植被和梯田措施对坡沟系统细沟侵蚀调控作用

坡沟系统作为黄土丘陵沟壑区基本的地貌单元,也是黄土高原侵蚀泥沙的主要来源区。植被和梯田作为坡面水土流失治理的主要措施,对于土壤侵蚀控制和生态恢复发挥着重要的作用,定量评估林草、梯田对坡面细沟侵蚀的调控作用以及多措施协同配置问题对于黄土高原水土流失治理和生态保护具有重要意义。为了揭示植被和梯田的格局和配置对坡沟系统细沟侵蚀的协同调控作用,该研究采用人工模拟降雨,结合三维激光扫描技术,分析了坡面4种措施：上坡位植被（措施A）、下坡位植被（措施B）、梯田（措施C）、梯田+植被（措施D）对细沟侵蚀发生和演变过程的影响。结果表明：1）相同植被覆盖度下,下坡位的植被布设细沟最大长度较上坡位的植被布设细沟最大长度减小量更大;2） 第1次降雨中,侵蚀率最大值达到3 500 g/min以上,第2次降雨过程中侵蚀率最大值仅为1 100 g/min以上,在各产流时间内第2次降雨侵蚀率均为第1次降雨侵蚀率的1/3～1/2;3）对于各措施下细沟沟长发育率由大到小表现为措施A（6.55 cm/min）、措施C（5.71 cm/min）、措施B（3.60 cm/min）、措施D（2.69 cm/min）;4）梯田与植被同时布设（措施D）对于细沟侵蚀的调控作用优于单一措施（措施B和C）,梯田和植被对细沟侵蚀指数细沟侵蚀量、细沟面积、细沟密度产生了协同作用（分别为7.71%、13.76%、7.52%）。研究可为黄土高原坡沟治理措施配置和细沟侵蚀调控提供一定的科学参考依据。     

饱和状态下黄绵土坡面细沟侵蚀可蚀性和临界剪切应力特征

土壤可蚀性参数和临界剪切应力是评价土壤易侵蚀程度和抗水流剪切变形能力的重要指标,目前在黄绵土坡面细沟侵蚀过程中,土壤饱和条件下可蚀性参数和临界剪切应力的变化尚不明确。该研究采用室内土槽模拟冲刷试验确定不同坡度（5°、10°、15°、20°）和流量（2、4、8 L/min）下饱和黄绵土坡面的最大细沟剥蚀率,基于数值法、修正数值法和解析法计算土壤可蚀性参数和临界剪切应力。结果表明,3种方法所得最大细沟剥蚀率均随坡度和流量增加而增大,其中修正数值法和解析法计算的最大细沟剥蚀率更接近。土壤可蚀性参数分别是0.485、0.283和0.268 s/m,土壤临界剪切应力分别为1.225、1.244和1.381 N/m2。修正数值法可提高数值法近似计算的精度,使近似计算结果更接近解析法计算获得的理论值。饱和较未饱和黄绵土的土壤可蚀性参数略有减小（16.83%）,而临界剪切应力减小了66.97%,表明土壤饱和对黄绵土土壤可蚀性参数影响很小,但大幅度削弱了土壤临界剪切应力,使得黄绵土坡面饱和后土壤侵蚀更为强烈。此外,饱和黄绵土边坡的临界剪切应力比饱和紫色土坡面大6.38%,而细沟可蚀性参数大2.35倍,表明土壤饱和对2种土壤临界剪切应力影响程度相似,但黄绵土较紫色土对土壤侵蚀的敏感性更高。研究结果可为饱和状态下不同土壤坡面细沟侵蚀模型参数的优化提供参考。     

不同规格鱼鳞坑坡面侵蚀过程及特征研究

探究不同雨强下鱼鳞坑措施的坡面侵蚀规律及特征,对进一步明晰该措施的径流泥沙调控机制具有重要意义。该研究采用小区模拟降雨试验,研究3种雨强(40,70和100 mm/h)条件下2种规格鱼鳞坑坡面的蓄水保土效益及侵蚀过程,并探讨鱼鳞坑坡面水沙特征及其与细沟形态之间的关系。结果表明,鱼鳞坑的径流泥沙调控作用明显但也存在阈值,在措施被冲垮前,各处理减流效益和减沙效益分别为66.02%~82.20%和85.77%~91.91%;平均径流强度和输沙速率分别为平整坡面的18.87%~33.21%和10.04%~15.38%;当鱼鳞坑被冲垮后,坡面产流量和产沙量分别为平整坡面的1.00~1.22倍和1.39~3.53倍,其平均径流强度和输沙速率分别为鱼鳞坑冲垮前的4.60~7.46倍和13.70~16.75倍。鱼鳞坑坡面径流含沙率在措施冲垮前后的差异较大,水沙关系线性拟合的斜率在措施被冲垮前为0.020和0.035,而冲垮后斜率为0.205和0.231,同时坡面总产沙量和峰值产流产沙量与细沟形态显著相关。因此,鱼鳞坑措施对坡面产流产沙特征及形态的影响在其调控阈值前后有较大差异。研究可为鱼鳞坑坡面水土流失的研究可为区域水土保持措施配置及管理提供相应的依据。     

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。     

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。     

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。