自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征

[目的] 研究自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征,为区域土壤侵蚀机制研究提供理论参考。[方法] 选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,采用野外径流小区原位监测与三维激光扫描技术结合的方法,分析砒砂岩坡区13次降雨过程中坡面细沟数量、形态以及几何特征的动态变化特征,揭示细沟微形态变化过程对坡面产流产沙的影响机制。[结果] 观测期研究区总降雨量为267.40 mm,总降雨历时为5 893 min,总径流量为294.05 L,总泥沙量为111.34 kg。降雨对径流和泥沙的贡献率表现为：中雨（10.0～24.9 mm）>大雨（25.0～49.9 mm）>小雨（<10.0 mm）。中雨对坡面侵蚀影响程度最高。水力侵蚀导致坡面细沟形态上趋于复杂化,其总长达为40.52 m,平均宽度为4.31 cm,平均深度为1.22 cm。次降雨坡面细沟的发育过程表现为：溅蚀—片蚀—宽浅型细沟—连续细沟网—沟壁坍塌—沟道稳定;细沟趋于向窄深型发育。[结论] 细沟各形态指标均呈现明显的二次多项式相关关系,细沟宽深比与沟壑密度对坡面产沙量存在显著影响。     

黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28.7%,70.4%和37.1%。     

黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28．7％,70．4％和37．1％。     

上方来水来沙对细沟侵蚀产沙过程的影响

利用双土槽系统径流小区 (供沙土槽和试验土槽 ) ,定量研究了不同上方来水含沙量和不同降雨强度下 15°坡面上方来水来沙对坡下方细沟侵蚀产沙过程的影响。结果表明 ,坡上方来沙量不但被径流全部搬运 ,且坡上方来水在坡下方细沟侵蚀槽引起另外的侵蚀产沙量 S。坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主。上方来水对细沟侵蚀产沙的贡献受上方来水含沙量和降雨强度的影响。降雨强度的增加或上方来水含沙量的减少 ,使 S值的增加更为显著     

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     

上方来水来沙对细沟侵蚀产沙过程的影响

利用双土槽系统径流小区 (供沙土槽和试验土槽 ),定量研究了不同上方来水含沙量和不同降雨强度下 15^°坡面上方来水来沙对坡下方细沟侵蚀产沙过程的影响。结果表明,坡上方来沙量不但被径流全部搬运,且坡上方来水在坡下方细沟侵蚀槽引起另外的侵蚀产沙量 S。坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主。上方来水对细沟侵蚀产沙的贡献受上方来水含沙量和降雨强度的影响。降雨强度的增加或上方来水含沙量的减少,使 S值的增加更为显著.     

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。     

降雨因子对沂蒙山区不同土地利用方式径流小区产流产沙的影响

[目的]研究降雨量、降雨强度、降雨历时等降雨因子对沂蒙山区小流域不同土地利用方式径流小区产流产沙的影响,为该区水土流失防治、水土保持规划、生态建设等提供参考。[方法]对沂蒙山区不同土地利用方式径流小区(自然荒坡和荞麦、野生牧草和花生)两两对照并且进行连续3a的定位观测,对观测数据进行统计分析和显著性检验。[结果](1)降雨量与各径流小区产流量的相关性显著(p0.01),与荞麦小区和花生小区产沙量的相关性显著(p0.01),与自然荒坡小区和野生牧草小区的产沙量相关性较差。(2)平均降雨强度(I)与各径流小区的产流量和产沙量的相关性均不显著。10 min最大降雨强度(I10)和30min最大降雨强度(I30)与各径流小区产流量以及荞麦小区、花生小区的产沙量均具有较好的相关性,其中30min最大降雨强度(I30)的相关性最好。(3)降雨历时与荞麦径流小区的产流量和产沙量相关性显著(p0.01),与其他径流小区的产流量和产沙量虽皆呈正相关但相关性均不显著。[结论]降雨量(P),10min最大降雨强度(I10),尤其是30min最大降雨强度(I30),降雨历时等降雨因子在沂蒙山区坡面产流产沙过程中都起到了不同程度的作用,不同的土地利用方式也是影响坡面产流产沙的重要因子。     

上方汇水汇沙对坡面侵蚀过程的影响

利用双土槽系统径流小区(供沙土槽和试验土槽),定量研究了不同上方汇水含沙量、降雨强度和地面条件下上方汇水汇沙对粘黄土坡下方侵蚀产沙过程的影响。结果表明:对于疏松土和紧实土处理,上方汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量S分别占总侵蚀产沙量Sft的72.4%～92.7%和45.5%～83.7%。试验土槽接受上方汇水汇沙后,疏松土和紧实土处理时坡下方径流含沙量分别增加2.4～6.1倍和1.4～3.6倍。上方汇水汇沙对坡面径流速度和细沟发育过程的影响与降雨强度和土壤容重紧密相关,坡面侵蚀产沙变化过程与细沟发育过程相对应。     

坡面侵蚀泥沙来源立体分布研究

采用REE-INAA方法,采取沿坡面分层分段的新型试验布设方法,研究次降雨条件下坡面侵蚀泥沙来源立体分布规律。结果表明:坡面侵蚀形态演变过程可划分为面蚀、细沟发育和细沟稳定3个阶段。细沟侵蚀是坡面侵蚀产沙的主要原因,试验中的细沟侵蚀产沙量约为面蚀产沙量的9.9倍。可以利用侵蚀产沙贡献率来表征不同试验区域产沙量对总产沙量贡献作用的大小。处于坡面底部的Eu区和Yb区是面蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为3.1%和3.3%。处于坡面底部的Nd区和Ce区是细沟侵蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为42.8%和37.5%。坡面中下部是坡面侵蚀泥沙来源的主要区域。     

玉米季横垄坡面细沟侵蚀特征及其影响因素

通过野外人工模拟降雨试验,开展玉米不同生长期紫色土坡耕地细沟侵蚀特征研究,并分析玉米叶面积、雨强对细沟侵蚀过程的影响。结果表明:随玉米生长期推进,坡面产流时间、跌坎及细沟出现时间总体呈先增加后减少的趋势。苗期、拔节期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为10′59″和15′30″,抽雄期、成熟期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为20′16″和18′58″,玉米苗期坡耕地更易产生细沟侵蚀。苗期细沟形态发育完整,2.0 mm min-1雨强条件下,苗期最长细沟的长、宽、深分别为77.62、6.25和4.04 cm。随玉米生长期推进,细沟侵蚀阶段产流量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期和抽雄期细沟侵蚀阶段产流量分别占玉米季径流总量的30.97%和19.01%,玉米各生长期细沟侵蚀阶段产流率均随降雨时间的推移呈波动上升。细沟侵蚀阶段产沙量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期细沟侵蚀阶段产沙量显著高于其他生长期,玉米各生长期细沟侵蚀产沙率均随降雨时间呈波动变化。玉米季坡耕地细沟侵蚀产流量与雨强呈极显著正相关,产沙量与玉米叶面积指数呈显著负相关,产流率、产沙率与叶面积指数和雨强的回归方程均达极显著水平。     

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。     

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。     

玉米秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响

玉米秸秆覆盖缓冲带是一项有效的坡面水土保持措施,为探究其减少细沟侵蚀的效果及水动力学机理,在室内人工模拟连续降雨条件下,选取黄土高原高强度侵蚀性降雨标准和细沟发育活跃的典型坡度,根据细沟发育的不同阶段,研究了不同布设部位(坡面中部5 m和坡面下部7 m)的秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响。结果表明:与裸露处理相比,玉米秸秆覆盖缓冲带可以减少坡面侵蚀量27.2%~54.8%,减少细沟侵蚀量40.8%~59.2%,减小细沟侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率。对于细沟形态,缓冲带可减少细沟割裂度23.0%~32.0%,减少细沟平均深度6.7%~10.5%。比较2种布设部位,在坡面细沟发育后期,坡面下部7 m处布设的秸秆缓冲带可以取得更好地减少侵蚀和约束细沟形态变化的效果。对于单条细沟,裸露坡面上的细沟宽度沿坡长方向呈现约1.2 m长的周期性变化规律,而秸秆缓冲带改变了细沟宽度沿坡长方向的周期性变化趋势,此外还通过拦截淤积上方来沙减小了布设位置细沟侵蚀深度,通过拦截径流保护下方有限长度内的细沟。分析其水动力学原因可知,玉米秸秆覆盖缓冲带可使细沟水流向缓层流流态方向延伸,与缓冲带上方相比,秸秆缓冲带下方的细沟水流流速显著减小19.6%~21.9%,雷诺数和佛汝德数分别减少了29.6%~37.9%和8.3%~18.5%,而通过秸秆缓冲带后,细沟水流Darcy-weisbach阻力系数增加了22.4%~43.3%,水流剪切力、单位水流功率和断面单位能量分别减小13.6%~21.5%、20.0~21.0%和9.5%~21.0%,径流能量和侵蚀能力的降低最终导致了坡面总侵蚀量的减小。因此,在坡面上每隔5~7 m布设缓冲带可以有效的削弱坡面径流侵蚀能力,减少坡面细沟侵蚀量和总侵蚀量。该研究结果可为类似地形条件下的坡面水土保持措施合理配置提供理论基础。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。     

黄土坡面细沟侵蚀强度的空间分布及形态分异特征

为探索细沟侵蚀的空间分异特性,通过人工模拟降雨试验的方法,分析不同降雨强度和坡度下的坡面细沟侵蚀过程,探讨细沟侵蚀强度及形态在坡面尺度的沿程变化特征.结果 表明:随着坡度和雨强增加,细沟侵蚀量不断增大;在特定处理下,细沟侵蚀强度沿坡长方向均呈现出先增后减的规律;沟宽、沟深和细沟割裂度等细沟形态参数也表现为先增加后减小,...     

工程堆积体坡面细沟形态发育及其与产流产沙量的关系

为揭示工程堆积体坡面细沟形态动态变化规律以及细沟形态指标与侵蚀产流产沙量之间的关系,选取5、9、13和17 L/min 4个放水流量,模拟0.5、1.0、1.5和2.0 mm/min雨强条件,对24°、28°和32°共3个坡度工程堆积体进行冲刷试验,选取沟深、沟宽、宽深比和断面积等指标刻画侵蚀过程中细沟形态变化。结果表明：1）随冲刷历时增加,在前9 min内沟宽和沟深快速发育,沟宽发育宽度占总宽度的57%～90%,沟深发育深度占总深度的38%～73%;2）宽深比随冲刷延长呈先减小后趋于稳定的变化过程,宽深比在0～27 min内快速减小,细沟沿流程纵深方向发育的能力减弱,在27 min之后保持稳定,最终恒定在0.81～1.48,表明细沟断面形态最终大致呈矩形形状;3）沟宽和沟深均随流量的增大而增大,与坡度相比流量对细沟发育的影响更显著;4）沟宽和沟深与放水时间之间存在对数函数关系,断面积与放水时间之间存在线性函数关系,沟宽与径流量之间存在指数函数关系,沟深与径流量、断面积与累计产沙量和累计径流量之间存在幂函数关系。坡面细沟形态的发育过程存在时间差异性,断面积可用来描述侵蚀量的变化过程,宽深比可作为表征工程堆积体坡面细沟发育方向和能力的重要指标。该研究可以为工程堆积体坡面细沟形态指标的动态变化量化提供参考。     

不同坡形坡面侵蚀规律试验研究

采用室内人工模拟降雨方法,研究不同坡形坡面侵蚀规律.结果表明产流量和含沙量、总径流量和侵蚀量大体上是凹形坡大于凸形坡,其次是内聚直坡,直线形坡最小,并且随着雨强和坡度的增大而增大.坡面上部和坡脚侵蚀较弱,坡面侵蚀的剧烈段在坡面中下部,并随雨强和坡度增大而逐渐上移.细沟的宽度和深度随雨强的增大而增大,产生细沟后侵蚀量将迅速增大,最大占总侵蚀量的91%.     

黄土丘陵沟壑区细沟发育形态的变化及其与侵蚀产沙的关系

细沟发育及形态特征研究对理解坡面侵蚀过程和机理具有重要意义。然而，已有细沟侵蚀研究多基于室内模拟试验，无法反映野外真实细沟侵蚀规律。该研究以黄土丘陵沟壑区辛店沟流域为例，于野外自然坡面设置5个径流小区，结合放水冲刷试验（流量为25、40、55、70、85 L/min）与地基三维激光扫描技术，研究细沟几何形态（长、断面宽、断面深），衍生特征（细沟宽深比、细沟密度、细沟割裂度和细沟平均深度等）和分形维数、地貌信息熵、分叉比的变化过程，以及不同指标与侵蚀量、沉积量、产沙量间的关系。结果表明：1）随着冲刷时间增加，各流量梯度细沟断面宽度、断面深度、细沟平均深度和细沟割裂度均呈递增趋势。而细沟宽深比与流量大小相关，低流量（25 L/min）下细沟发育主要呈"宽浅式"，较低流量（40 L/min）和高流量（85 L/min）下发育主要呈"窄深式"，中流量（55 L/min）和较高流量（70 L/min）细沟发育在"宽浅式"与"窄深式"间交替变化。2）随着冲刷时间增加，低流量下分形维数整体趋于平稳，其余流量波动较大；中流量下分叉比呈上升趋势，其余流量下均呈下降趋势；各流量梯度下地貌信息熵无明显变化规律，但其与产沙量的变化趋势基本一致，能够较好反映土壤侵蚀的动态变化。3）细沟平均长度、平均断面深度和细沟平均深度可分别用于评估较低流量下累计沉积量、侵蚀量和产沙量；同时，可用细沟平均深度评估低流量下累计侵蚀量和产沙量。平均断面宽度、平均断面深度及细沟平均深度可用于评估较高流量下累计侵蚀量。此外，随着流量的增大，各形态指标与累计侵蚀量、沉积量和产沙量关系的显著性减弱。研究可为深化认识坡面细沟侵蚀过程和机理提供参考。