坡度与降雨强度对植物路路面侵蚀动力参数的影响

通过人工模拟降雨试验,研究了不同坡度和降雨强度条件下植物路的水沙响应过程及机制.结果表明:植物路和裸露路面的径流水力学参数流速、径流深、雷诺数、弗劳德数和过水断面单位能量均随坡度和降雨强度的增大而增大;而Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数则随坡度的增大而增大,随降雨强度的增大而减小.在相同坡度和降雨强度条件下,植物路路面径流的流速、雷诺数、弗劳德数和过水断面单位能量比裸露路小,而径流深、Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数均比裸露路大.在不同坡度和降雨强度条件下,植物路径流量与径流时间均符合双曲线移轴模型关系,而输沙率与径流时间符合三阶对数关系.植物路减沙效益明显大于减水效益,并且减水和减沙效益均随着坡度和降雨强度的增大而减小,因此在建设植物路时应同时考虑坡度和当地降雨强度的影响.     

黄土丘陵区土质路面与植物路侵蚀过程及其防蚀效应模拟试验研究

针对黄土高原严重的道路侵蚀问题,通过室内人工模拟降雨及人工放水试验,对黄土山坡土质路与植物路侵蚀过程进行了研究,并对比分析了植物路与土质路的侵蚀过程差异及其减水减沙效应.研究结果表明,在相同的试验条件下,植物路侵蚀过程呈逐渐减弱趋势,可用对数函数进行描述;而土质路侵蚀过程呈非稳定现象;植物路具有明显的蓄流减蚀作用.     

草本植物对土质路面径流水动力学特征及水沙过程的影响

通过室内人工模拟降雨,研究了草本植物不同覆盖度土质路面的径流水动力学特征以及路面的产流产沙过程。结果表明,路面径流的弗劳德数和雷诺数属层流的急流范畴,并且二者与径流流速及过水断面单位能量相同,均随草本植物覆盖度的增大而减小。而Darcy-weisbach阻力系数以及曼宁糙率系数则均随覆盖度的增大而增大。在不同覆盖度土质路面上,径流量随径流时间急剧增大后趋于稳定,且二者符合移轴双曲线关系,而输沙率则经历了先增大后减小的过程。随着植被覆盖度的增大,土质道路的水分入渗率逐渐增大,而径流量、输沙率及含沙率均逐渐减小。该研究表明土质路面种植的草本植物具有较好的水土保持功能,为阐明草本植物与土壤侵蚀的关系提供了理论依据。     

黄土丘陵区山坡道路防蚀措施设计与效益分析

针对黄土丘陵区山坡道路侵蚀问题,提出了以工程措施和林草措施相结合的山坡道路防蚀工程配置方案、布设原则等,包括工程措施中路面起拱,路边布设蓄水池、蓄水窑窖和截水沟等配置方案和路面种草的草种选择.多年野外实地调查与路面路段监测的结果表明,工程示范路段蓄水池、窑窖和植物措施的综合配置使山坡道路侵蚀模数减少了40%～82%.植物措施示范路段在次暴雨强度下较裸露地面道路侵蚀模数减少了58%～70%,径流减少了50%～69%.路面起拱、蓄水槽、窑窖、截水沟、植物措施的综合配置可以有效地防止山坡道路侵蚀.     

坡沟系统水动力因子的坡长效应研究

基于可调控的放水冲刷试验,建立黄土高原典型沟壑区坡沟系统试验模型,研究不同放水流量和坡长条件下坡沟系统各过水断面水动力参数的变化特征,为研究坡沟系统水蚀过程作用机理提供科学依据。通过室内放水冲刷试验,采用5个放水流量(6,8,10,12,14L/min)和3个坡长(4,6,8m)研究坡沟系统侵蚀动力因子的坡长效应。结果表明:坡沟系统中沿程各过水断面的雷诺数随放水流量的增大而增大,且不同放水流量和坡长条件下坡面雷诺数明显大于沟道。弗劳德数在坡沟系统中沿程变化过程中逐渐增大,且沟道增长速率明显大于坡面;不同坡长条件下放水流量为10L/min时,弗劳德数远大于其他放水流量。相同放水流量条件下,沟道的径流流速明显大于坡面,坡沟系统的坡面径流流速相对沟道明显稳定且变化范围较小。不同坡长条件下放水流量为10L/min时沿程阻力系数值从2号断面急剧减小到0.03~0.05范围之内,且远小于其他放水流量下同断面的阻力系数值;相同放水流量条件下(除10L/min外),坡长越小,坡面和沟道的波动性相对越小,且坡面处的波动值大于沟道。径流侵蚀功率与雷诺数、弗劳德数、流速显著相关,与雷诺数呈对数函数关系,而与弗劳德数、流速和沿程Darcy-Weisbach阻力系数值呈幂函数关系。研究结果表明,坡长能够影响坡沟系统中坡面和沟道的侵蚀动力因子,并对坡面和沟道沿程侵蚀能量削减和增加效应研究提供重要的科学依据。     

黄土高塬沟壑区植物路面与土质路面水动力参数特征对比

 黄土高塬沟壑区道路侵蚀异常严重,给农业生产与农产品运输造成了极大不便,目前情况下植物路是防治道路侵蚀最经济有效的方式。通过野外放水冲刷试验,系统对比分析了植物路与土质路土壤剥蚀率与各水动力参数间的关系。结果表明:3°9°的植物路较土质路平均减沙64.68%;道路侵蚀剥蚀率与各水力学参数之间具有很好的相关性,其中水流功率与土壤剥蚀率相关性最高;土壤剥蚀率与水流剪切力呈幂函数关系,与水流功率和单宽能耗呈线性关系。研究结果对深入揭示植物路防蚀机制有重要意义。     

三峡库区等高植物篱的控蚀效益及其机制

 水土流失是影响长江中上游地区社会、经济持续发展的关键限制因素。等高植物篱农作措施具有很好的控制土壤侵蚀功效,但还缺乏较为系统的定量研究。根据1993年在三峡库区典型流域建设的5个植物篱小区,对径流、土壤侵蚀的多年连续观测数据分析,结果表明:4种试验植物篱均有很好的水土保持效果,从植物篱栽植的第4年起,水土效益呈现出较为稳定的态势。同对照相比,植物篱小区土壤侵蚀量下降18·4%～70·0%,径流下降幅度为17·2%～70·8%。马桑、黄荆较香根草、新银合欢有着更为突出的控制侵蚀效果,但不同植物篱之间水土保持效益的差异没有达到统计显著水平。植物篱小区内,局部的径流流速变化是导致侵蚀产沙变化的根本原因,即在植物篱条带的上坡位置,径流流速下降,而在条带的下坡位置,径流流速增加。经过流速的一减一增,使得在小区出口的径流流速及径流量同对照小区相当的情况下,条带上坡位置由于流速下降,径流携沙能力下降,而导致泥沙侵蚀本身的减少和已经侵蚀泥沙的淤积,并最终使侵蚀量大幅下降。     

模拟降雨条件下不同砾石含量工程边坡土壤侵蚀及水动力学特征

[目的]探究砾石含量对急陡工程边坡土壤侵蚀及流水力学特征的影响。[方法]采用室内模拟降雨试验和人工制备土壤等方法,研究了在3种降雨强度(40,60,80 mm/h),5种砾石含量(3%,15%,35%,55%,75%)条件下50°工程边坡土壤侵蚀率变化特征以及土壤侵蚀率与各水动力学参数的关系。[结果]①40,60,80 mm/h雨强下,各砾石含量坡面径流率较土质坡面分别减少了10.1%～55.9%,13.9%～41.9%,19.6%～47.7%;径流剪切力、径流功率、过水断面单位能分别与砾石含量呈显著递减的线性函数、指数函数、幂函数关系。②坡面侵蚀率随着砾石含量的增加而减小,不同试验雨强下侵蚀率大小及变化过程具有明显差异。当雨强为40 mm/h时,坡面整体产沙率较低,随降雨过程整体呈现出缓慢增加的趋势;当雨强为60 mm/h时,不同砾石含量下侵蚀率迅速增加后呈波浪式缓慢上升或平稳下降的趋势;当雨强为80 mm/h时,砾石含量为3%条件下,坡面侵蚀率迅速增长后增速降低,当砾石含量大于15%时,边坡侵蚀率达到峰值后均开始缓慢下降。③工程边坡土壤侵蚀率与径流率、径流剪切力、径流功率、过水断面单位能均呈显著线性函数、对数函数、幂函数关系。[结论]工程边坡土壤中的砾石具有抗侵蚀作用,随着砾石含量的增多,坡面土壤侵蚀量和各水动力学参数均明显降低。     

工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力学过程

工程堆积体产生的新增水土流失严重威胁工程建设区及其附近区域的生态安全。该文采用野外放水冲刷试验的方法,对神木-府谷高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力过程进行了研究,结果表明,1）水流剪切力、水流功率及径流动能对薄层水流侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率、过水断面单位能量的影响不显著;2）水流剪切力、水流功率、过水断面单位能量对细沟侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率的影响可用幂函数方程描述,径流动能的影响可用对数线性方程描述;3）水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数,是坡面侵蚀的动力根源;4）发生细沟侵蚀的临界水流功率为3 N/(m·s),细沟可蚀性参数为8×10-3 s2/m2。该结果可为工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础,为生产建设项目区新增水土流失治理提供科学依据。     

降雨强度和坡度对黑土区土质道路路面侵蚀特征的影响

选取3种东北黑土区有代表性的侵蚀性降雨(60,90,120mm/h)和3个典型坡度(3°,5°和7°),采用模拟降雨试验方法,研究不同降雨强度和坡度下黑土区土质道路路面径流量、侵蚀量以及产流产沙过程的变化特征。结果表明:不同降雨强度和坡度试验处理的径流量主要变化于56.3~61.8mm;而路面侵蚀速率随降雨强度和坡度的增加分别增大1.8~11.0倍和1.2~10.0倍,且二者相互促进,共同影响土质道路路面土壤侵蚀。此外,降雨强度对黑土区土质道路路面产流率变化过程的影响明显,而坡度的影响较小。随着降雨强度和坡度的增加,含沙量均明显增大,且波动幅度逐渐增强。可见,降雨强度和坡度对黑土区土质道路路面侵蚀影响显著,可以通过消减雨滴动能以及改变路面性质防治道路水土流失。     

不同覆盖位置下草地坡面水流路径长度变化特征

为深入探索植被覆盖及其格局的减水减沙的水动力学过程及其机理,该研究利用室内放水冲刷试验,分析了不同植被盖度及其覆盖位置在不同冲刷流量下水流路径长度的变化,以及水流路径长度与植被覆盖度、水动力学参数和产流产沙量之间的关系,探讨坡面水流路径长度作为表征植被格局参数的可行性。结果表明:1)植被覆盖度可有效影响水动力参数的变化,并且随着植被覆盖度的增加,流速和单位水流功率呈线性减小趋势(P0.01);而糙率系数、阻力系数和径流剪切力则呈指数增加趋势(P0.01)。坡面水流受阻可能性增加,动能减弱,进而导致产流产沙量不断减少,并且冲刷流量越大,减小幅度越大。2)在不同冲刷流量下,水流路径长度与植被覆盖度、水动力参数和产流产沙量之间均存在显著的相关关系(P0.01)。同时随着水流路径长度的增加,一方面,流速和单位水流功率呈对数式上升,坡面水流动能增强;另一方面糙率系数、阻力系数和径流剪切力分别呈对数式和指数式减小,坡面阻滞能力下降,水流侵蚀力增强。最终导致坡面侵蚀状况发生变化,产流产沙量呈对数式增加。因此,水流路径长度可作为反映植被减水减沙的动力学过程和预测坡面产水产沙的参数之一。该研究为深化理解植被格局与水文连通性的作用关系,建立合适的植被格局表征和植被减蚀效应评价提供依据,以期增强地区生态环境的质量和稳定性,为现代化农业发展,特别是保障农业生产环境做出贡献。     

黄土区薄厚层浮土土质道路降雨侵蚀过程差异

土质道路经长期碾压产生了大量浮土,加剧了道路侵蚀。本文通过人工模拟降雨试验,研究不同雨强及坡度条件下薄层1.0 cm和厚层4.0 cm浮土土质道路的产流产沙特征。根据侵蚀物质的差异,将浮土道路侵蚀过程分为单独浮土侵蚀阶段和浮土、道路混合侵蚀阶段。结果表明:(1)浮土侵蚀阶段、混合侵蚀阶段薄层浮土平均径流率为厚层浮土的1.01倍~1.52倍、1.26倍~2.44倍。2.5 mm·min^–1雨强时3个坡度下的平均次降雨产流量为43.44 L,较1.0~2.0 mm·min^-1雨强提高37.36%~82.05%;(2)混合侵蚀阶段16°坡面平均含沙量均值为227.30 g·L^-1,为4°和8°的2.14倍和1.37倍。小雨强(1.0、1.5 mm·min^-1)时厚层浮土次降雨产沙量为薄层浮土的1.39倍~2.14倍;大雨强(2.0、2.5 mm·min^-1)时薄层浮土次降雨产沙量为厚层浮土的1.14倍~1.67倍。1.0 mm·min^-1雨强时3个坡度下的平均次降雨产沙量为2.08 kg,占1.5~2.5 mm·min^-1雨强的23.57%~68.59%;(3)混合侵蚀阶段及次降雨过程薄层浮土含沙量与径流率相关性较厚层浮土均增强。结果可为黄土区浮土道路侵蚀防治工作的开展提供科学依据。     

非硬化路面与原生地面侵蚀水动力参数对比研究

非硬化路面是神府煤田重要的侵蚀单元,其侵蚀过程和方式与原生地面存在一定差别。通过野外人工模拟降雨试验,对比分析了非硬化路面和原生地面水沙响应的过程和机制。结果表明:(1)非硬化路面径流主要为过渡流,原生地面主要为层流,且均为缓流;(2)非硬化路面水流流速、剪切力、佛汝德数、雷诺数、功率大于原生地面,曼宁系数、达西系数小于原生地面;(3)非硬化路面水力参数随坡度、雨强变化趋势与原生地面不完全一致;(4)非硬化路面产沙量随径流量增大,原生地面产沙量为非硬化路面的0.8%~14%;(5)非硬化路面侵蚀模数对水动力参数响应紧密程度表现为:径流总动能平均水流功率平均水流剪切力。     

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。     

农村土质道路路面形态对道路侵蚀的影响

路面形态作为道路微结构的表现形式,改变道路降雨侵蚀特征,对调节道路系统水沙传递过程有重要意义。本文以拱形、侧向形、平直形、凹形等4种常见路面形态为研究对象,通过室内模拟降雨试验,研究坡度（5°、10°、15°）及路形差异下,道路侵蚀特点。结果表明：路形对产沙的影响高于产流,路形通过改变路面径流的水力学特征来改变产沙特性;在坡度10°和15°时,凹形路面径流流态为急流,流速最大,土壤侵蚀率显著高于其他路形,且侵蚀泥沙颗粒粒径较大;在坡度5°和10°时,拱形和平直形路面水流流态为缓流,拱形路面产流产沙能力最弱,抵抗降雨侵蚀的能力最好。凹形和平直形路面对坡度的敏感性较高,随着坡度提升,产沙量和水流能量均有大幅提高,坡度对拱形和侧向形影响较弱。路形差异导致侵蚀特征迥异,在道路设计建设过程中,科学的路形搭配和“路-渠”组合能有效防治道路侵蚀,降低道路建设对生态环境的影响,该研究可为农村低等级道路建设和维护提供参考。     

坡面草被覆盖对侵蚀产沙影响的模拟试验

为了探究坡面植被及其布设位置对坡面侵蚀动力过程的影响,通过室内放水冲刷试验,分析了不同植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)和不同坡面覆盖位置(坡上、坡中和坡下)下的坡面产沙及其水动力学参数的变化。结果表明:植被覆盖度、径流动能、径流流速、弗汝德数、阻力系数、糙率系数、剪切力等与坡面侵蚀产沙量密切相关。随覆盖度的增加,径流流速、径流剪切力、单位水流功率和径流动能逐渐降低,曼宁糙率系数和阻力系数逐渐增加,产沙量呈直线下降。当覆盖度从0增长到50%时,植被的减沙效益显著提高,当盖度增加到70%时,植被保持水土的作用不随覆盖度的增加显著提高,不同坡面覆盖位置下坡面侵蚀产沙表现为植被位于坡面中下部的产沙量小于植被位于坡面上部的,可用包含植被覆盖度、单位水流功率和径流动能等参数建立的联合公式模拟预测坡面侵蚀产沙量。研究结果可为阐明植被减沙的临界盖度和合理位置以及黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供参考。     

上方来水来沙对浅沟侵蚀产沙及水动力参数的影响

 浅沟侵蚀是黄土高原重要的侵蚀类型,上方汇水对坡面浅沟侵蚀具有重要的影响。采用野外放水冲刷试验,定量分析26°坡耕地在上方来水量为5、10和15L/min时对坡下方浅沟侵蚀产沙及其水动力参数的影响。结果表明：上方来水的汇入使浅沟水流流速明显增大,雷诺数、弗劳德数、水流功率和剪切力分别增大33%～76%、21%～47%、29%～72%和18%～42%,阻力系数减少11%～13%,导致浅沟侵蚀产沙量明显增大;除流速和弗劳德数外,其余水动力参数随放水时间的延长呈递增趋势;上方来水使浅沟侵蚀产沙量相对增量与水流功率和剪切力相对增量均呈幂函数关系。     

覆沙坡面水动力学参数与径流产沙的关系

坡面流水动学特征对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,通过模拟降雨试验,定量研究了1.5 mm/min雨强下,不同覆沙厚度(0.5、1.0、1.5 cm)下坡面水动力学参数的时空分布特征及其与产流产沙的关系,以期揭示坡面水动力学参数的内在规律性。结果表明,坡面流的水动力学参数的时空分布呈波动趋势,与黄土坡面相比,雷诺数增加了0.39~1.03倍,佛罗德数增加了0.05~0.29倍,阻力系数增加了0.05~1.55倍;覆沙坡面在整个降雨过程中主要以层流—急流为主,细沟形成主要发生在产流后第10 min后,主要集中在1~10断面处(从坡底依次向上每1 m划分为一个断面);坡面产流和产沙速率与各水动力学参数均可用y=ax+b来描述,雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。此研究可为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学依据。     

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。