黄土坡耕地耕作方式不同时微地形分布特征及水土保持效应

 利用GIS技术模拟黄土坡耕地微地形空间分布特征,并对其水土保持效应进行研究。结果表明：1)地表微地形起伏大小依次为等髙耕作 > 人工掏挖 >人工锄耕 > 直线坡面（CK),和CK相比,人工锄耕与人工掏挖微地形呈随机相间的坑洼特征,等高耕作呈沟垄相间的空间特征;雨后CK、人工锄耕、人工掏挖与等商耕作方式下地表髙程平均分别降低0.015、0.014、0.018和0.015 m。2)除CK地表填洼量为增大外,其余方式均为减小;地表产流时间依次为直线坡面 < 人工掏挖< 人工锄耕< 等髙耕作。3)产流量随降雨时间呈先增大,后趋于平稳的过程。4)与CK相比,等高耕作、人工锄耕和人工掏挖产流量分别减小38. 17%、17.88%和9.43%。5)产沙最随降雨时间呈先增大,后减小并逐渐趋于稳定的过程,与CK相比,等高耕作、人工锄耕和人工掏挖产沙量分别减小65.6%、36.3%和23.4%。6)坡度对产流产沙的影响主要是坡度越大,产流时间越早,产流产沙量也越大。因此,不同耕作方式的水土保持效应与其形成的地表微地形空间特征密切相关。     

黄土坡耕地径流水力学参数与侵蚀产沙的模拟

为了明确连续降雨条件下黄土坡耕地微地形的径流产沙及水力学特征,基于4种坡度(5°,10°,15°,25°)、4种耕作方式(直线坡、人工锄耕、人工掏挖、等高耕作)和2种雨强(60mm/h,120mm/h)的组合,通过室内模拟连续90min降雨试验,对不同坡面的径流泥沙特征和水力学参数进行了定量分析和计算。结果表明:4种耕作措施的径流量和产沙量均遵循一致的规律,从大到小均为直线坡人工锄耕人工掏挖等高耕作,直线坡的径流量和产沙量分别是等高耕作坡面的2倍和2.3倍,其水土保持效应依次增强;相同耕作方式下,与60mm/h雨强相比,120mm/h雨强下的径流量由1.04kg/min增大到3.02kg/min,雨强对径流量的影响显著;径流量和泥沙量随时间均呈现对数变化趋势;相同降雨历时下,坡面流随雨强和坡度的增大,从层流和缓流向紊流和急流发展,加剧了水土流失。耕作方式、雨强和坡度是影响黄土坡耕地侵蚀产沙过程及水力学特征的重要因素。因此,通过实施有效的保护性耕作、削弱坡度效应将有助于黄土坡耕地的水土保持。     

水蚀过程中裸露陡坡耕地土壤侵蚀特征

在坡耕地上,农业耕作措施改变了地表微地形,对坡地土壤侵蚀过程产生影响。深入了解耕作措施对坡地土壤侵蚀的影响,以便为开展陡坡耕地退耕还林(草)工程的水土保持效益评价提供科学依据。以30°陡坡耕地为研究对象,采用室内人工模拟降雨试验方法,对采用人工锄耕、人工掏挖和等高耕作的裸坡地土壤侵蚀特征进行研究。用相同坡度平整坡地作为对照措施。降雨强度为60,90,120mm/h,降雨历时80min。结果表明:(1)在陡坡耕地上,在雨强为60,90mm/h时,3种耕作措施都具有延缓坡地产流的作用,但在雨强为120mm/h时,人工锄耕和人工掏挖坡地产流开始时间与平整坡地无显著差异(P0.05);(2)对采用等高耕作的陡坡地,在3个降雨强度下,累计产流量均低于平整坡地,但采用人工锄耕和人工掏挖的陡坡地与平整坡地相比并无明显规律;(3)在降雨强度为120mm/h时,耕作陡坡地地表径流含沙量较高,土壤侵蚀量是平整坡地的2~5倍。因此,在裸露陡坡耕地上,当降雨强度偏大时,采用农业耕作措施不仅不能降低土壤侵蚀发生,反而会增加。     

不同农业耕作措施下坡耕地填洼量特征与变化

洼地蓄水是坡耕地重要的水文要素,由于它与坡耕地产流、土壤入渗能力有关,故也是坡面水土流失研究的重要对象之一。为了进一步认识坡耕地洼地蓄水作用,该研究通过人工模拟降雨试验方法,对3种常用农业耕作措施(人工锄耕、人工掏挖、等高耕作)条件下地表填洼量特征与变化进行了深入研究,以平整坡面为对照措施。研究结果表明,实施农业耕作措施的粗糙坡面平均填洼量较平整坡面提高4~13倍,洼地蓄水量依次为等高耕作人工掏挖人工锄耕平整坡面;坡度对填洼量具有重要影响,洼地蓄水量随着坡度的变化可以用幂函数关系表达(R~20.70)。对于粗糙坡面,当坡度从15°增大到25°过程中,洼地蓄水量逐渐趋于稳定,受坡度的影响变小;在耕作坡面上,由于降雨侵蚀造成地表微地形变化,地表糙度减小,洼地蓄水量减小,地表填洼量变化可以通过地表糙度变化进行计算。     

农业耕作措施蓄水保土机理分析

在黄土高原沟壑区的淳化县泥河沟流域 ,以常规耕作的直线坡为对照 ,对等高耕作、人工掏挖、人工锄耕的蓄水保土情况进行了人工降雨试验 ,结果表明 ,各种耕作措施均可提高土壤稳定入渗率、延长产流时间、降低坡面径流流速及减少坡面产流量、降低侵蚀模数等 ,其中等高耕作的作用最为显著     

基于人工神经网络的坡面土壤侵蚀研究

 基于坡面土壤侵蚀产沙的复杂非线性特性,引用3层前馈型BP网络建模方法,对不同耕作措施坡面土壤侵蚀产沙进行模拟,模型输入层变量数为5个,分别代表降雨强度、坡度、坡长、土壤前期含水率和土壤容重,输出层变量为次降雨土壤侵蚀产沙量,并利用野外人工模拟降雨试验所得到的不同耕作措施(等高耕作、人工掏挖、人工锄耕和直线坡)坡面土壤侵蚀产沙实测资料,对网络进行模拟训练和预测,取得了较好的结果。该模型的建立与求解,为复杂坡面土壤侵蚀规律的研究提供了一条新途径。     

等高耕作对不同坡度坡面土壤侵蚀过程的影响

等高耕作是一种典型的农业耕作措施,通过影响坡面填洼、入渗等进而影响坡耕地坡面土壤侵蚀过程。通过人工模拟降雨试验,设计降雨强度(90 mm/h)、5个地表坡度(3°,5°,10°,15°,20°)以及2种坡面处理(等高耕作和平整坡面),对径流强度、侵蚀率、径流含沙量、减流减沙效益等指标进行综合对比分析,与平整坡面进行比较,探究了黄土高原坡耕地等高耕作措施对坡面土壤侵蚀过程的影响。结果表明：(1)与平整坡面相比,等高耕作明显延缓坡面初始产流时间,使初始产流时间延迟11.58～31.91 min,随着坡度增大,等高耕作初始产流时间延长效应逐渐减弱。(2)等高耕作具有削弱径流强度和侵蚀率的作用,与平整坡面相比,等高耕作的坡面径流强度、侵蚀率和径流含沙量分别减少11.77%～94.92%,20.69%～99.27%和2.46%～88.40%。但等高耕作减少产流产沙能力有限,若坡面发生断垄,等高耕作坡面的径流强度、侵蚀率、径流含沙量都可能接近或大于平整坡面。(3)在降雨过程中,累计产沙量与累计径流量之间满足线性正相关关系,等高耕作累计产沙量随累计径流量的增大幅度始终小于平整坡面。(4)等高耕作在不...     

地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟

为了明确地表糙度与坡面径流特征及其水力学参数之间的相互作用,通过模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和对照组直型坡等4种不同糙度的地表,在室内模拟降雨条件下,对不同糙度坡面上的径流特征和水力学参数(雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力)以及降雨前后地表糙度的变化进行了测量与计算。结果表明,雨前雨后各措施坡面的地表糙度为:等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。相同雨强和降雨历时下,不同糙度坡面其径流特征差异显著。初始地表糙度越大的坡面,径流越容易稳定在层流状态;反之,径流越倾向于往紊流发展。对人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施来说,在相同雨强和降雨历时下,初始糙度越大的坡面,其断面流量、径流量和产沙量越小。坡面初始地表糙度越大,径流阻力系数也越大,但坡面径流的雷诺数、弗劳德数和径流剪切力则越小,径流对地表糙度具有减小作用,雷诺数和水流剪切力越大,径流对地表糙度的减小作用越弱。研究结果为深入理解坡面地表糙度与其水文特征之间的相互作用提供参考。     

黄土耕作坡面溅蚀过程中微地形响应特征

[目的]探究60mm/h雨强下不同耕作坡面在溅蚀阶段的微地形变化特征,为黄土坡地水土保持耕作方式布设提供科学依据。[方法]在室内人工模拟降雨试验的基础上,采用激光扫描量测方法分别获取溅蚀前后4种不同耕作方式(人工锄耕、人工掏挖、等高耕作、耙磨整平)黄土坡面微地形相对高程,并对能反映微地形变化的高精度M-ΔDEM进行了分析。[结果]不同耕作措施下坡面微地形均具有较弱的空间变异,其空间分异主要受耕作措施的影响;降雨对微地形具有一定的夷平效应,且不同耕作坡面在1~1.3m尺度范围内均表现出侵蚀平衡现象;不同耕作微地形对溅蚀均具有阻滞作用,其中人工掏挖和等高耕作具有较强的水土保持作用。[结论]微地形水系分维能较好地反映复杂的微地形特征,而坡面耕作方式是溅蚀过程中微地形时空变异分布状况的控制性因子。     

降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化

为了进一步明确地表糙度在片蚀过程中的效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就场降雨和连续降雨条件下,地表糙度对片蚀的影响及其变化进行了研究。结果表明,场降雨条件下,实施人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于对照坡面;在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小、后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势。在雨强0.67 mm/min条件下,耙耱地、人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度均呈减小的变化趋势,而人工锄耕坡面的地表糙度呈增加的变化趋势;在雨强1.63 mm/min条件下,人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度呈减小的变化趋势,人工锄耕、耙耱地坡面的地表糙度却呈增加的变化趋势;对照坡面地表糙度的变化,与耙耱地相反。连续降雨条件下,在前二次降雨作用下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于对照坡面;在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且实施人为管理措施坡面均高于对照坡面。不同降雨条件下,实施人为管理措施坡面地表糙度对片蚀具有一定的抑制效应,且坡面片蚀的发展与地表糙度间的变化表现出相应的互动作用。该文研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原坡耕地的水土流失治理奠定理论基础。     

不同坡度下城市回填土壤径流系统中水力水质分配特征

采用人工降雨装置,对不同坡度下城市回填土径流系统中氮磷的分配特征进行了试验研究。结果表明:坡度对不同归趋分配有较大影响,无坡度时无地表径流产生,有坡度后地表径流所占比例明显增加。坡度为4°时地表径流、侧渗流与下渗流所占比例分别为72.5%,25.3%,2.3%。坡度增加到8°以上时全部以地表径流的形式出现。坡度为4°时地表径流、下渗流与侧渗流中总氮的比例分别为69.7%,26.1%,4.2%,总磷所占比例分别为77.6%,22.0%,0.4%。随着坡度的增加,地表径流中污染物质的百分含量略有增加,但变化不大。因此在设计回填土小区时应尽量使其平整以有效促进土壤水分下渗,减少地表径流,减少城市回填土的氮磷污染。     

水土保持措施及其减水减沙效益分析

水土流失已经和正在蚕食着人们赖以生存的宝贵的水土资源，如何有效地控制水土流失日益受到社会各界和科学家们的广泛关注。中国在水土保持方面创造了许多颇具特色的水土保持措施，如：生物林草措施、耕作措施和水土保持工程措施。该文总结了目前所采用的主要水土保持措施类型。采用坡度、坡长校正公式将数据转化为具有可比性的量值(标准小区)，定量分析了各种水土保持措施对于减少径流和土壤侵蚀产沙的效果，即治理措施的减水减沙效益，为小流域土壤侵蚀预报、水土保持措施的优化及合理配置、优化土地利用结构等提供参考依据。     

不同雨强条件下坡度对红壤坡面侵蚀的影响

坡度是红壤坡面侵蚀的重要因子,通过室内模拟降雨试验研究3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min),3个坡度(10°,15°,20°)条件下坡度对红壤坡面产流、产沙过程影响。结果表明:(1)相同雨强下,坡面初始产流时间随坡度增加逐渐缩短,坡度与坡面径流量呈正相关关系;相同坡度下,随雨强增加初始产流时间及坡面径流量差异均减小。(2)坡度对红壤坡面含沙量的影响表现为平均产沙量随坡度增加而增大,其中15°坡度下坡面产沙过程波动较大。(3)坡度对坡面径流量的贡献率在60%以上,而坡度对坡面产沙量贡献率保持在30%左右。通过分析不同降雨条件下坡度对红壤坡面侵蚀过程影响,以期为红壤水土流失地区的水土保持预测与措施布没提供相应理论参考。     

北江红壤河岸坡面侵蚀水动力特征

受自然和人为干扰的交互影响,北江河岸带水土保持功能退化严重.本研究基于野外原位模拟径流冲刷试验,分析不同坡度(7°、9°、11°和15°)和放水强度(15、12和9 L/min)条件下红壤河岸坡面侵蚀水动力学参数变化特征及其与侵蚀产沙的关系.结果表明:1)平均流速随放水量增加而增加,在相同放水量下与坡度呈极显著线性正相关关系(P＜0.01);雷诺数随着放水时间增加总体上呈增大趋势,但增幅较小,坡度对雷诺数的影响较复杂,无明显规律;弗劳德数随放水历时增加呈先减小后趋于稳定,各处理的平均弗劳德数均＞1,说明坡面流均处于急流状态,且与坡度呈线性极显著正相关关系(P＜0.01);阻力系数随着放水时间增加总体呈增大趋势,且随坡度增加呈先增大后减小的趋势,说明阻力系数与坡度可能存在非线性关系.2)径流系数随放水历时增加呈先增大后趋于平稳趋势,相同放水量下随坡度增大而增大,同时坡度之间存在显著的幂函数关系(P＜0.05);侵蚀产沙量随着放水历时的增加呈先减小后稳定的趋势,且随坡度的增大而增大,二者之间存在显著的线性关系(P＜0.05).3)侵蚀产沙量随水流剪切力和水流功率的增大而增大,且与二者之间均存在线性显著正相关关系(P＜0.01).鉴于河岸带作为阻滞坡地泥沙进入河流的最后一道屏障,本研究的结果可为红壤河岸带坡面水土保持提供科学依据.     

东北黑土区不同地形垄向坡度的相对水土保持效益研究

垄作是东北黑土区一种非常普遍而重要的耕作措施,具有一定的水土保持效益,但几乎没有学者对其进行研究。探讨黑土区不同地形垄作方向在空间上的分布规律及其具有的水土保持效益具有重要研究价值。以黑龙江省宾县为研究区,用分层抽样的方法提取168个野外调查单元并进行实地填图调查,根据坡度因子和垄向坡度计算公式,利用ArcMAP、SPSS和Excel等软件进行了室内数据分析统计,结果表明:平原区、丘陵区、山区的平均地面坡度分别为1.92°,6.20°,8.27°;平均垄向坡度分别为1.33°,4.52°,6.45°,分别为平均地面坡度的70%,73%,78%;垄作坡度引起的平均土壤流失相对量分别为地面坡度的55%,69%,67%,垄作的相对水土保持效益明显。在此基础上,对垄作现状的原因进行了分析,并提出一些改进措施。研究成果有助于了解东北黑土区不同地形耕地垄作方向的分布情况及其水土保持效益状况,对当地水土保持措施的布设也具有重要的指导意义。     

农业耕作措施蓄水保土效益试验研究

坡耕地由于人为耕作管理作用,造成地表高低起伏,影响着坡面地表径流和产沙。在室内人工降雨试验基础上,分析了坡面耕作措施的蓄水保土效益。等高耕作蓄水效益为70．56％～10．07％,平均值为51．58％,保土效益为76．60％～21．66％,平均值37．73％。同时分析了坡度和雨强对坡面耕作措施蓄水保土效益的影响,以期服务于坡耕地治理。     

粗质地土壤坡度和前期含水量对土壤侵蚀的影响

利用野外模拟降雨试验,研究了粗质地土壤裸地和苜蓿地在不同坡度(5°,15°,25°)、不同前期含水量(低、中、高)条件下坡面降雨产流、产沙的过程及其特征,以此探究该区退耕还草效益。结果表明:3种坡度条件下裸地和苜蓿地的产流过程在不同前期含水量下均为先增大后趋于稳定,不同坡度之间的径流量差异不显著,但泥沙流失量随着坡度的增大而显著增加,在降雨过程中先增大达到峰值趋于稳定波动,裸地的波动幅度大于苜蓿地。2种处理的前期含水量对径流量以及平均入渗率的影响均达显著水平,裸地在相同的坡度下,前期含水量由低水平增加到中水平、低水平增加到高水平,径流量分别增加38.2%~52.8%,39.7%~42.8%,苜蓿地径流量分别增加27.3%~77.8%,45.5%~91.1%。坡度对泥沙流失量及含沙率影响显著,在相同的前期含水量下,裸地由5°增加到15°,15°增加到25°的泥沙流失量分别增加96.3%~268.7%,6.9%~40.3%,苜蓿地的泥沙流失量分别增加81.1%~384.2%,61.7%~169.9%。在相同坡度和前期含水量下,苜蓿地的径流量和泥沙流失量均显著低于裸地。研究结果表明粗质地土壤前期含水量和坡度显著影响坡地土壤侵蚀过程和总量,植被不但因为冠层拦截而减少径流,而且因为耗水量增加,降低了土壤前期含水量而减水减沙。     

基于重标极差（R/S）和小波分析的黄土坡耕地产流产沙变化研究

为探明降雨条件下黄土坡耕地微地形径流和泥沙变化规律,通过5°、10°、15°、20°、25°坡和直线坡、人工锄耕、人工掏挖、等高耕作4种耕作方式组合条件下的室内模拟降雨试验,应用基于分形理论的重标极差(R/S)分析法对径流和泥沙时间序列的变化趋势进行预测,同时使用小波(Morlet)分析对各径流和产沙序列的变化主周期进行识别.结果表明:径流序列的赫斯特指数变化区间为[0.567,0.798],产沙量时间序列的赫斯特指数变化区间为[0.632,0.861],两者均大于0.5,呈现长程正相关.因此,坡耕地下一时段的径流量和产沙量时间序列与过去时段变化趋势相同;4种耕作措施的径流量最大峰值均出现在28~29 min,部分耕作措施的产沙量序列可能存在30 min以上的长周期,需要更长的时间序列验证.用R/S分析法结合小波分析,预测未来的产流产沙趋势,结果具有可靠性.该研究丰富了径流和泥沙输移理论,对农业生产和水土保持等方面研究具有指导意义.     

不同雨型下紫色土区坡耕地产流产沙特征

利用遂宁水土保持试验站5个径流小区1984—2015年次降雨和径流输沙数据,基于降雨过程定量划分出4种雨型,分析了雨型对不同坡度坡耕地产流产沙的作用。结果表明:径流深与各时段最大雨强均呈极显著相关(p0.01),随着坡度的增加,最大相关系数所对应的雨强时段越短;冲刷量均与Ⅰ平均呈极显著相关,且相关系数最大。径流深、冲刷量与雨强拟合关系均为幂函数,分别为"凸型"和"凹型"增函数,且拟合度区间分别为[0.79,0.88]和[0.90,0.97],说明冲刷量和雨强的关系更密切。各雨型下的产流产沙量随坡度的增大而增大,同一坡度下基本表现为雨型Ⅳ(短历时、大雨强)雨型Ⅲ(中历时、中雨强)雨型Ⅱ(长历时、中雨强)雨型Ⅰ(长历时、小雨强),其中,雨型Ⅳ明显大于雨型Ⅰ且达到显著水平(p0.05),且在15°小区的响应最为明显。雨型Ⅳ是造成该区坡耕地水土流失的主要降雨类型,且径流深和冲刷量随坡度的增大而增加,故应在水土保持工作中着重采取相应措施进行防治。