两种驱动力作用下植被调控堆积体坡面减水减沙效益

定量分析侵蚀驱动力的变化对于植被调控堆积体坡面水文和产沙过程的影响,对于深刻理解植被防护堆积体侵蚀及其水土保持效益具有重要作用。该研究以陡坡工程堆积体(30°)作为研究对象,采用野外模拟降雨和降雨+上方汇水试验研究苜蓿对工程堆积体侵蚀过程的影响及其减水减沙效益。结果表明:1)两种驱动力下苜蓿对工程堆积体坡面减沙和减流效益分别为57.28%～98.51%和13.17%～83.11%,加入上方汇水后减沙和减流效益分别减少17.01%和68.74%;2)降雨条件下苜蓿对堆积体坡面减流减沙效益随降雨强度增大降低,而加入上方汇水后减沙效益随降雨强度增大而增大,但减流效益减小。显著性差异分析表明降雨强度对裸坡和苜蓿堆积体的径流和产沙均有显著影响(P0.01),且上方汇水的作用大于降雨;3)两种驱动力下裸坡堆积体侵蚀速率总体随产流历时减少,而苜蓿堆积体在降雨条件下侵蚀速率总体增大。加入上方汇水后裸坡及苜蓿堆积体坡面侵蚀和径流随产流历时的波动性显著增强;4)裸坡堆积体在降雨和降雨+上方汇水条件下产流前期的平均侵蚀速率是后期的1.06～2.90倍,苜蓿堆积体在降雨条件下产流前期平均侵蚀速率小于后期。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失防治和植被措施布设提供科学指导,具有显著的科学意义和工程实践指导价值。     

含砾石风沙土堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对风沙土工程堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了不同降雨强度(1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min~(-1))条件下不同砾石质量含量(10%、20%、30%)的风沙土堆积体坡面径流特性及侵蚀产沙规律。结果表明:(1)1.0、1.5、2.5mm·min~(-1)雨强下,10%砾石含量坡面径流率较土质坡面减少5.03%～39.99%,而20%、30%砾石含量坡面径流率则分别增加7.48%～74.56%、19.51%～84.31%;各砾石含量坡面径流率均与雨强呈显著递增的指数函数关系;(2)土质和含砾石坡面径流型态基本以层流为主;土质坡面径流流态多为急流,而含砾石坡面径流则以缓流为主;各雨强条件下,10%、20%、30%砾石含量坡面径流阻力系数较对照分别增加24.07%～114.10%、51.84%～141.57%、89.04%～288.16%;(3)1.0、1.5 mm·min~(-1)雨强下土质和10%砾石含量坡面侵蚀速率随降雨历时呈减小—稳定—增大趋势,2.0、2.5 mm·min~(-1)雨强下,则呈波动式逐渐增大趋势;4种雨强下,20%、30%砾石含量坡面侵蚀速率呈缓慢、平稳增加趋势;(4)雨强为1.0 mm·min~(-1)时土质坡面侵蚀量最小,雨强≥1.5 mm·min~(-1)时,含砾石坡面侵蚀量较土质分别减少41.08%～63.27%、22.80%～67.80%、28.89%～68.50%;(5)侵蚀量与径流率、雷诺数、弗汝德数均呈显著正相关关系,与阻力系数则呈显著负相关关系;结果可为陕北风沙土区生产建设项目工程堆积体水土流失量估算模型的建立提供科学参考。     

重力侵蚀黄土沟壑区沟坡产沙特性

沟坡是黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙的主要来源,其侵蚀规律的研究可为流域水土保持措施优化配置提供科学依据,对该地区的防灾减灾和可持续发展具有重要现实意义。在多种坡度、坡高的陡坡模型上进行了模拟降雨试验,分别采用地貌仪和径流泥沙采样装置对次降雨过程中沟坡的重力侵蚀量和产流、产沙过程进行了动态监测和定量分析。结果表明:重力侵蚀在高含沙水流的形成中起着十分重要的作用,但不是每次重力侵蚀的发生都能导致高含沙水流;次降雨过程中,含沙量和输沙率均随降雨历时呈现上升趋势,特别是次降雨的中后期,含沙量和输沙率的增大趋势都比较明显;历次降雨事件中,次降雨30min全过程出口径流的平均产沙量和次降雨中后期出口径流平均产沙量的变化趋势一致;次降雨过程中,出口径流含沙量与输沙率随坡度的增大呈整体波动式增大,但与坡高关系不显著。总之,在黄土沟坡区,重力侵蚀对产沙过程有显著影响。     

不同土质工程堆积体径流产沙差异

依据野外调查结果概化堆积体下垫面,采用室内人工模拟降雨方法,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min)条件下4种砾石质量分数(0、10%、20%、30%)的壤土、黏土及砂土工程堆积体径流产沙特征差异。结果表明:1)砂土堆积体坡面产流开始所需时间较壤土及黏土堆积体长。3种土壤质地工程堆积体含砾石的平均流速较纯土体(砾石质量分数为0)小,大小表现为黏土壤土砂土。砂土堆积体平均径流率较壤土和黏土分别减少20.7%和18.8%;2)砂土堆积体平均侵蚀速率分别是壤土和黏土的3.0和2.3倍。3种土壤质地工程堆积体的平均侵蚀速率随雨强增大递增,但随砾石质量分数递增呈显著线性递减(P0.05);3)砂土堆积体平均侵蚀量分别是壤土和黏土的4.5和3.4倍。3种土壤质地工程堆积体的侵蚀量与径流量和雨强均显著相关。研究成果可为建立生产建设项目工程堆积体水土流失量测算模型提供数据基础和理论依据。     

不同砾石含量塿土堆积体坡面侵蚀特征研究

为明确砾石含量对关中塿土堆积体坡面径流和侵蚀特性的影响,采用室内模拟降雨试验方法,以土质坡面为对照,研究了10%、20%、30%三种砾石含量堆积体坡面的侵蚀特征。结果表明:(1)1.0mm·min–1雨强下,10%砾石含量时初始产流时间最大,雨强1.0 mm·min–1时,各坡面初始产流时间在10%砾石含量时最小;(2)各砾石含量坡面平均流速均随雨强增大而增大,1.0和2.5mm·min–1雨强条件下10%砾石含量坡面流速最大,而1.5和2.0mm·min–1雨强下,含砾石坡面流速较土质坡面分别减少15.3%～21.2%和13.6%～14.1%;(3)不同雨强条件下各含砾石坡面含沙量在产流前期(0～6 min)急剧下降;产流6 min后,含沙量在1.0、1.5 mm·min–1雨强下逐渐趋于稳定,在2.0、2.5 mm·min–1雨强下呈多峰多谷的变化,该时期砾石主导产沙过程;(4)次降雨侵蚀量随雨强增大呈显著的幂函数关系;而随雨强的增大各砾石坡面侵蚀量较土质坡面分别减少22.4%～42.6%、8.2%～66.3%、2.2%～56.5%和45.0%～68.3%。该研究可为关中地区堆积体坡面水蚀模型的建立提供理论依据。     

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。     

岩溶区煤矿工程堆积体边坡细沟发育及其水沙关系研究

重力作用对坡面径流泥沙和细沟发育具有重要影响。以煤矿工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷法研究不同坡度条件下,重力作用对工程堆积体边坡产流产沙细沟发育形态的影响。结果表明:(1)工程堆积体坡面侵蚀过程分为面蚀(产流3 min内)和细沟侵蚀阶段,其中细沟侵蚀存在扩张(产流3～24 min)、过渡(产流24～30 min)和稳定(产流30 min后)3个发展过程,细沟最快出现为4s、最慢为97s,二者出现时间约相差24倍。(2)重力作用是影响工程堆积体边坡产流产沙及其波动性变化的重要原因,对工程堆积体边坡总产沙量贡献在17.41%以上,最高可达99.60%;初步判定,重力作用对边坡细沟发育影响作用明显的临界径流条件为20 L·min~(-1),临界坡度条件为35°。(3)重力作用造成工程堆积体边坡细沟由短向长、由浅向深、由窄向宽发展,坡面细沟沟宽在7.89～19.73 cm之间,沟深在2.17～6.73 cm之间,宽深比在2.12～4.36之间,细沟密度在1.35～3.00m·m~(-2)之间;径流作用主导细沟深度发育,而重力作用主导细沟宽度发育;边坡细沟密度随放水流量及坡度增加呈先增大后减小的趋势。研究结果对于正确认识煤矿工程堆积体边坡产流产沙特征、影响因素及土壤侵蚀量测算具有重要参考意义。     

连续模拟降雨下岩溶区含砾石堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土质堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了递增型降雨(0.5,1.0,2.0,2.5,3.0 mm/min)条件下偏土质(砾石含量30%)和偏石质(砾石含量70%)石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明:(1)随雨强增大,各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势,且土质坡面径流率整体小于2种含砾石坡面;偏土质、偏石质坡面累计产流量较土质坡面增加了0.49,0.37倍;(2)1.0~3.0 mm/min雨强下,土质坡面侵蚀速率在0.16~5.4 g/(m^2·s)范围内波动,整体呈稳定—波动增加的变化趋势;偏土质和偏石质坡面分别为0.16~5.4,0.06~0.74 g/(m^2·s),前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈,后者变化范围小且稳定;随砾石含量的增加,各坡面累计侵蚀量呈先增后减的变化趋势,偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加2.5倍,偏石质坡面较其减少了0.9倍;(3)土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著正相关幂函数、线性函数和线性函数关系。研究结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土流失治理提供一定的科学依据。     

连续降雨下岩溶区含砾石石灰土坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土工程堆积体坡面径流产沙特征的影响，以土质坡面为对照，采用室内模拟降雨试验方法，研究了递增型降雨（0.5—1.0—2.0—2.5—3.0 mm/min）条件下偏土质（砾石含量30%）和偏石质（砾石含量70%）石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明：（1）0.5 mm/min雨强下，土质、偏土质和偏石质坡面均未产流；随雨强增大，各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势，且土质坡面径流率整体小于两种含砾石坡面；偏土质和偏石质坡面产流量较土质坡面增加了0.49倍和0.37倍；（2）1.0～3.0 mm/min雨强下，土质坡面侵蚀速率变化范围为0.16～5.4 g/(m2?s)，整体呈稳定—波动增加的变化趋势；偏土质和偏石质坡面分别为0.16～5.4 g/(m2?s)和0.06～0.74 g/(m2?s)，前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈，后者变化范围小且稳定；随砾石含量的增加，各坡面侵蚀量呈先增后减的变化趋势，偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加了2.5倍，而偏石质坡面则较其减少了0.9倍；（3）各砾石含量坡面侵蚀速率与径流率均呈极显著正相关（P＜0.01，n=76），土质坡面相关性最好，径流率对侵蚀速率具有显著影响；土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著幂函数、线性函数和线性函数关系；结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土治理提供一定的科学依据。     

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。     

集中水流下土石混合崩积体坡面侵蚀水动力特征试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学机理,采用室内放水冲刷试验,研究了不同流量(2,4,8,16L/min)和坡度(10°,20°,30°,40°)条件下4种土石混合崩积体(0,20%,40%,60%砾石质量百分数)坡面侵蚀的水动力学特征。结果表明:(1)在小坡度和小流量条件下,侵蚀率随砾石含量的增大而减小;当流量或者坡度增大时,侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律;各土石混合物侵蚀率均能用坡度和流量的二元幂函数来表达。(2)水流剪切力、水流功率和单位水流功率与侵蚀率均呈线性函数关系,其中水流功率和水流剪切力可优先作为模拟土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学参数。(3)可蚀性参数及临界侵蚀动力随着砾石含量的增加而增加。研究结果可为进一步深化认识崩积体侵蚀机理提供参考。     

含砾石锥状工程堆积体坡面径流侵蚀特征

以关中地区的重质土壤为试验材料,利用自制的堆积平台模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程及形态建造实体模型,在人工模拟降雨的条件下,研究了4个降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)不同砾石质量分数(0,10%,20%,30%,40%)锥状工程堆积体坡面的径流产沙特征。结果表明:(1)径流率和流速随时间呈现出先快速增加后缓慢增长至稳定的变化趋势,雨强和砾石含量对径流率和流速均有显著性影响,其中雨强对两者的贡献率较大,起决定性作用;(2)平均径流率和平均流速随雨强的增大而增加,与雨强呈极显著的正相关关系,随砾石含量的增加而减小,与砾石含量呈极显著的负相关关系;(3)雨强为1.0mm/min时,侵蚀速率先快速增加后逐渐趋于稳定;雨强≥1.5mm/min时,侵蚀速率呈持续增长的变化趋势,雨强为2.0,2.5mm/min时,在降雨中后期侵蚀速率突变式增加;(4)侵蚀总量随雨强的增大呈指数型增加的趋势,随砾石含量的增加呈负对数型减小的趋势。     

土石混合堆积体坡面土壤侵蚀研究进展

土石混合堆积体是一种堆弃物,因其特殊的物质组成与结构,受到雨水冲刷极易发生次生灾害,近年来越来越多的学者关注其坡面土壤侵蚀问题,但研究尚无完整的理论与方法,整体处于初步探索阶段;综述了土石混合堆积体坡面特性、入渗过程、水流水动力学特征及产流产沙特征等研究现状;提出在未来的研究中,可借鉴元素示踪等研究方法深入探讨土石混合堆积体内部水分运移规律,从物质来源、类型及研究方法等方面完善研究其坡面水流水动力学特性,注重探讨堆置形态、原地貌形态以及砾石的分布状况等对其坡面及地下土壤侵蚀的影响,着重研究降雨及径流共同作用下的坡面及地下侵蚀规律,进一步探究其不同治理措施的减水减沙效益,构建适宜各类型土石混合堆积体土壤侵蚀预报模型,为生态防护体系的构建及区域经济可持续发展奠定基础。     

模拟降雨条件下碱性坡地土壤侵蚀试验

 采用室内人工降丨射模拟试验,研究降雨强度为50 mm/h时不问坡度（5°、15°、25°)和不同土壤（土壤的可交换钠比例ESP值分别为2.4和25)对土壤人渗率和侵蚀缺的影响。结果表明：1)不问坡度和不同土壤的径流模数随降雨历时急剧增加,后于平稳,人渗率和侵蚀产沙量随降雨历时急剧减小,趋于某一稳定值;2) 土壤ESP值水平一定时,入渗率和累计人渗量都随着坡度的增大而增加,侵蚀产沙坩随笤坡度的增大先增加后减小,在15° -25°之间存在着侵蚀的临界坡度;3)坡度一定时,径流模数随着 ESP值的增加而增加,稳定人渗率和累计人渗量随卷ESP值的增加而减小;4) 土壤的ESP值水平对侵蚀产沙量的影响随坡度不同而不同,坡度为5°和15°时,同一坡度的侵蚀产沙量随ESP值的加大而减小,当坡度为25°时,核蚀产沙量随ESP值的加大而增大,说明坡度较大时,土壤ESP值的增大更容易引起土壤侵蚀。     

降雨和上方来水条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀特征

定量分析降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面产流产沙过程,对于完善多驱动力条件下堆积体坡面土壤侵蚀特征具有重要意义。该研究运用人工模拟降雨和冲刷试验,在野外径流小区(7 m×1 m×0.5 m,坡度36°)上分别开展5个降雨强度(40、50、70、100、120 mm/h)、4个上方来水强度(10、15、20、25 L/min)单独作用及共同作用下坡面土壤侵蚀过程试验,比较2种驱动力单独作用及共同下堆积体坡面土壤侵蚀与形态特征。结果表明:1)降雨条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现阶段性差异发育,中小雨强(40、50和70mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时延续呈现2个不同阶段(波动、平稳),侵蚀形态为不连续跌坎,大雨强(100和120 mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时的延续呈现3个不同阶段(波动、平稳、剧烈),坡面侵蚀形态为细沟。2)上方来水条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现相对平稳发育,坡面侵蚀形态均为细沟。3)上方来水与降雨共同作用下,堆积体坡面侵蚀过程呈现剧烈波动发育,产沙率随历时的延续呈现持续"多峰多谷"变化态势,随着时间延续,产沙率波动振幅逐渐增大,堆积体坡面侵蚀形态均为侵蚀沟,且发育剧烈。4)上方来水和降雨共同作用下,坡面径流量和泥沙量均增大,且泥沙量的增大幅度大于径流量,相比单独降雨,径流量和泥沙量分别增大86%~629%和86%~4914%,相比单独上方来水,径流量和泥沙量分别增大12%~175%和15%~505%。上方来水和降雨共同作用下,汇流与降雨之间存在交互作用,两者对径流和泥沙的影响均显著。研究结果对于完善堆积坡面土壤侵蚀特征及揭示复杂水动力条件下的侵蚀机理具有重要意义。     

集中流作用下黄土坡面剥蚀率对侵蚀动力学参数的响应

集中流引起的细沟侵蚀是黄土高原坡耕地主要侵蚀方式之一，对坡面集中水流动力学特性研究有利于掌握坡面集中流剥蚀产沙的根本原因，但目前哪种集中流水动力学参数最能准确揭示侵蚀动力过程机理尚不明确。该文采用室内集中流放水冲刷试验，以黄土高原典型黄绵土为研究对象，研究坡面平均和瞬时剥蚀率与相应水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能量之间的关系。结果表明，除了瞬时过水断面单位能量拟合效果较差外，其他平均和瞬时水力学参数均能够较好地与坡面剥蚀率建立不同的拟合关系。所有参数中平均水流功率是描述本试验条件下的最优水力学参数。由于细沟发育过程中大量坍塌的出现，导致整个径流剪切力和水流功率与剥蚀率之间的关系曲线整体上升，出现了临界剪切力和临界水流功率为负值的情况。通过与仅考虑水流对坡面直接作用参数所得结果对比，表明坍塌等作用在细沟发育过程中具有重要影响，对剥蚀率的贡献可达90.93%。研究可为控制和预防集中流侵蚀发生提供科学依据。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。