2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3 cm)进行室内模拟冷冻和放水冲刷试验,系统分析了径流流速(V)、径流功率(W)、单位径流功率(P)和径流动能(E)在不同土壤处理和不同覆沙厚度条件下的时空演化过程。结果表明:(1)不同处理下的径流流速随产流时间的延长总体呈下降趋势,随着距坡顶距离的增大总体呈增大趋势。未冻坡面和冻结坡面径流流速的均值在0.23~0.35,0.18~0.35 m/s变化。径流深的时空变化规律与径流流速相反,未冻坡面和冻结坡面的值分别在0.36~1.32,0.46~2.89 mm变化。(2)未冻坡面和冻结坡面径流功率的变化范围分别为0.22~0.82,0.29~1.13 N/(m·s)。不同处理下的单位径流功率随产流时间的延长总体呈下降趋势,未冻坡面和冻结坡面的单位径流功率的均值分别在0.047~0.072,0.037~0.072 m/s变化。未冻坡面的径流动能随着覆沙厚度的增加而增大,冻结坡面的径流动能随着时间的延长总体呈先增大后减小的趋势。在空间上,未冻坡面和冻结坡面的能量参数和距坡顶距离均可用线性函数表示(R^2>0.71)。(3)产流率与径流流速和能量参数之间呈显著的线性关系(p<0.01),径流流速和单位径流功率可以对未冻坡面和冻结坡面在不同覆沙厚度条件下的产流过程进行描述。研究结果可为建立解冻期的覆沙黄土坡面侵蚀模型提供参考。     

基于VFSMOD模型的黄土坡面生草带产流产沙动态模拟

利用微型径流小区和人工降雨试验,探讨运用VFSMOD模型评估和预测引入不同草种生草带后黄土坡面产流产沙动态特征的可行性。通过土壤物理性质参数和生草带生长状态参数的差异,模型还原了黄土坡面引入白三叶生草带与百脉根生草带后产流产沙特征的差异及其随生长时期的变化,模拟效果可靠,纳什系数:0.93(径流系数),0.98(修正后产沙量);归一化均方根误差:6.2%(径流系数),10.9%(修正后产沙量)。当生草带在降雨集中期(如本研究中百脉根草带9月上旬)不能保证较好的生长状态和地表覆盖时,其坡面产沙量急剧增大,且明显大于VFSMOD模型模拟值。在实际生草带设计时,应避免该情况发生。综上,VFSMOD模型适用于引入生草带后黄土坡面产流、产沙量的模拟和预测。     

紫色土区坡耕地玉米季地表径流及其氮素流失特征

研究川中丘陵紫色土区坡耕地玉米全生育期地表径流及其氮素流失特征,以期为坡耕地氮素流失预测和有效防控提供理论依据。采用人工模拟降雨与微小区(1 m×2 m)相结合的方法,降雨强度设置为1.0,1.5,2.0mm/min,分别在玉米苗期、拔节期、抽雄期和成熟期进行人工模拟降雨。结果表明:玉米全生育期地表径流量及其氮素流失量随降雨强度的增加而增加。不同降雨条件下,玉米全生育期地表径流总量表现为苗期显著高于其它生育期。玉米拔节期地表径流中氮素平均流失浓度高达16.36mg/L;地表径流中氮素平均流失量在玉米苗期最高,为10.24mg/m~2,而抽雄期仅为2.97mg/m~2。玉米苗期地表径流中铵态氮流失量最大,成熟期地表径流中硝态氮流失量最大,抽雄期硝态氮和铵态氮流失量均最小;玉米全生育期地表径流中硝态氮为氮素流失的主要形态,占总氮的77.98%~97.85%。玉米拔节期氮素流失浓度最高,而苗期为氮素输出负荷量最大,苗期和拔节期地表径流中氮素流失易造成地表水体富营养化,可通过控制基肥、追肥的施入量和增加地表覆盖度减少氮素流失。     

黄丘区野外坡面产流产沙过程对不同植被覆盖结构的响应

植被覆盖结构是影响坡面侵蚀过程的重要因素,通过在黄丘区罗玉沟流域开展自然植被覆盖坡面野外模拟降雨试验,分析了90 mm/h雨强条件下地下根系、地下根系+地表结皮层和地下根系+地表结皮层+植被冠层3种不同覆盖结构对坡面产流产沙过程影响。结果表明:植被根系层次对增强土壤入渗起主导作用,使土壤入渗量增加67%,稳定入渗率增加39.7%;3种植被覆盖结构中,地表结皮层对产流和产沙具有最好的调控作用,减流贡献率和减沙贡献率分别为43%和67%;根系小区和裸地小区累积产流量与累积产沙量之间呈幂函数关系,随着植被覆盖结构的叠加,累积产流量与累积产沙量之间呈线性函数的关系;多层次植被覆盖结构能够延长坡面侵蚀过程的发育期,缩短活跃期。研究结果对定量评价植被措施的减水减沙作用具有重要意义。     

基于SWAT模型的长江源土地利用/土地覆被情景变化对径流影响研究

土地利用/土地覆被变化对流域水资源循环过程及配置影响显著。为了研究土地利用/土地覆被情景变化对径流影响情况,以长江源流域为例,构建了适合该流域的分布式水文模型(SWAT),并模拟了不同土地利用/土地覆被情景下的流域年均径流量和径流深。模拟结果如下:当流域林地和草地面积增加到最大,径流量减少了16.7%,达到304.12m3/s,径流深减少14.02mm;当林地和草地面积减少,并逐步变为沙地、裸地,流域径流量增加16.1%,达到424.32m3/s,径流深也增加了13.49mm;当林地和草地面积减少到无植被覆盖,将使流域径流量增加28.4%,达到469.67m3/s,径流深增加23.88mm;在草地覆被最佳状况下,径流量有所增加,但增加幅度不大,只有5.6%,达到385.98m3/s,径流深增加4.72mm。综上所述,长江源流域林地和草地面积增加,导致径流减少,而沙地和裸地面积增加导致径流量增加。     

湘北红壤低山丘陵区典型水土流失治理模式径流泥沙效应

探明径流小区尺度下不同水土流失治理模式的径流泥沙效应,对于大尺度水土流失治理具有重要意义。通过野外标准径流小区自然降雨试验探究了湘北红壤低山丘陵地带3种典型水土流失治理模式(S1模式:坡改梯+经果林,S2模式:等高沟垄+农作物,S3模式:平整撂荒坡面+草本)径流泥沙效应。结果表明:3种治理模式在次降雨诱导下平均径流量为S3(1.84m~3)S1(1.03m~3)S2(0.78m~3),平均泥沙流失量为S3(1.191t/hm~2)S1(0.411t/hm~2)S2(0.311t/hm~2);3种治理模式在A、B、C雨型诱导下(K-均值聚类)累积径流量均为S3(33.19,15.25,14.13 m~3)S1(19.40,9.06,6.48 m~3)S2(16.60,5.89,4.15m~3),累积泥沙流失量也表现出了相同规律,即S3(14.474,10.863,15.153t/hm~2S1(7.521,2.695,3.766t/hm~2)S2(6.149,1.685,2.741t/hm~2);不同治理模式泥沙流失对径流响应特征均呈极显著正相关(P0.01,r0),相关系数(r)分别为0.853,0.920,0.677,其中,S1、S2和S3模式泥沙流失量与径流量线性回归斜率(k)分别为0.356,0.420,0.493,表明S3模式泥沙流失对径流的响应最明显,S2模式次之,S1模式泥沙流失对径流响应程度较小。因此,3种典型模式在控制水土流失方面具有明显不同的效果。     

金沙江干热河谷典型区段水土流失特征

以金沙江干热河谷典型区段不同处理坡面和林地、农地集水区为研究对象,采用坡面径流小区和集水区卡口站三角形薄壁堰实测法,在坡面径流小区和集水区土地利用现状调查基础上,通过降雨、径流及泥沙观测,分析金沙江干热河谷典型区段水土流失特征。结果表明:(1)不同处理坡面径流小区产流量、产沙量大小依次为坡耕地>自然坡面>水平阶整地>反坡台整地,表明反坡台和水平阶造林整地以及植被良好的自然坡面对地表径流的拦蓄和对泥沙的削减都起到较好效果;(2)大暴雨对集水区尺度产流产沙贡献值大,产流降雨量在4.8～27.6mm区间,农地集水区径流深小于林地集水区,大于27.6mm时,农地集水区径流深反超林地集水区,而产沙量不受降雨量影响,为林地集水区低于农地集水区;(3)径流小区尺度与集水区尺度雨季水土流失起止时间一致,集水区径流系数小于径流小区,集水区产沙量大于径流小区。