连续径流冲刷条件下工程堆积体土壤侵蚀特征

[目的] 探究连续径流冲刷条件下工程堆积体的坡面侵蚀响应，为进一步认识工程堆积体在连续冲刷过程中的侵蚀规律并为水土流失模型精准预测提供基础数据和科学参考。[方法] 设置3个放水梯度(8，12，16 L/min)，在3个坡度(28，32，36°)条件下，进行野外连续3场径流冲刷试验(每场间隔24 h)。[结果] ①各场次产流特征为：第3场＞第2场＞第1场，其中，第3场径流量增量大于第2场，对比第1场增速分别为40.5%和33.4%。②各场次产沙量为:第1场＞第2场＞第3场，产沙量占比分别为31.74%～53.46%，29.03%～43.71%，17.42%～29.04%。③在任意流量段，连续径流冲刷下平均流速与沟宽的变化无关，沿径流方向流速与沟深变化一致。[结论] 上方来水条件下工程堆积体坡面产流随冲刷场次的增加逐场增大，产沙随场次增加逐场减少。冲刷场次对平均产流率具有显著影响。     

模拟降雨条件下第四纪红黏土坡面侵蚀过程

通过室内模拟降雨试验,分析雨强和坡度对第四纪红黏土坡面侵蚀过程的影响,揭示南方红壤低山丘陵区第四纪红黏土坡面侵蚀机理。根据研究区地形和降雨特点,设计坡度10°,15°,20°,雨强1.0,1.5,2.0mm/min,研究两者对坡面侵蚀过程的影响。结果表明:(1)坡面初始产流时间随着坡度和雨强的增大而逐渐减小;同一雨强下,径流系数大小为20°15°10°。(2)不同试验处理条件下,坡度由10°增加到20°,坡面累积产沙量增加0.46~1.98倍;降雨强度由1.0mm/min增加到2.0mm/min,坡面累积产沙量增加1.37~3.85倍。(3)1.0,1.5mm/min雨强条件下,坡面侵蚀泥沙以0.25mm水稳性团聚体占优,2.0mm/min雨强条件下,坡面侵蚀泥沙0.25mm水稳性团聚体为主。(4)坡度与雨强对坡面径流系数、侵蚀率和累积产沙量影响极显著(P0.01),坡面累积径流量和累积产沙量构成幂函数模型。研究结果为揭示坡度与雨强对第四纪红黏土坡面侵蚀过程的作用机理提供参考。     

保水剂施用方式对花岗岩红壤坡面水土保持的影响

为了获得保水剂对花岗岩红壤坡面水土保持效果最佳的施用方式,通过人工模拟降雨试验和室内分析相结合方法,开展保水剂混施、层施和沟施等施用方式对红壤坡面侵蚀的产流产沙过程影响研究。结果表明:(1)花岗岩红壤坡面施加保水剂后可降低坡面产流、产沙量,延缓产流时间。当雨强为1.0mm/min时,保水剂与土壤混合施用对降低坡面径流及产沙量的影响更为显著。与对照坡面相比,混合施用坡面累积径流降低34%,累积产沙量减少48%;雨强为1.5mm/min时层施保水剂对降低坡面径流及产沙量作用更显著。与对照相比,层施保水剂坡面累积径流降低46%,累积产沙量减少67%。(2)红壤坡面中混合施加保水剂能够增加坡面入渗率,减少坡面径流,增加土壤含水量,发挥了良好的蓄水保土效益。(3)相关性分析表明,保水剂不同施用方式下花岗岩红壤坡面累积产流、产沙量呈现显著相关(P0.05),坡面累积径流量和累积泥沙量间构成幂函数模型。研究结果为花岗岩红壤坡面应用保水剂控制水土流失和揭示相关机理提供参考。     

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%。     

模拟降雨条件下坡地径流泥沙特征研究

基于野外原位模拟降雨试验,研究桥子沟流域裸地、撂荒地、草地、林地4种土地利用类型的径流和泥沙流失分别对90,120mm/h两种雨强的响应特征。结果表明:雨强90,120mm/h条件下,4种土地利用类型中林地径流量最少,撂荒地产流量最大,约为林地径流量的7倍;产流量顺序为:撂荒地裸地草地林地;产沙量顺序为:裸地撂荒地草地林地;坡面累积径流量和累积产沙量随产流时间呈线性规律变化趋势,径流(产沙)系数表现为撂荒地裸地草地林地。坡面累积产沙量对累积径流量响应呈现幂函数变化规律,而且随着累积径流量增大,累积产沙量递增速率显著增大。     

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。     

乌拉山废弃矿区坡长对客土坡面产流产沙与沟蚀特征的影响

为研究不同坡长客土坡面产流产沙及沟蚀特征差异变化,通过设计2个坡度(15°,20°)下不同坡长(2,4,6,8,10 m)的野外径流小区进行冲刷试验。结果表明:(1)初始产流时间变化范围与产流停止时间均随坡长增加而增大,产流率初期快速增加,达到初次峰值后呈现不规律波动,累积产流量随坡长增加而增多;产流率、累积产流量与坡长、产流时间及其交互作用呈极显著相关(p＜0.01),累积产流量在2种坡度下均与坡长、产流时间呈幂函数相关。(2)产沙率初期快速增加,达到初次峰值后随冲刷时间逐渐下降,其均值随坡长增加而增大,总累积产沙量随坡长增加而增多;累积产沙量与坡长、产流时间的交互作用呈极显著相关(p＜0.01),累积产沙量在2种坡度下均与坡长、产流产流时间呈幂函数相关。(3)侵蚀沟平均横截面积自顶端呈现沿坡面减小,以及减小—增加—再减小2种趋势。累积产沙量与估算沟蚀量具有极显著相关性(p<0.01),其差值随坡长的增加而增加,其比率随坡长增加呈先上升后下降趋势,最大值出现在6 m坡长。研究结果为矿山修复客土坡面水土流失防治及侵蚀模型建立提供技术支持。     

三峡库区小流域产流产沙试验研究

通过建立三峡库区小流域缩微模型,分别进行了3场人工模拟降雨试验(降雨强度分别为60,90,120 mm/h),对小流域产流产沙过程进行了研究。结果表明,3场降雨试验的产流量及产沙量均随降雨强度的增加而增加,但产流量的增加幅度远大于产沙量。产流量在3场降雨过程中均随径流时间呈现先增大后趋于稳定的趋势,但产沙量变化规律较为复杂。在各场次降雨下,累积产流量和累积产沙量均随降雨历时的增加呈线性函数规律变化。3场降雨产流的含沙量均呈波动形式变化。     

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     

晋西黄土区小流域泥沙来源分析

以晋西黄土区小流域为研究对象,选择了7个典型小流域,根据14 a的定位观测结果,对流域泥沙来源进行了分析.结果表明,按小流域泥沙来源的地貌部位划分,沟谷地(沟头、沟道和沟坡)产沙量＞沟间地(坡面、梁峁坡)产沙量,沟谷地产沙量占流域总产沙量的60%以上,沟谷地侵蚀模数是沟间地的1.28～2.48倍,坡耕地、裸露地是主要产沙地类.     

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间，揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法，通过2.125、3.205、5.250、7.185 L/min 4个不同的放水流量，在4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上，对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明：对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125 L/min时的38.13％，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01％。对于黄土高原水土流失治理，单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量，采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。     

放水冲刷条件下坡面植被空间布局对坡沟系统侵蚀产沙的影响研究

植被在有效防治水土流失、改善生态环境中具有不可替代的重要作用。研究表明,土壤表面没有植被的降雨侵蚀量是未扰动森林土壤的16倍[1]。Zheng在子午岭林区的研究也发现,当地表植被生长良好时,降雨、地形、坡度等因素对土壤侵蚀量的影响很小。而土壤表层一旦失去植被保护或根系的固结时,降雨和地形等因素对侵蚀的作用则十分     

黄土区不同地貌部位径流泥沙空间分布试验研究

黄土丘陵区侵蚀泥沙的来源以及坡沟侵蚀产沙关系等一直是研究的热点难点之一，也是争论较多的问题。在梁峁坡到谷坡的坡沟系统中，不同地貌部位有对应的侵蚀形式出现。该文采用多坡段组合模型，运用人工模拟降雨试验方法，研究了黄土区坡面各垂直侵蚀带径流泥沙的空间分布特征及上坡来水来沙的加速侵蚀作用。结果表明：单位面积与时间产流量排列为谷坡＞梁峁坡下部＞梁峁坡中部＞梁峁坡上部。雨强0.5 mm/min时，没有沟蚀发育；1.0 mm/min时，细沟主要在梁峁坡下部；1.5 mm/min时，细沟伸展到梁峁坡上部，谷坡出现滑塌和崩塌等重力侵蚀现象。坡面径流量、产沙量随坡度、坡长、降雨强度变化成正比增长。上坡来水来沙使梁峁坡和谷坡产沙量大幅度增加。     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙来源模拟试验

为了进一步明确黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙主要来源及其动态变化过程,该文利用室内概化坡沟系统模型,结合稀土元素（REE）示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原的坡沟系统侵蚀泥沙来源问题进行了研究。结果表明,在该试验的坡沟系统中,侵蚀泥沙主要来自坡沟系统的坡面,距离坡面顶端2 m的侵蚀产沙量占到坡面总侵蚀量的57%～74%,沟坡部分的侵蚀产沙量较少;坡面部分的4种示踪元素侵蚀带,在流量为6、8、10和14 L/min时,各个侵蚀带的侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Tb元素示踪带＞Sm元素示踪带,但在流量为12 L/min时,侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Sm元素示踪带＞Tb元素示踪带;坡面侵蚀产沙泥沙百分比随着冲刷历时的增长,总体上呈现出波动式的递增趋势,25 min以后又开始减小,沟坡侵蚀产沙量的变化趋势与坡面相反。研究为黄土高原小流域坡沟的治理提供了科学依据。     

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统产流产沙对源-汇-路径格局的响应

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统（2个无人为干扰的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG1和SG2、2个人为扰动的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG3和SG4、以及1个果园+坡耕地的坡沟系统SG5）内泥沙源、汇及其输移路径分布特征,并在量化指标的基础上,结合2016—2022年坊塌小流域5个坡沟系统的降雨和产流产沙的监测数据,研究了不同坡沟系统的产流产沙特征及其对源-汇-路径格局的响应。结果表明：次降雨条件下,SG1和SG2的产沙模数显著低于其他坡沟系统（P<0.05）,且SG3径流深和产沙模数均较大;SG2的年平均径流深显著低于SG5（P<0.05）。坡沟系统径流深分别与总坡沟系统、沟间地、沟谷地的泥沙源和汇最大斑块面积比显著正相关（P<0.05）,且与沟间地泥沙源、汇指数的相关系数均要大于沟谷地,径流深与总坡沟系统路径的分岔比、沟间地与沟谷地的路径比降均呈现出显著负相关（P<0.05）;产沙模数与各源汇指数之间均无显著的相关性,但与路径数量密度、长度密度、沟间地的路径分岔比呈显著正相关（P<0.05）;径流深和产沙模数均与路径复杂度呈显著负相关。可见,降低源/汇比例大小,适当增加泥沙输移路径的复杂度和输移距离,可有效减少坡沟系统的水土流失。研究可为坡沟系统土壤侵蚀防控以及流域生态保护和修复提供科学支撑。     

雨强和坡度对黄土陡坡地浅沟形态特征影响的定量研究

浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。     

黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应

黄土高原地区的梯田和淤地坝措施发挥了重要的水土保持功能,然而现有的研究主要关注单个措施的减水减沙效应,对坡沟治理措施综合配置协同调控水沙过程的作用一直认识不清。因此,该研究为解析梯田和淤地坝措施对水沙过程的协同调控效应,构建了10个坡沟系统物理模型,设置了对照组（CO）,单一措施组（梯田措施（T0）,4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短（L1、L2、L3和L4））和组合措施组（梯田与4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短的综合配置（T1、T2、T3和T4））,进行降雨强度为90 mm/h的室内模拟降雨试验,量化不同试验方案下坡沟系统的产流产沙过程。结果表明：1）梯田措施和淤地坝淤积导致坡沟区域坡长缩短均有效调控了坡沟系统的产流产沙过程,梯田能分别减少46.30%～83.59%的径流总量和25.82%～82.41%的泥沙总量,淤地坝导致坡沟区域坡长缩短能分别减少7.87%～33.42%的径流总量和10.20%～30.57%的泥沙总量。2）不同试验方案下坡沟系统的产沙率和产流率之间满足线性关系,而累计产沙量和累计产流量满足幂函数关系。3）综合措施配置发挥了“1+1> 2”的水土保持...     

坡沟侵蚀产沙关系的模拟试验研究

黄土高原坡面从分水岭到坡脚,径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性。为了揭示造成这种垂直分带性特点的形成机理,本文设计了4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统试验土槽,采用四个不同流量(2.1Lmin-1、3.2Lmin-1、5.2Lmin-1、7.2Lmin-1)的放水冲刷试验,研究了坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响,并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。结果表明:坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系;坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。根据单位水流功率的概念,计算得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为0.632。最后,根据改进的Yalin公式及沟坡侵蚀产沙的影响因素,分别建立了坡面和沟坡侵蚀产沙的数学模型,经计算后与实测值进行对比发现结果基本令人满意。