藏东南高寒土坡面细沟水流输沙能力变化特征

为探究高寒土坡面细沟侵蚀过程机理,建立科学的坡面细沟输沙能力因子模型,服务高寒坡面水土流失治理工作,以藏东南高寒土壤为研究对象,采用室内径流放水冲刷试验,探讨不同流量和坡度条件下细沟水流输沙能力特征。结果表明：（1）高寒土坡面细沟水流输沙能力的临界坡长随输沙能力的增加而变短,范围为3.27~8.31 m;坡度在15°~25°时,临界坡长大约稳定在5.0 m;（2）不同坡度下,高寒土细沟水流输沙能力与流量表现为明显的线性正相关关系（T_c=Aq）;小坡度的输沙能力受流量的影响程度大于大坡度;（3）高寒土细沟水流输沙能力与坡度可以用指数方程较好地表示（T_c=-ae^（-S/b）+c）,输沙能力随坡度的增大先快速增大,后逐渐过渡到平稳,当坡度达到15°时增幅平缓;（4）坡面细沟水流输沙能力可以用二元幂函数方程T_c=1697.83S^0.491q^1.043表示。通过本模型与其他模型的比较分析,ANSWERS模型在计算高寒土的坡面细沟水流输沙能力还值得商榷,本试验模型、Lei模型与Gao模型均能较好地模拟高寒区细沟侵蚀输沙能力。     

喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对产流产沙过程的影响

为明确喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对坡面产流产沙过程的影响,在6个岩石与坡面夹角(30°,60°,90°,120°,150°,180°)、3个坡度(10°,15°,20°)和3个流量(5,7.5,10 L/min)组合条件下,开展室内放水冲刷试验。结果表明:(1)地表产流率随冲刷历时呈先增加后稳定的趋势,而含沙量和地表产沙率随冲刷历时均呈波动性减小趋势;(2)各岩石与坡面夹角下,地表产流率无显著差异(P＞0.05);但含沙量与地表产沙率均差异显著(P＜0.05),表现为含沙量和地表产沙率在60°夹角下与30°和120°夹角下差异不显著(P＞0.05),但显著高于90°,150°和180°条件下的含沙量和地表产沙率(P＜0.05);(3)地表产流率与含沙量在60°,90°,120°夹角下均呈显著幂函数正相关(R²=0.32~0.56,P＜0.05),而在其他夹角下二者关系不显著(P>0.05)。地表产流率与地表产沙率在60°,90°,120°,150°,180°夹角下呈显著线性正相关(R²=0.35~0.86,P＜0.05)。研究表明喀[JP]斯特槽谷区岩石与坡面呈一定夹角时,可加剧坡面产沙,并改变产流与产沙关系。     

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。     

细沟侵蚀动力过程极限沟长试验研究

由细沟产生的野外动力条件,设计了室内细沟侵蚀模拟冲刷实验。从能量角度,分析了不同动力条件下侵蚀产沙量随沟长的变化规律。采用黄土高原黄绵土,在实验室内用水槽进行了5种坡度、3种流量下不同沟长时的细沟土壤侵蚀产沙的模拟侵蚀试验,测量沟长为0.5～8m。提出了由细沟侵蚀产沙随沟长变化函数关系的回归结果,在给定误差限下,估计水流含沙量达到极限值——水流输沙能力的细沟长度的计算方法。并据此方法,求得了不同坡度、流量条件下细沟侵蚀产沙达到极限值的细沟长度,且在不同水动力条件下的R²均大于0.81。     

喀斯特高原山地土壤抗冲性与土壤物理性质的关系

为探究喀斯特高原山地不同土地利用类型土壤抗冲性及其与土壤物理性质的关系,以马尾松人工林地(PMP)、桂花人工林地(OFP)、天然乔灌混交林地(ASL)、天然草地(NGL)、撂荒地(AL)、农地(CL)为研究对象,采用原状土水槽冲刷试验法,根据研究区地形及气候特点,设置3个坡度(5°,15°,25°),3个冲刷流量(3.2,4.8,6.4 L/min),冲刷时间均为15 min,结合土壤物理性质(容重、孔隙度、水稳性团聚体、机械组成等),定量分析不同土地利用类型下土壤抗冲性及其与土壤物理性质的关系。结果表明:(1)在原状土冲刷试验过程中,各地类初始径流含沙量较高,但随着冲刷时间的延长,径流含沙量呈先降低后趋于稳定趋势,且随着坡度和冲刷流量的增大,径流含沙量趋于稳定的时间有所提前;(2)土壤抗冲系数随坡度和冲刷流量的增大而减小,且坡度对土壤抗冲性的影响比冲刷流量更明显。在同等条件下,各地类土壤抗冲系数依次为NGL＞PMP＞ASL＞AL＞OFP＞CL,土壤抗冲系数分别为13.44~87.84,[JP]8.14~93.15,2.93~45.36,1.21~10.01,1.25~5.48,0.17~1.27(L·min)/g;(3)土壤抗冲性与土壤容重、砂粒含量、水稳性团聚体含量呈极显著正相关(P＜0.01),与总孔隙度、黏粒含量呈显著负相关(P＜0.05),其关系均可用幂函数表示(R²＞0.78)。研究结果可为喀斯特区土壤侵蚀研究和水土保持防治提供科学依据。     

坡形对黑土区坡耕地土壤侵蚀的模型模拟研究

为探究黑土区不同坡形下的土壤侵蚀特征,基于黑龙江省粮食沟小流域9个耕地径流场侵蚀产沙数据,采用WEPP (Water Erosion Prediction Project)模型进行土壤侵蚀预报与情景模拟。结果表明:径流量和产沙的整体模拟效果较好,径流量决定系数(R²)与纳什系数(NSE)分别为0.71和0.60,产沙决定系数(R²)与纳什系数(NSE)分别为0.61和0.50,表明该模型对该区土壤侵蚀模拟具有较好的适用性。而模型模拟精度则随坡度增大而减小,在3°,5°和8°坡度下,泥沙模拟的NSE分别为0.60,0.55和0.48,R²分别为0.65,0.61和0.60,这与较陡坡度条件下坡面细沟发育有关;径流量在不同坡度坡形下无明显差异,相同降雨、不同坡形下的径流差异普遍在10%以内,而产沙量在不同坡度坡形上呈现较大差异,相同降雨、不同坡形下的产沙差异普遍在20%左右,最高可达到90%以上;同一坡度条件下,直形坡的土壤侵蚀强度最大,次之为凸形坡,而"S"形坡的土壤侵蚀强度最小。该研究结果可以为我国东北黑土区水土保持措施提供科学依据。     

黄土高原水蚀风蚀交错区风沙土细沟分离能力探究

细沟侵蚀产沙是黄土高原水蚀风蚀交错区坡面侵蚀产沙的主要来源,明确该区细沟侵蚀过程特征及其影响因素,对有效防控入黄泥沙和维护流域安全具有重要的科学意义和实践价值。选取水蚀风蚀交错区下垫面典型风沙土为研究对象,通过不同流量(3,5,7,9,11 L/min)、不同坡度(9°,12°,15°,18°,21°)组合下的室内水槽冲刷试验定量揭示风沙土细沟分离过程对坡度、流量以及流速的响应关系,并建立分离能力方程。结果表明:(1)分离能力对坡度和流量的响应均呈线性正相关关系,且相关性极显著。流量对风沙土分离能力的影响大于坡度。除了受到坡度、流量的影响,分离能力还受到坡度和流量叠合作用的影响,这3种因子对分离能力影响由强到弱依次为流量、坡度和流量的叠合作用、坡度,且分离能力与这3种因子的关系可用线性正相关关系表示。(2)流速可作为反映坡度和流量之间叠合作用的关键因子。细沟分离能力对流速的响应呈显著线性正相关关系,试验条件下,临界流速为0.607 m/s。(3)坡度与流量组合下,坡度、流量与坡度和流量叠合作用组合下,单个流速因子下以及坡度、流量与流速因子组合下的4个分离能力方程均能较好地预测和模拟风沙土的分离能力,其中考虑坡度、流量以及坡度和流量叠合作用的方程拟合效果最佳。该研究结果可为完善水蚀风蚀交错区细沟水蚀过程模型提供一定的理论基础。     

饱和与非饱和黄绵土细沟径流水动力学特征及侵蚀阻力对比

近地表水文状况显著影响坡面土壤侵蚀过程。土壤饱和状态作为一种特殊的近地表水文状况,其细沟侵蚀特征较之非饱和状态存在明显的差异。以黄绵土为研究对象,采用限定性细沟模拟冲刷,对比研究了饱和与非饱和状态下黄绵土的水动力特征和侵蚀阻力。结果表明:饱和黄绵土径流流速与坡度、流量之间符合良好的幂函数关系,坡度对流速的影响更甚;饱和黄绵土径流流速约为非饱和黄绵土的1.17倍,其坡面摩擦阻力仅为非饱和黄绵土的70.3%;同种工况下,非饱和黄绵土的径流含沙量和细沟径流动能明显偏低,随着径流动能增大,2种土的径流含沙量均呈现对数型增长,径流含沙量峰值稳定在400,280kg/m~3内;饱和与非饱和黄绵土的细沟可蚀性参数分别为0.088,0.057kg/(m~2·s),相应的土壤临界剪切力分别为0.773,1.561Pa,表明饱和黄绵土更易剥蚀、流失。     

重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。     

黄绵土坡面细沟侵蚀剥蚀能力试验

为研究黄土坡面细沟侵蚀规律,探究水流剥蚀能力的室内测算方法,以黄绵土为研究对象,设置2,4,6,8 L/min 4个流量,5°,10°,15°,20°4个坡度,土槽长度为12 m,进行室内径流冲刷试验,得到黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长和输沙能力,基于二者之间的函数关系,推导出剥蚀能力的计算公式,以此研究不同试验条件下临界沟长、输沙能力和剥蚀能力的变化规律,并验证方法的准确性。结果表明：在设计水力工况条件下,黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长的变化范围在5.33～11.12 m,且临界沟长随流量和坡度的增加而缩短;输沙能力随流量和坡度的增大而增大;剥蚀能力与流量之间存在明显的线性关系,与坡度之间存在较好的对数关系。试验方法与其他方法相比,操作便捷、结果吻合度高,能较好地确定黄土区细沟侵蚀的剥蚀能力。研究结果可进一步完善黄土坡面细沟侵蚀理论。     

不同坡度坡面径流输沙能力对集中流流量变化的响应

坡面水流的输沙能力是影响土壤侵蚀过程的重要参数之一,加强坡面集中水流输沙能力的研究有助于深入理解集中流发生机理,并为防治集中流侵蚀发生提供科学依据。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,研究了集中流输沙能力与放水流量和坡度以及与单宽流量和坡度之间的关系,同时对集中流水力参数和输沙能力的相应关系进行了研究。结果表明:集中流输沙能力随着坡度和放水流量的增加而增加。多元统计分析建立输沙能力与坡度和放水流量之间的幂函数关系发现坡度指标对输沙能力相对放水流量影响更大,而在坡度和单宽流量作用下,由于集中流在大坡度时汇集作用的影响下,坡度指标影响减小。水流功率是描述集中流输沙能力最好的水动力学参数,其次为单位水流功率和水流剪切力,过水断面单位能描述效果最差。总体来说各水动力学参数均能够较好地拟合描述集中流输沙能力。     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

细沟侵蚀动力过程输沙能力试验研究

细沟水流的输沙能力是土壤侵蚀的重要参数之一,对于土壤侵蚀预报和土壤侵蚀过程模拟尤为重要。在不考虑土壤团粒结构条件下,根据集中稳定水流条件下侵蚀产沙随沟长增加而增加并将最终趋近于水流输沙能力的事实,提出了通过改变沟长来量测水流输沙能力的实验室水槽测量方法。相应地提出了根据试验数据计算水流输沙能力的函数表达式。用一种粉粘（黄土）土壤,进行了一系列（405次）室内水槽摹拟试验。采用五种坡度（5°,10°,15°,20°,25°）、三个流量（2,4,8 L min-1）的细沟侵蚀产沙数据,分析了输沙能力与沟坡、入流量的相互关系。     

坡度和流量对崩积体坡面细沟水流输沙能力的影响

为探究坡度及流量对崩岗崩积体土壤坡面细沟侵蚀输沙能力的影响,精确计算细沟水流输沙能力,建立坡面细沟输沙能力因子模型,以崩岗崩积体土壤为研究对象,进行室内水槽模拟试验研究。结果表明:(1)不同流量条件下,坡面细沟输沙能力随坡度的增大而增大,且增幅随坡度的增加而增大,可用一元线性方程表示;(2)不同坡度条件下,坡面细沟输沙能力随着流量的增大而增大,可用幂函数表示;(3)崩岗崩积体坡面细沟输沙能力因子模型为二元幂函数方程,其中流量(q)和坡度(S)的指数分别为1.054和0.617,流量对细沟输沙能力的影响大于坡度;(4)通过模型对比发现,Wu模型、ANSWERS模型及Zhang模型方程都无法很好地预测崩岗崩积体坡面细沟输沙能力。     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀。输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义。通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度5°、10°、15°)下细沟水流的输沙能力,进一步采用多变量非线性方程分析流量、坡度、近地表水流饱和深度及其交互作用对细沟水流输沙能力的影响。结果表明,输沙能力随近地表水流饱和深度的增加而增大,且增大的速率逐渐减小,最终输沙能力趋于稳定。细沟水流输沙能力与流量、坡度及近地表水流饱和深度呈正相关关系,与坡度相比流量对输沙能力的影响作用更大。试验结果为明确地表径流与近地表水流耦合作用的土壤侵蚀机制提供了一定的理论基础与科学依据。     

黄土坡面径流输沙能力试验研究

为了建立合理的土壤侵蚀评价和预报模型,基于坡面流理论,通过室内径流冲刷模拟试验,以黄土坡面为研究对象.研究了坡面径流输沙能力.研究结果表明,当坡面侵蚀达到相对平衡时,在同一坡度条件下,坡面径流输沙率随流量的增加呈阶梯性增加,即表现为"缓一陡一缓一陡"的变化过程;坡面径流输沙率与坡度和流量之间存在指数函数关系,且流量对输沙率影响大于坡度;坡面径流输沙率与坡面径流切应力、单位水流功率及Re之间均存在着良好的线性关系.